一種便攜式農(nóng)作物參數(shù)測量與長勢智能分析裝置及方法
【專利說明】一種便攜式農(nóng)作物參數(shù)測量與長勢智能分析裝置及方法
[0001]
技術(shù)領(lǐng)域
[0002]本發(fā)明屬于農(nóng)業(yè)信息化技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種農(nóng)作物參數(shù)測量與長勢分析裝置及方案，尤其涉及一種基于激光與高光譜結(jié)合的便攜式農(nóng)作物參數(shù)測量與長勢智能分析裝置及方法。
[0003]
【背景技術(shù)】
[0004]在我國耕地資源日益減少、水資源嚴重短缺、人口不斷膨脹、需求快速增加、環(huán)境問題日益突出的大背景下，如何保證農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展和糧食安全，使農(nóng)業(yè)產(chǎn)量及品質(zhì)與農(nóng)業(yè)投入同步增長，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、高效、生態(tài)安全的協(xié)調(diào)發(fā)展目標，是我國今后相當長時期內(nèi)農(nóng)業(yè)必須面對和解決的重大問題。精準農(nóng)業(yè)于20世紀80年代初在國際農(nóng)業(yè)領(lǐng)域被倡導且得到了迅速發(fā)展。目前，美國在精準農(nóng)業(yè)研究與應(yīng)用領(lǐng)域處于國際領(lǐng)先。
[0005]近年來，國內(nèi)很多科研院所也開始了精準農(nóng)業(yè)相關(guān)方面的研究，但在精準農(nóng)業(yè)的理論與實踐研究上還處于剛剛起步階段。精準農(nóng)業(yè)的三個基本環(huán)節(jié)是信息獲取、決策和實施，因此，農(nóng)作物生態(tài)環(huán)境信息快速準確獲取是精準農(nóng)業(yè)能夠得以順利決策和實施的基礎(chǔ)，是建立以實時、精準實施為特點的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)的核心組件。但在農(nóng)作物生態(tài)環(huán)境信息獲取方面技術(shù)和方法的不成熟是目前精準農(nóng)業(yè)得以順利實施的主要瓶頸。
[0006]本本發(fā)明致力于農(nóng)作物生態(tài)環(huán)境信息獲取及農(nóng)作物長勢監(jiān)測的現(xiàn)代新型技術(shù)，對促進國內(nèi)精準農(nóng)業(yè)的發(fā)展具有極其重要的推動作用。
[0007]當前的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，農(nóng)作物信息的快速提取和分析具有重要應(yīng)用價值，各種農(nóng)作物參數(shù)速測儀器得到廣泛應(yīng)用。但目前的主流農(nóng)作物參數(shù)測量儀器主要是作物養(yǎng)分、生化參數(shù)的測量，其中以葉綠素儀、葉面積指數(shù)儀器、光學作用儀器、水分測量儀器和植株分析儀為代表。而在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，涉及農(nóng)作物三維幾何形態(tài)的測量儀器尚沒有以便攜式儀器形式出現(xiàn)。
[0008]同時，三維幾何形態(tài)數(shù)據(jù)的觀測分析與作物養(yǎng)分和生化參數(shù)的觀測分析難以同時進行，而這兩類參數(shù)的同時獲取對于農(nóng)作物信息的分析具有及其重要的作用。
[0009]另一方面，現(xiàn)有的農(nóng)業(yè)參數(shù)測量儀主要從專業(yè)分析出發(fā)，屬于農(nóng)業(yè)科技領(lǐng)域相對專業(yè)的參數(shù)，缺乏對普通農(nóng)戶的運用普及性。由于沒有足夠的專業(yè)科技知識，上述參數(shù)難以形成直接的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)推動力。
[0010]要解決上述問題，必須從技術(shù)角度予以突破，需要對幾何與光譜兩類分析監(jiān)測途徑予以綜合，同時同步監(jiān)測，這種技術(shù)瓶頸在當前并未突破。而且，要方面農(nóng)戶使用，需要實時提出農(nóng)作物長勢的智能化監(jiān)測結(jié)果，這有賴于利用典型農(nóng)作物的基礎(chǔ)觀測數(shù)據(jù)，形成專家支持決策系統(tǒng)，而這是單一的作物參數(shù)測量儀器領(lǐng)域無法完成的。
[0011]

【發(fā)明內(nèi)容】

[0012]為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明根據(jù)農(nóng)作物生長狀況監(jiān)測的需要，綜合利用農(nóng)作物對可見光的反射特性和激光結(jié)構(gòu)光的性質(zhì)，提出了一種基于激光與高光譜結(jié)合的便攜式農(nóng)作物參數(shù)測量與長勢智能分析裝置及方法。
[0013]本發(fā)明提供的一種便攜式農(nóng)作物參數(shù)測量與長勢智能分析裝置，其特征在于:包括光譜成像模塊、激光結(jié)構(gòu)光散點發(fā)射器、雙目攝影測量模塊、成像采集控制模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊以及數(shù)據(jù)分析與應(yīng)用模塊和電池模塊；
