CN103278197A - 一种基于车载系统的作物生长监测装置与方法 - Google Patents

Abstract

本发明专利公开了一种基于车载系统的作物生长监测装置与方法，一种基于车载系统的作物生长监测装置其特征在于：包括多光谱作物生长传感器及光谱数据采集器、GPS基准站、GPS接收机、车载系统速度传感器、加速度传感器、重力传感器、电子罗盘、车载系统状态采集器、屏蔽电缆线、车载终端和传感器支架、电源电路，本发明集作物反射光谱测属性信息量、矢量信息的监测、光谱信息校正、反射光谱本地图形化显示、决策模型的实时动态显示于一体，具有测量精度高、可实时连续测量、信息量大、处理速度快等优点，及时有效的数据获取为精细农业的大面积实施提供了可能提供了便利，解决了现有作物生长监测中存在的问题。

Description

一种基于车载系统的作物生长监测装置与方法

技术领域

本发明一种基于车载系统的作物生长监测装置及方法涉及精准农业领域，具体涉及作物生长监测、诊断，尤其是基于车载系统的作物生长信息大区域、连续、快速、实时监测与诊断。

背景技术

作物生产精确管理对于发展优质、高产、高效、生态、安全的农业生产尤为重要。作物生产精确管理的实施过程包括作物生长信息的获取、信息的管理与决策和田间变量作业。其中，作物生长信息实时获取是作物生产精确管理的首要条件。

在传统作物生产管理过程中，对作物生长状况往往缺乏准确量化认识；或虽对作物生长指标进行定量分析，但需破坏性取样与化学分析，时效性差，常导致生产中普遍过量施肥（特别是氮肥）或肥料施用不足（如部分微量元素），易造成生产成本上升、环境污染和土地可持续生产能力下降。

近年来，基于地物光谱特性的多光谱及高光谱遥感技术获得了迅猛发展，使得实时、快速、精确、无损获取植物生长状况及植株生化组分成为可能，从而为作物生长的无损监测与诊断提供了新的途径和方法。基于光谱的作物生长监测仪设备得到了蓬勃的发展，主要有基于航天的卫星遥感监测系统、基于航空的飞机高光谱监测系统、基于便携式的监测系统。

卫星遥感监测系统，用于大面积监测，但是由于光谱数据传输路径的复杂，所得数据的可靠性不高，数据对农学指标的反演具有很大的偏差，不能直接指导生产

基于飞机的高光谱监测系统，可以实现地物光谱的实时监测，但是成本高，精度差，不适应于大面积推广。

便携式监测系统，具有精度高等优点，但是模块集成化低，数据离散大，获得的数据为一个个孤立的点，数据的分析处理周期长。不便于对农业生产提出及时有效的指导。

发明内容

本发明的目的是针对上述现有技术的不足，提出了一种基于车载系统的作物生长监测装置及方法。该装置能够实现农田作物信息及采样点地理信息的连续、快速、实时、高密度地获取，耦合光谱数据-作物生长模型，对作物氮含量、氮积累量、叶面积指数和生物量等生长指标实时诊断，对采样分析获得的作物生长指标进行空间分析，获取作物生长指标空间分布趋势图，耦合作物生长诊断与调控模型，实现作物氮肥精确管理决策。

本发明的技术方案是：

一种基于车载系统的作物生长监测装置，其特征在于：包括多光谱作物生长传感器及光谱数据采集器、GPS基准站、GPS接收机、车载系统速度传感器、加速度传感器、重力传感器、电子罗盘、车载系统状态采集器、屏蔽电缆线、车载终端和传感器支架、电源电路，其中：

所述多光谱作物生长传感器固定在传感器支架上，多光谱作物生长传感器通过屏蔽电缆线与光谱数据采集器连接；光谱数据采集器通过CAN总线与车载终端连接；

所述GPS基准站固定在目标田块附近；GPS接收机固定在驾驶室内部，GPS接收机的天线安装在驾驶室顶部，GPS接收机通过串口与车载终端连接；

所述车载系统速度传感器、加速度传感器、重力传感器和电子罗盘镶嵌在车载系统状态采集器内部，车载系统状态采集器固定在驾驶室内，通过CAN总线与车载终端连接，实时发送车载系统状态数据；

所述电源电路与车载电瓶相连并为整个系统供电。

所述多光谱作物传感器包括上行光传感器、下行光传感器、三芯屏蔽线、固定支架，上行光传感器连接于固定支架上表面；下行光传感器连接于固定支架下表面。

所述多光谱传感器检测波段为715nm至735nm、820nm至840nm。

本发明还提供一种基于车载系统的作物生长监测装置的田间作物生长信息快速无损检测方法，采用如下步骤：

步骤1），将上行光传感器连接于固定支架上表面；下行光传感器连接于固定支架下表面；固定支架通过紧固螺丝固定在传感器支架上；安装另一组传感器于中轴线的另一边，设置下行光作物生长传感器与水平位置成90°，距离作物冠层高度0.7m～1.2m。

