專利名稱：一種基于高光譜遙感技術的設施栽培作物智能監(jiān)控系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種農作物生長狀況智能監(jiān)控系統(tǒng)，特指一種基于高光譜遙感技術的 設施栽培作物智能監(jiān)控系統(tǒng)。
背景技術：
設施栽培是農業(yè)現(xiàn)代化的重要標志，構建的是一個相對密閉的空間(如玻璃大 棚、培養(yǎng)間等)，在其中安裝相關的環(huán)境控制系統(tǒng)(如溫度、濕度控制系統(tǒng)，水肥供給系統(tǒng) 等)，將農作物按盡量高的密度種植在該環(huán)境可控的密閉空間內，通過采用現(xiàn)代化農業(yè)工程 和機械技術改變自然環(huán)境，實現(xiàn)對作物生長環(huán)境如溫度、濕度、營養(yǎng)狀況、光照的調節(jié)。設施 栽培需要監(jiān)控盡可能高質量、全面的作物生長信息作為生產管理依據(jù)，才可從根本上保證 作物的產量和品質。目前，高光譜遙感技術以其快速、準確、不破壞檢測對象等優(yōu)勢逐漸成為農作物生 長信息獲取的主要手段。專利號為ZL200410009914. 0、名稱為“一種智能農機載高光譜采 集方法”的專利描述了一種基于GPS定位的拖拉機車載高光譜采集方法，能夠高密度獲取農 田信息，可以對精確農業(yè)生產進行動態(tài)監(jiān)控。專利申請?zhí)枮?00510085469. 0、名稱為“基于 高光譜的小麥氮含量與籽粒蛋白品質田間快速檢測方法”描述了一種基于高光譜遙感技術 快速獲取小麥氮含量及籽粒蛋白品質信息的方法。由于常規(guī)高光譜遙感通常采用GPS定位，定位精度一般在10米左右，該精度可以 滿足田間作物動態(tài)監(jiān)控的要求，而設施栽培作物要求檢測到很小區(qū)域或者每株作物的生長 情況，故上述兩種方法只能快速獲取部分位于自然狀態(tài)下的農作物信息，得到的是大面積 區(qū)域作物的面狀數(shù)據(jù)，反映的是對應區(qū)域作物生長的總體情況，無法反應單顆作物的生長 情況，不能用于監(jiān)控設施栽培中位于相對密閉空間內的作物生長。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是為克服上述現(xiàn)有技術不足，提供了一種定位精度高、監(jiān)控實時且 準確的基于高光譜遙感技術的設施栽培作物生長智能監(jiān)控系統(tǒng)，可檢測到設施栽培作物的 很小區(qū)域或者每株作物的生長狀況。本發(fā)明采用的技術方案是包括高光譜數(shù)據(jù)采集模塊、高光譜數(shù)據(jù)分析模塊和通 訊天線，通訊天線、高光譜數(shù)據(jù)獲取模塊、高光譜數(shù)據(jù)分析模塊固定于自動導航小車上，中 央控制模塊與自動導航小車具有距離，另一通訊天線靠近中央控制模塊設置，兩通訊天線 之間以無線方式傳輸命令；所述自動導航小車沿地面上的電磁導軌鋪設的線路行進。高光 譜遙感數(shù)據(jù)采集模塊中的高光譜相機和光源固定于電控平移臺上，電控平移臺連接電控平 移臺控制器，高光譜相機與計算機相連。本發(fā)明的有益效果本發(fā)明將高光譜相機、計算機等高光譜遙感數(shù)據(jù)采集設備安 裝在自動導航小車上，通過鋪設在地下的電磁導軌引導自動導航小車攜帶高光譜數(shù)據(jù)采集 設備采集設施栽培作物的高光譜數(shù)據(jù)信息，通過數(shù)據(jù)分析模塊自動提取圖像信息特征和光譜信息特征，通過特征信息同作物生長狀況知識庫匹配得到作物的生長狀況，并將作物生 長狀況信息通過無線傳輸?shù)姆绞椒答伣o中央控制系統(tǒng)，一旦檢測到作物生長狀況出現(xiàn)問 題，生產管理員通過中央控制系統(tǒng)對作物的生長環(huán)境進行調控，從而保證設施栽培作物以 最好的狀態(tài)生長。本發(fā)明能夠實時采集設施作物的高光譜遙感信息，為設施作物的高品質、 高產量、高效益打下堅實基礎。


