一種便攜式農作物參數測量與長勢智能分析裝置及方法制造方法及圖紙

本發明專利技術公開了一種便攜式農作物參數測量與長勢智能分析裝置及方法，裝置包括光譜成像模塊、激光結構光散點發射器、雙目攝影測量模塊、成像采集控制模塊、數據采集模塊、數據處理模塊以及數據分析與應用模塊和電池模塊；本發明專利技術將基于激光三角法測距原理的結構光測量技術，實現復雜自然條件下的農作物冠層結構快速自動測量。以等分光器件將激光器單點光源轉換為特定的形態作為光源，產生等等間隔點狀投射光源，使其產生的光束照射被測表面。在獲取多光譜圖像的同時，通過攝影測量技術獲得每個光斑或光條的三維坐標或空間形態，通過空間插值技術實現農作物冠層結構的三維重建。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術屬于農業信息化
，涉及一種農作物參數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合的便攜式農作物參數測量與長勢智能分析裝置及方法。
技術介紹
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、環境問題日益突出的大背景下，如何保證農業可持續發展和糧食安全，使農業產量及品質與農業投入同步增長，實現農業高產、優質、高效、生態安全的協調發展目標，是我國今后相當長時期內農業必須面對和解決的重大問題。精準農業于20世紀80年代初在國際農業領域被倡導且得到了迅速發展。目前，美國在精準農業研究與應用領域處于國際領先。近年來，國內很多科研院所也開始了精準農業相關方面的研究，但在精準農業的理論與實踐研究上還處于剛剛起步階段。精準農業的三個基本環節是信息獲取、決策和實施，因此，農作物生態環境信息快速準確獲取是精準農業能夠得以順利決策和實施的基礎，是建立以實時、精準實施為特點的現代農業生產系統的核心組件。但在農作物生態環境信息獲取方面技術和方法的不成熟是目前精準農業得以順利實施的主要瓶頸。本本專利技術致力于農作物生態環境信息獲取及農作物長勢監測的現代新型技術，對促進國內精準農業的發展具有極其重要的推動作用。當前的農業生產中，農作物信息的快速提取和分析具有重要應用價值，各種農作物參數速測儀器得到廣泛應用。但目前的主流農作物參數測量儀器主要是作物養分、生化參數的測量，其中以葉綠素儀、葉面積指數儀器、光學作用儀器、水分測量儀器和植株分析儀為代表。而在農業生產中，涉及農作物三維幾何形態的測量儀器尚沒有以便攜式儀器形式出現。同時，三維幾何形態數據的觀測分析與作物養分和生化參數的觀測分析難以同時進行，而這兩類參數的同時獲取對于農作物信息的分析具有及其重要的作用。另一方面，現有的農業參數測量儀主要從專業分析出發，屬于農業科技領域相對專業的參數，缺乏對普通農戶的運用普及性。由于沒有足夠的專業科技知識，上述參數難以形成直接的農業生產推動力。要解決上述問題，必須從技術角度予以突破，需要對幾何與光譜兩類分析監測途徑予以綜合，同時同步監測，這種技術瓶頸在當前并未突破。而且，要方面農戶使用，需要實時提出農作物長勢的智能化監測結果，這有賴于利用典型農作物的基礎觀測數據，形成專家支持決策系統，而這是單一的作物參數測量儀器領域無法完成的。
技術實現思路
為了解決上述技術問題，本專利技術根據農作物生長狀況監測的需要，綜合利用農作物對可見光的反射特性和激光結構光的性質，提出了一種基于激光與高光譜結合的便攜式農作物參數測量與長勢智能分析裝置及方法。本專利技術提供的一種便攜式農作物參數測量與長勢智能分析裝置，其特征在于：包括光譜成像模塊、激光結構光散點發射器、雙目攝影測量模塊、成像采集控制模塊、數據采集模塊、數據處理模塊以及數據分析與應用模塊和電池模塊；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，水平設置，工作時放置載農作物正上面；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；所述激光結構光散點發射器設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；所述激光結構光散點發射器發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、激光結構光散點發射器、雙目攝影測量模塊、數據采集模塊、數據處理模塊以及數據分析與應用模塊連接；所述電池模塊分別與所述光譜成像模塊、激光結構光散點發射器、雙目攝影測量模塊、成像采集控制模塊、數據采集模塊、數據處理模塊以及數據分析與應用模塊連接，提供電力。作為優選，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。作為優選，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米的矩形區域。作為優選，所述6個COMS圖像傳感器和對應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。作為優選，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。本專利技術提供的一種便攜式農作物參數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：農作物冠層三維重建，其具體實現包括以下子步驟：步驟1.1：農作物冠層雙目攝影測量測量的結構光形態調整；所述結構光形態包含激光頻率和光束形狀兩個方面的參數；步驟1.2：結構光攝影測量標定，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獲取包含鏡頭畸變、內外方為元素在內的高精度的相機參數；所述投影器定標是將結構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結構光的標定；步驟1.3：農作物冠層結構的快速三維重建；開啟激光結構光散點發射器，然后利用雙目攝影測量模塊對農作物冠層進行拍照，雙目攝影測量模塊根據影像和激光結構光信息自動完成點云數據生成，點云數據即為三維數據集；步驟2：光譜成像模塊輻射校正，其具體實現包括以下子步驟：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，在室內狀態下對光譜成像模塊做輻射定標試驗；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，其具體實現包括以下子步驟：步驟3.1：基礎幾何處理；步驟3.2：冠層影像處理；步驟4：農作物長勢參數信息提取功能，其具體實現包括以下子步驟：步驟4.1：生物物理參數獲取；基于激光三角法測距原理的結構光測量技術，通過攝影測量技術獲得每個光斑或光條的三維坐標或空間形態，能實現復雜自然條件下的農作物冠層結構的快速自動測量；步驟4.2：生物化學參數獲取；記錄和分析植被在特征波段的光譜反射信號，并結合激光結構光測量數據，估算反映農作物長勢的生物化學參數，所述生物化學參數包括農作物覆蓋度、葉面積指數和葉綠素含量。作為優選，步驟2.1中所述的實驗室絕對輻射定標，是讓豎立于衛星側面的半積分球輸出的均勻穩定的輻射光，通過相機上方的45°測試反射鏡轉折入相機擺鏡和鏡頭，經過分光棱鏡和拼接棱鏡照射到焦平面的CCD探元上，CCD探元完成光電轉換后輸出電壓信號值，經過數傳系統接收處理，再通過數字采集模塊采集定標數據。作為優選，步驟3.1中所述的基礎幾何處理，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，利用相對幾何空間關系進行光學相機比例尺計算；然后借助共線方程幾何構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據本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種便攜式農作物參數測量與長勢智能分析裝置，其特征在于：包括光譜成像模塊、激光結構光散點發射器、雙目攝影測量模塊、成像采集控制模塊、數據采集模塊、數據處理模塊以及數據分析與應用模塊和電池模塊；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，水平設置，工作時放置載農作物正上面；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；所述激光結構光散點發射器設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；所述激光結構光散點發射器發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、激光結構光散點發射器、雙目攝影測量模塊、數據采集模塊、數據處理模塊以及數據分析與應用模塊連接；所述電池模塊分別與所述光譜成像模塊、激光結構光散點發射器、雙目攝影測量模塊、成像采集控制模塊、數據采集模塊、數據處理模塊以及數據分析與應用模塊連接，提供電力。