步骤2），系统初始化，首先系统上电，打开作物生长信息采集系统，打开串口等到GPS接收机初始化完成，当机车运行至目标田块边缘时，启动机车，存储矢量数据设置该机车启动点为基准点，随后使得机车按单一时向（顺/逆时针）绕目标田块运行一周，当行驶至基准点附近时停止存储矢量数据，生成监测小区，系统将自动生成监测小区；

步骤3），数据采集，机车进入监测小区，在打开步骤2）生成的监测小区区域内，系统将进入采集点状态，并实时更新显示采集点的位置，在监测小区区域内，机车在小区内沿间隔4m～6m的S型路线进行采集，监测小区区域运行结束时；

步骤4），数据分析，对采集到的数据进行插值分析，形成空间分布图，分析选项有反射率：包含715nm至735nm反射率、820nm至840nm反射率两个选项；植被指数：包含归一化植被指数（N差值植被指数（NDVI））、差值植被指数（DVI）、比值植被指数（RVI）三个指数；农学指标：包含叶片含氮量、叶面积指数、叶干重、叶片氮积累量；农学指标分析前完成对分析选项卡进行设置，设置作物、品种及相应的生育期，以确保系统反演的准确性。

本发明的有益效果是：

本发明专利公开了一种基于车载系统的作物生长监测装置与方法，包括基于车载系统的作物生长信息监测装置及基于车载的作物生长监测方法。本发明专利集作物反射光谱测属性信息量、矢量信息的监测、光谱信息校正、反射光谱本地图形化显示、决策模型的实时动态显示于一体，具有测量精度高、可实时连续测量、信息量大、处理速度快等优点，及时有效的数据获取为精细农业的大面积实施提供了可能提供了便利，解决了现有作物生长监测中存在的问题。

附图说明

图1为本发明的传感器支架示意图。

图2为本发明的硬件结构连接图。

图3为本发明的电路连接。

图4为本发明的监测方法流程图。

图5为本发明的作物管理决策支持系统结构。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述：

一种基于车载系统的作物生长监测装置，包括作物光谱信息监测、GPS定位信息获取、作物生长信息解译、作物管理决策支持系统等部分。具体实施方式如下:

传感器支架示意图如图1，将上下光管固定在距离机车中轴面1.5～2m的传感器支架定位孔上，调节传感器支架使得多光谱作物生长传感器下行光传感器与水平位置成90°固定连接于固定支架，并使其距离作物冠层0.7～1.2m。

系统结构，图2、3所示为本发明的一个结构连接图，如图2、3所示，多光谱作物生长传感器固定在传感器支架上通过屏蔽电缆线与光谱数据采集器连接；光谱数据采集器通过CAN总线与车载终端连接；GPS基准站放置在目标田块附近；GPS接收机固定在驾驶室内部，天线安装在驾驶室顶部，通过串口与车载终端连接；车载系统速度传感器、加速度传感器、重力传感器、电子罗盘镶嵌在车载系统状态采集器内部，车载系统状态采集器固定在驾驶室内，通过CAN总线与车载终端连接，实时发送车载系统状态数据。

光谱信息监测：采用由国家信息农业工程技术中心研制多光谱作物生长传感器，用于获取作物反射光谱数据，传感器将特征波段的光照强度转换为电信号，经光谱数据采集器数字化后通过CAN总线传输至处理器。

GPS定位：采用GPS差分基准站和移动GPS定位模块，用于获取经度、纬度、时间信息，通过串行口发送给处理控制模块，串口的波特率设置为9600bps，间隔时间1s。

车载系统工作环境信息采集：机车匀速运动，由GPS定位系统监测车速；加速度传感器监测机车及传感器震动；电子罗盘监测航向；重力传感器监测机车的倾角，各传感器所的信号经过车载系统状态采集器编码后通过CAN总线传输至车载终端。CAN总线是一种缩写，全称应是“控制器局域网络总线”，是英文Controller Area Network的首字母组合而成的。CAN总线采用差分信号传输，有很强的错误检测能力，通信距离远的优点。

参考图4，本发明监测方法流程图。信息获取存储策略，数据自发回传，定位信息1次/s，多光谱信息2次/s，机车状态信息5次/s，实时更新对应数据缓存内容；存储策略，定位信息回传后，对比上次存储数据时的位置信息，当前定位信号较上次定位信息移动超过设定最小值时，自动触发存储，存储一组位置信息，一组光谱信息，及状态信息与数据库，并实时处理结果，校正后的光谱数据，及其对应的光谱数据。

本发明还提供一种基于车载系统的作物生长监测装置的田间作物生长信息快速无损检测方法，采用如下步骤：

步骤1），将上行光传感器连接于固定支架上表面；下行光传感器连接于固定支架下表面；固定支架通过紧固螺丝固定在传感器支架上；安装另一组传感器于中轴线的另一边，设置下行光作物生长传感器与水平位置成90°，距离作物冠层高度0.7m～1.2m。