圖1是本發(fā)明智能監(jiān)控系統(tǒng)結構示意圖。圖2是圖1中高光譜遙感數(shù)據(jù)采集模塊4放大的結構連接示意圖。圖3是圖1的智能監(jiān)控系統(tǒng)使用示意圖。圖中1.自動導航小車；2.通訊天線；3.高光譜數(shù)據(jù)分析模塊；4.高光譜數(shù)據(jù) 采集模塊；5.電磁導軌；6.中央控制模塊；7.通訊天線；8.光源；9.電控平移臺控制器； 10.電控平移臺；11.電控平移臺載物臺；12.高光譜相機；13.計算機；14.設施栽培作物。
具體實施例方式圖1為設施栽培作物智能監(jiān)控系統(tǒng)示意圖，主要包括自動導航小車1、電磁導軌5、 通訊天線2、高光譜數(shù)據(jù)采集模塊4、高光譜數(shù)據(jù)分析模塊3、中央控制模塊6和另一通訊天 線7組成。自動導航小車1沿著地面上的電磁導軌5鋪設的線路行進；高光譜數(shù)據(jù)采集模 塊4與高光譜數(shù)據(jù)分析模塊3相互連接，將通訊天線2、高光譜數(shù)據(jù)獲取模塊4、高光譜數(shù)據(jù) 分析模塊3固定安裝在自動導航小車1上。中央控制模塊6與自動導航小車1具有一定距 離，另一通訊天線7靠近中央控制模塊6安裝，兩通訊天線2、7之間以無線的方式傳輸命 令。自動導航小車1的作用主要有兩個，一是作為監(jiān)控系統(tǒng)部件的載體，二是實現(xiàn)檢 測系統(tǒng)在設施作物生長空間內的移動。自動導航小車1的移動方式為根據(jù)中央控制模塊6 發(fā)出的移動指令，沿著電磁導軌5鋪設的線路行進。自動導航小車1根據(jù)管理員發(fā)出的移 動指令，攜帶監(jiān)測系統(tǒng)所需的硬件，在設施栽培作物空間內移動，以滿足系統(tǒng)采集各處設施 栽培作物生長信息的要求。高光譜遙感數(shù)據(jù)分析模塊3主要對地面上的設施栽培作物14的高光譜遙感數(shù)據(jù) 進行標定和特征信息提取，標定時，對采集到的高光譜遙感數(shù)據(jù)進行信號校正，目的是消除 相機暗電流、光照不均勻和相機陣列中傳感器敏感度差異帶來的信號漂移。標定操作過程 如下監(jiān)測系統(tǒng)正式開始工作前，系統(tǒng)先加電預熱10 20分鐘，待相機傳感器和光源等部 件性能穩(wěn)定后，通過合上相機蓋和放置標準白板(反射率99%以上)分別采集全黑標定圖 像和全白標定圖像；用采集到的設施栽培作物高光譜圖像減去全黑標定圖像，再除以全白 標定圖像和全黑標定圖像的差，即可得到經過標定后的校正圖像。高光譜遙感數(shù)據(jù)特征提 取包括圖像特征提取和光譜特征提取兩個方面。高光譜遙感數(shù)據(jù)同傳統(tǒng)圖像數(shù)據(jù)相比，成 像的波長精度更高，達到了 nm級別，所以高光譜遙感數(shù)據(jù)是三維的，它既包含了不同波長 下的圖像信息，又包含了單個像素點的光譜信息。根據(jù)高光譜遙感數(shù)據(jù)的特點，不僅可以提 取拍攝物體的圖像特征，還可以提取相應的光譜特征。所謂圖像信息特征提取，是運用主成 分分析法、獨立分量分析法、小波分析法及不均勻二階差分法等多種算法，尋找同設施栽培作物生長狀況最為相關的特征波長及其對應的高光譜圖像。