【技術特征摘要】
1.一種便攜式農作物參數測量與長勢智能分析裝置，其特征在于：包括光譜成像模塊、激光結構光散點發射器、雙目攝影測量模塊、成像采集控制模塊、數據采集模塊、數據處理模塊以及數據分析與應用模塊和電池模塊；
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，水平設置，工作時放置載農作物正上面；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；所述激光結構光散點發射器設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；所述激光結構光散點發射器發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、激光結構光散點發射器、雙目攝影測量模塊、數據采集模塊、數據處理模塊以及數據分析與應用模塊連接；
所述電池模塊分別與所述光譜成像模塊、激光結構光散點發射器、雙目攝影測量模塊、成像采集控制模塊、數據采集模塊、數據處理模塊以及數據分析與應用模塊連接，提供電力。
2.根據權利要求1所述的便攜式農作物參數測量與長勢智能分析裝置，其特征在于：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。
3.根據權利要求2所述的便攜式農作物參數測量與長勢智能分析裝置，其特征在于：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米的矩形區域。
4.根據權利要求2所述的便攜式農作物參數測量與長勢智能分析裝置，其特征在于：所述6個COMS圖像傳感器和對應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。
5.根據權利要求1所述的便攜式農作物參數測量與長勢智能分析裝置，其特征在于：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。
6.一種便攜式農作物參數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：農作物冠層三維重建，其具體實現包括以下子步驟：
步驟1.1：農作物冠層雙目攝影測量測量的結構光形態調整；所述結構光形態包含激光頻率和光束形狀兩個方面的參數；
步驟1.2：結構光攝影測量標定，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獲取包含鏡頭畸變、內外方為元素在內的高精度的相機參數；所述投影器定標是將結構光投影到已知形狀的標定物上，由相機拍攝影像，通過三角...

【專利技術屬性】
技術研發人員：方圣輝，龔龑，唐敏，彭漪，
申請(專利權)人：武漢大學，
類型：發明
國別省市：湖北;42