步骤2），系统初始化，首先系统上电，打开作物生长信息采集系统，打开串口等到GPS接收机初始化完成，当机车运行至目标田块边缘时，启动机车，存储矢量数据设置该机车启动点为基准点，随后使得机车按单一时向（顺/逆时针）绕目标田块运行一周，当行驶至基准点附近时停止存储矢量数据，生成监测小区，系统将自动生成监测小区；

步骤3），数据采集，机车进入监测小区，在打开步骤2）生成的监测小区区域内，系统将进入采集点状态，并实时更新显示采集点的位置，在监测小区区域内，机车在小区内沿间隔4m～6m的S型路线进行采集，监测小区区域运行结束时；

步骤4），数据分析，对采集到的数据进行插值分析，形成空间分布图，分析选项有反射率：包含715nm至735nm反射率、820nm至840nm反射率两个选项；植被指数：包含归一化植被指数（N差值植被指数（NDVI））、差值植被指数（DVI）、比值植被指数（RVI）三个指数；农学指标：包含叶片含氮量、叶面积指数、叶干重、叶片氮积累量；农学指标分析前完成对分析选项卡进行设置，设置作物、品种及相应的生育期，以确保系统反演的准确性。

上面所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的构思和区域进行限定，在不脱离本发明设计构思前提下，本领域中普通工程技术人员对本发明的技术方案作出的各种变型和改进，均应落入本发明的保护区域，本发明请求保护的技术内容已经全部记载在权利要求书中。

Claims (4)

1.一种基于车载系统的作物生长监测装置，其特征在于：包括多光谱作物生长传感器及光谱数据采集器、GPS基准站、GPS接收机、车载系统速度传感器、加速度传感器、重力传感器、电子罗盘、车载系统状态采集器、屏蔽电缆线、车载终端和传感器支架、电源电路，其中：

所述多光谱作物生长传感器固定在传感器支架上，多光谱作物生长传感器通过屏蔽电缆线与光谱数据采集器连接；光谱数据采集器通过CAN总线与车载终端连接；

所述GPS基准站固定在目标田块附近；GPS接收机固定在驾驶室内部，GPS接收机的天线安装在驾驶室顶部，GPS接收机通过串口与车载终端连接；

所述车载系统速度传感器、加速度传感器、重力传感器和电子罗盘镶嵌在车载系统状态采集器内部，车载系统状态采集器固定在驾驶室内，通过CAN总线与车载终端连接，实时发送车载系统状态数据；

所述电源电路与车载电瓶相连并为整个系统供电。

2.根据权利要求1所述的一种基于车载系统的作物生长监测装置，其特征在于:所述多光谱作物传感器包括上行光传感器、下行光传感器、三芯屏蔽线、固定支架，上行光传感器连接于固定支架上表面；下行光传感器连接于固定支架下表面。

3.根据权利要求2所述的一种基于车载系统的作物生长监测装置，其特征在于：所述多光谱传感器检测波段为715nm至735nm、820nm至840nm。

4.根据权利要求1-3任一所述的基于车载系统的作物生长监测装置的田间作物生长信息快速无损检测方法，其特征在于采用如下步骤：

步骤1），将上行光传感器连接于固定支架上表面；下行光传感器连接于固定支架下表面；固定支架通过紧固螺丝固定在传感器支架上；安装另一组传感器于中轴线的另一边，设置下行光作物生长传感器与水平位置成90°，距离作物冠层高度0.7m～1.2m。

步骤2），系统初始化，首先系统上电，打开作物生长信息采集系统，打开串口等到GPS接收机初始化完成，当机车运行至目标田块边缘时，启动机车，存储矢量数据设置该机车启动点为基准点，随后使得机车按单一时向（顺/逆时针）绕目标田块运行一周，当行驶至基准点附近时停止存储矢量数据，生成监测小区，系统将自动生成监测小区；

步骤3），数据采集，机车进入监测小区，在打开步骤2）生成的监测小区区域内，系统将进入采集点状态，并实时更新显示采集点的位置，在监测小区区域内，机车在小区内沿间隔4m～6m的S型路线进行采集，监测小区区域运行结束时；

步骤4），数据分析，对采集到的数据进行插值分析，形成空间分布图，分析选项有反射率：包含715nm至735nm反射率、820nm至840nm反射率两个选项；植被指数：包含归一化植被指数（N差值植被指数（NDVI））、差值植被指数（DVI）、比值植被指数（RVI）三个指数；农学指标：包含叶片含氮量、叶面积指数、叶干重、叶片氮积累量；农学指标分析前完成对分析选项卡进行设置，设置作物、品种及相应的生育期，以确保系统反演的准确性。

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