在特征波長對應的高光譜圖像 上，運用常規(guī)的圖像處理方法(如背景分割、濾波、消噪、邊緣提取等方法)提取相應的特征 參數(shù)(如葉片顏色、葉片形狀、葉片紋理等特征)。所謂光譜信息特征提取，是利用光譜信息 同預先建立的定量模型相結合，可以對作物中的某種組分進行定量測量(如植物葉片的葉 綠素、葉黃素、可溶性蛋白、氨基酸等)，通過對這些組分含量的監(jiān)控，可以準確感知設施栽 培作物的生長狀況。光譜信息特征提取首先要進行光譜預處理(如標準正交變換、多元散 射校正、小波變換、中心化)，將預處理后的光譜代入預先建立的定量模型，就可獲取對應組 分的含量，從而得出作物生長狀況診斷結果，診斷結果通過通訊天線2以無線傳輸?shù)姆绞?及時反饋到中央控制模塊6。中央控制模塊6是設施栽培作物智能監(jiān)控系統(tǒng)的控制中心，主要功能可概述為兩 個方面，一是中央控制模塊6通過通訊天線7以無線的方式向自動導航小車1傳輸移動命 令，同時也接受檢測系統(tǒng)的高光譜遙感數(shù)據(jù)分析模塊3的診斷結果；管理員可以通過中央 控制模塊6指定自動導航小車1的行為模式，如何時啟動、何時停止、行進的速度、移動范圍 等。同時，高光譜遙感數(shù)據(jù)采集和特征提取完成后，將設施栽培作物生長狀況診斷結果返回 到中央控制模塊6，供管理員參考和決策。二是中央控制模塊6通過有線的方式同設施栽培 的其它生長調控系統(tǒng)相連，控制著其它作物生長調控系統(tǒng)。這些生長調控系統(tǒng)分別為溫度 調控系統(tǒng)、濕度調控系統(tǒng)、水肥調控系統(tǒng)、光照調控系統(tǒng)、CO2濃度調控系統(tǒng)等。管理員通過 中央控制模塊6獲取到設施栽培作物的生長狀況診斷信息后，可以根據(jù)診斷信息進行生產 管理。例如，智能監(jiān)控系統(tǒng)通過分析設施栽培作物高光譜遙感數(shù)據(jù)診斷發(fā)現(xiàn)作物缺乏N元 素，管理員在獲取到作物缺乏N元素這個信息后，可以通過中央控制模塊6對設施栽培系統(tǒng) 中的水肥調控系統(tǒng)進行調節(jié)，增加N元素的供給，保證作物及時獲取到充足的N元素。中央 控制模塊6根據(jù)生長狀況診斷結果對其它子系統(tǒng)作出相應調整，以保證設施栽培作物一直 處在最適宜的生長環(huán)境。如圖2所示的高光譜遙感數(shù)據(jù)采集模塊4的結構，當自動導航小車1運動到指定 位置后，高光譜遙感數(shù)據(jù)采集模塊4開始工作。高光譜遙感數(shù)據(jù)采集模塊4由光源8、電控 平移臺控制器9、電控平移臺10、電控平移臺載物臺11、高光譜相機12和計算機13組成。 其中，高光譜相機12和光源8被固定在精密的電控平移臺載物臺11上，電控平移臺載物臺 11固定在電控平移臺10上，電控平移臺控制器9連接且控制電控平移臺10，高光譜相機12 和計算機13相連。常規(guī)的高光譜數(shù)據(jù)采集方式為相機和光源固定在光箱上，即光源和相 機保持靜止，檢測對象被放置在精密電控平移臺上，在精密電控平移臺控制器的驅動下沿 高光譜相機掃描線垂直的方向運動，完成檢測對象的高光譜數(shù)據(jù)采集。而本發(fā)明為了避免 監(jiān)控過程中對作物生長帶來影響，數(shù)據(jù)采集時不能給設施作物帶來任何傷害，本發(fā)明高光 譜遙感數(shù)據(jù)采集方式為檢測對象(設施栽培作物)靜止，高光譜相機12和光源8安裝于 精密的電控平移臺10上，在精密的電控平移臺控制器9的驅動下隨電控平移臺10相對檢 測對象做相對運動。