所述光譜成像模塊有6組，成上下兩排各3個布置，所述光譜成像模塊位于裝置外殼的下底面中央，水平設(shè)置，工作時放置載農(nóng)作物正上面;所述雙目攝影測量模塊為兩組，分別排列在所述光譜成像模塊的兩側(cè);所述激光結(jié)構(gòu)光散點發(fā)射器設(shè)置于所述光譜成像模塊下方，所述光譜成像模塊6個鏡頭的主光軸和所述雙目攝影測量模塊的2個鏡頭方向一致，主光軸平行向前;所述激光結(jié)構(gòu)光散點發(fā)射器發(fā)射方向與所述光譜成像模塊鏡頭方向一致；所述成像采集控制模塊分別與所述光譜成像模塊、激光結(jié)構(gòu)光散點發(fā)射器、雙目攝影測量模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊以及數(shù)據(jù)分析與應(yīng)用模塊連接；
所述電池模塊分別與所述光譜成像模塊、激光結(jié)構(gòu)光散點發(fā)射器、雙目攝影測量模塊、成像采集控制模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊以及數(shù)據(jù)分析與應(yīng)用模塊連接，提供電力。
[0014]作為優(yōu)選，所述光譜成像模塊由可變焦鏡頭、特定波段濾光片和COMS圖像傳感器三組件組成，三組件按照從上到下順序組裝。
[0015]作為優(yōu)選，所述可變焦鏡頭為固定孔徑和焦長±30°視場角的鏡頭，使得光譜成像模塊在2.5米高度可對地觀測到3*3米的矩形區(qū)域。
[0016]作為優(yōu)選，所述6個COMS圖像傳感器和對應(yīng)鏡頭間分別配置涵蓋藍波段，綠波段，紅波段，紅邊波段，紅外波段的指定帶通濾光片，雙目攝影測量模塊的2個COMS圖像傳感器不配濾光片。
[0017]作為優(yōu)選，所述成像采集控制模塊還配置有GPS模塊、3G/WIFI模塊和觸摸屏模塊，用于裝置輸出和輸入信息。
[0018]本發(fā)明提供的一種便攜式農(nóng)作物參數(shù)測量與長勢智能分析方法，其特征在于，包括以下步驟:
步驟1:農(nóng)作物冠層三維重建，其具體實現(xiàn)包括以下子步驟:
步驟1.1:農(nóng)作物冠層雙目攝影測量測量的結(jié)構(gòu)光形態(tài)調(diào)整;所述結(jié)構(gòu)光形態(tài)包含激光頻率和光束形狀兩個方面的參數(shù)；
步驟1.2:結(jié)構(gòu)光攝影測量標定，包括相機標定和投影器標定兩步驟;所述相機標定采用攝影測量光束法平差技術(shù)獲取包含鏡頭畸變、內(nèi)外方為元素在內(nèi)的高精度的相機參數(shù)；所述投影器定標是將結(jié)構(gòu)光投影到已知形狀的標定物上，由相機拍攝影像，通過三角測量原理的逆過程即可實現(xiàn)結(jié)構(gòu)光的標定；
步驟1.3:農(nóng)作物冠層結(jié)構(gòu)的快速三維重建;開啟激光結(jié)構(gòu)光散點發(fā)射器，然后利用雙目攝影測量模塊對農(nóng)作物冠層進行拍照，雙目攝影測量模塊根據(jù)影像和激光結(jié)構(gòu)光信息自動完成點云數(shù)據(jù)生成，點云數(shù)據(jù)即為三維數(shù)據(jù)集；
步驟2:光譜成像模塊輻射校正，其具體實現(xiàn)包括以下子步驟:
步驟2.1:實驗室絕對輻射定標，使用積分球作為定標輻射源，在室內(nèi)狀態(tài)下對光譜成像豐吳塊做福射定標試驗；
步驟2.2:基于地面標準反射板的影像快速輻射校正，通過在影像范圍內(nèi)放置標準白板，通過卷尺獲取的高度信息，確定白板大小，定位白板位置，獲取白板輻亮度值；
步驟3:冠層影像幾何與光譜融合處理，其具體實現(xiàn)包括以下子步驟:
步驟3.1:基礎(chǔ)幾何處理；
步驟3.2:冠層影像處理；
步驟4:農(nóng)作物長勢參數(shù)信息提取功能，其具體實現(xiàn)包括以下子步驟:
步驟4.1:生物物理參數(shù)獲取；
基于激光三角法測距原理的結(jié)構(gòu)光測量技術(shù)，通過攝影測量技術(shù)獲得每個光斑或光條的三維坐標或空間形態(tài)，能實現(xiàn)復雜自然條件下的農(nóng)作物冠層結(jié)構(gòu)的快速自動測量；
步驟4.2:生物化學參數(shù)獲??；
記錄和分析植被在特征波段的光譜反射信號，并結(jié)合激光結(jié)構(gòu)光測量數(shù)據(jù)，估算反映農(nóng)作物長勢的生物化學參數(shù)，所述生物化學參數(shù)包括農(nóng)作物覆蓋度、葉面積指數(shù)和葉綠素含量。
[0019]作為優(yōu)選，步驟2.1中所述的實驗室絕對輻射定標，是讓豎立于衛(wèi)星側(cè)面的半積分球輸出的均勻穩(wěn)定的輻射光，通過相機上方的45°測試反射鏡轉(zhuǎn)折入相機擺鏡和鏡頭，經(jīng)過分光棱鏡和拼接棱鏡照射到焦平面的CCD探元上，CCD探元完成光電轉(zhuǎn)換后輸出電壓信號值，經(jīng)過數(shù)傳系統(tǒng)接收處理，再通過數(shù)字采集模塊采集定標數(shù)據(jù)。
[0020]作為優(yōu)選，步驟3.1中所述的基礎(chǔ)幾何處理，首先通過激光探測器得到包括冠層高度、背景高度信息的多點距離信息和相機參數(shù)，利用相對幾何空間關(guān)系進行光學相機比例尺計算;然后借助共線方程幾何構(gòu)象模型進行集合糾正，獲取冠層正射影像;同時對多通道光學影像進行通道間配準，獲取冠層多通道灰度序列數(shù)據(jù)。
[0021]作為優(yōu)選，步驟3.2中所述的冠層影像處理，首先對冠層正