精密的電控平移臺控制器9控制精密的電控平移臺載物臺11以一定 的速度沿左右方向運動，帶動安裝在精密電控平移臺載物臺11上的高光譜相機12和光源8 也以同樣的速度左右方向運動，在運動的過程中，高光譜相機12完成對設施栽培作物的高 光譜遙感數(shù)據(jù)獲取，并將獲取到的信息保存到計算機3內。如圖3所示的智能監(jiān)控系統(tǒng)使用示意圖，使用時，將電磁導軌5鋪設在設施栽培作物14的周圍及生長區(qū)域縫隙間，自動導航小車1根據(jù)中央?？刂茐K6發(fā)出的指令，可以沿 電磁導軌5運動至設施栽培作物14附近，對其生長狀況進行動監(jiān)測。
權利要求
一種基于高光譜遙感技術的設施栽培作物智能監(jiān)控系統(tǒng)，包括高光譜數(shù)據(jù)采集模塊(4)、高光譜數(shù)據(jù)分析模塊(3)和通訊天線，其特征是一通訊天線(2)、高光譜數(shù)據(jù)獲取模塊(4)、高光譜數(shù)據(jù)分析模塊(3)固定于自動導航小車(1)上，中央控制模塊(6)與自動導航小車(1)具有距離，另一通訊天線(7)靠近中央控制模塊(6)設置，兩通訊天線(2、7)之間以無線方式傳輸命令；所述自動導航小車(1)沿地面上的電磁導軌(5)鋪設的線路行進所述高光譜遙感數(shù)據(jù)采集模塊(4)中的高光譜相機(12)和光源(8)固定于電控平移臺(10)上，電控平移臺(10)連接電控平移臺控制器(9)，高光譜相機(12)與計算機(13)相連。
2.根據(jù)權利要求1所述的一種基于高光譜遙感技術的設施栽培作物智能監(jiān)控系統(tǒng)，其 特征是所述高光譜遙感數(shù)據(jù)分析模塊(3)對地面上的設施栽培作物(14)的高光譜遙感數(shù) 據(jù)進行標定和特征信息提取，通過通訊天線(2)以無線傳輸方式反饋至中央控制模塊(6)。
3.根據(jù)權利要求1所述的一種基于高光譜遙感技術的設施栽培作物智能監(jiān)控系統(tǒng)，其 特征是所述中央控制模塊(6)通過另一通訊天線(7)以無線的方式向自動導航小車(1) 傳輸移動命令，同時接受高光譜遙感數(shù)據(jù)分析模塊(3)的診斷結果。
4.根據(jù)權利要求1所述的一種基于高光譜遙感技術的設施栽培作物智能監(jiān)控系統(tǒng)，其 特征是所述中央控制模塊(6)通過有線方式同設施栽培作物(14)的其它生長調控系統(tǒng)相 連。
5.根據(jù)權利要求1所述的一種基于高光譜遙感技術的設施栽培作物智能監(jiān)控系統(tǒng)，其 特征是所述電磁導軌(5)鋪設于設施栽培作物(14)的周圍及生長區(qū)域縫隙間。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于高光譜遙感技術的設施栽培作物智能監(jiān)控系統(tǒng)，一通訊天線、高光譜數(shù)據(jù)獲取模塊、高光譜數(shù)據(jù)分析模塊固定于自動導航小車上，中央控制模塊與自動導航小車具有距離，另一通訊天線靠近中央控制模塊設置，兩通訊天線之間以無線方式傳輸命令；所述自動導航小車沿地面上的電磁導軌鋪設的線路行進。高光譜遙感數(shù)據(jù)采集模塊中的高光譜相機和光源固定于電控平移臺上，電控平移臺連接電控平移臺控制器，高光譜相機與計算機相連。本發(fā)明能夠實時采集設施栽培作物的高光譜遙感信息，保證設施栽培作物以最好的狀態(tài)生長。
文檔編號G05B15/02GK101923319SQ20101014995
公開日2010年12月22日 申請日期2010年4月16日 優(yōu)先權日2010年4月16日
發(fā)明者殷曉平, 王開亮, 石吉勇, 蔡建榮, 趙杰文, 鄒小波, 陳全勝, 陳正偉, 黃星奕 申請人:江蘇大學