CN105246319A - 用于检测土壤特性的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

一种土壤检测和种植装置。该装置包括车辆和耦合到该车辆的控制器。该装置还包括耦合到所述车辆的种植设备，该种植设备被配置为将种子或植物种植到土壤材料中。该装置包括耦合到该车辆的地面穿透雷达传感器。地面穿透雷达土壤传感器被配置为扫描土壤材料达到土壤材料表面之下的指定深度，其中所述地面穿透雷达土壤传感器被进一步配置为向控制器提供有关土壤材料的固有特性的传感器反馈信号。该控制器被配置为基于所述反馈信号来指示将种子或植物置入土壤材料中。

Description

用于检测土壤特性的系统和方法
背景技术
在将种子种植在具有最优土壤特性的土壤中、为种子提供最优数量的水分和养分并提供其它条件时，农业种植操作就有效地操作。土壤特性(例如土壤成分、土壤密度、养分存在性、腐殖质存在性等)在不同地方是各不相同的，无论是在全球范围(例如，从一个地理区域到另一个地理区域)还是在本地范围(例如，从同一土地面积的一处到另一处)内都是如此。此外，来自自然源或人造灌溉系统的土壤水分存在也因地而异。
一般而言，单一的农业种植操作涉及在许多英亩的土地上根据设定模式种植特定类型的种子(例如，以行来种植玉米地)。在用于农业种植操作的土地面积上，土壤特性经常会有不同。尽管土壤特征不同，但在用于种植操作的整块土地面积上，一般都是以相同的方式种植种子。此外，许多农业种植操作利用人造输送系统供应水分、养料、肥料和/或其它化学物质以及土壤添加剂。输送系统被埋入土壤中或置于土壤表面上。当农业装备翻动土壤以播种、收获作物以及耕作土壤材料时，输送系统就处于被破坏或摧毁的风险。
发明内容
一个示例性实施例涉及一种土壤检测和种植装置。该装置包括车辆和耦合到该车辆的控制器。该装置还包括耦合到所述车辆的种植设备，该种植设备被配置为将种子或植物种植到土壤材料中。该装置包括耦合到该车辆的地面穿透雷达传感器。地面穿透雷达土壤传感器被配置为扫描土壤材料达到土壤材料表面之下的指定深度，其中所述地面穿透雷达土壤传感器被进一步配置为向控制器提供有关土壤材料的固有特性的传感器反馈信号。该控制器被配置为基于所述反馈信号来指示将种子或植物置入土壤材料中。
另一示范性实施例涉及一种土壤检测装置。该装置包括耦合到接地驱动车辆的外壳。该装置还包括耦合到所述外壳上的控制器。该装置包括耦合到外壳的地面穿透雷达土壤传感器。地面穿透雷达土壤传感器被配置为扫描土壤材料达到土壤材料表面之下的指定深度，其中所述地面穿透雷达土壤传感器被进一步配置为向控制器提供有关土壤材料的固有特性的传感器反馈信号。该装置还包括耦合到所述外壳上的位置传感器。位置传感器被配置成向控制器提供位置反馈信号。所述控制器被配置为基于传感器反馈信号和位置反馈信号创建土壤材料的地图。
另一示例性实施例涉及一种基于空气的土壤检测装置。该装置包括航空器和耦合到所述航空器的控制器。该装置还包括耦合到所述航空器的土壤传感器。所述土壤传感器配置为扫描土壤材料达到所述土壤材料的表面之下的指定深度，以探测(locate)灌溉系统的包含在所述土壤材料之内的或在所述土壤材料的表面上的至少一部分，其中所述土壤传感器被进一步配置为向所述控制器提供与所述灌溉系统的检测到的所述部分有关的传感器反馈信号。该装置包括耦合到所述航空器的位置传感器。所述位置传感器被配置为向所述控制器提供位置反馈信号。所述控制器被配置为基于传感器反馈信号和位置反馈信号创建包括了所述灌溉系统的所述部分的位置的土壤材料的地图。
另一示例性实施例涉及一种操作包括控制器的车辆的方法。该车辆被配置为映射土壤特性和种植种子或植物。该方法包括通过耦合到该车辆的地面穿透雷达单元测定土壤材料的固有土壤特性，其中所述地面穿透雷达单元被配置为扫描土壤材料达到土壤材料表面之下的指定深度，并且其中所述地面穿透雷达单元被进一步配置为向控制器提供有关固有土壤特性的传感器反馈信号。该方法还包括，响应于所述固有土壤特性，指示耦合到所述车辆的种植机构种植种子或植物。
另一示例性实施例涉及使用具有控制器的车辆映射土壤特性的方法。该方法包括通过所述车辆的用户输入接收运行参数。该方法还包括通过车辆路径导航车辆。该方法还包括通过耦合到所述车辆的地面穿透雷达单元检测土壤材料的固有土壤特性，其中所述地面穿透雷达单元被配置为扫描土壤材料达到土壤材料表面之下的指定深度，且其中所述地面穿透雷达单元被进一步配置为向所述车辆的控制器提供传感器反馈信号。该方法包括通过耦合到所述车辆的位置传感器跟踪所述车辆的位置。该方法进一步包括创建所述车辆经过的土地区域的地图，其中所述地图包括检测到的固有土壤特性，其中所述地图被配置为以后更新为包括种植的植物或种植的种子的位置。
前面的概述只是说明性的，并无意于以任何方式进行限制。除了以上描述的说明性的方面、实施例和特征外，通过参考附图和下面的详细说明，进一步的方面、实施例和特征也将变得显而易见。
附图说明
图1是种植在土壤中的玉米的示例性的图。
图2A是根据示例性实施例的土壤检测和种植系统。
图2B是土壤检测和种植系统的控制器的框图。
图3是根据示例性实施例的映射土壤特性和种植种子的方法的流程图。
图4A是根据示例性实施例的独立的土壤检测和映射系统。
图4B是独立的土壤检测和映射系统的控制器的框图。
图4C是根据示例性实施例的映射土壤特性的方法的流程图。
图5A是根据示例性实施例的独立的种植系统。
图5B是独立的种植系统的控制器的框图。
图5C是根据示例性实施例的种植种子的方法的流程图。
图6A是根据示例性实施例的固定土壤特性检测系统。
图6B是固定土壤特性检测系统的系统示意图。
图7是根据示例性实施例的空中土壤特性检测系统。
具体实施方式
在下面的详细说明中，参考了附图，这些附图形成了说明书的一部分。在附图中，除非上下文另有指示，否则类似的符号通常标识相似的部件。在详细说明、附图和权利要求中描述的说明性实施例并不意味着是限制性的。可以使用其它实施例，可以进行其它改变，而不偏离在这里提出的主题的精神或范围。
参考图1，其示出了农业种植操作的横截面。玉米101被种植在土壤102中。农业生长操作利用输送管103。输送管103为土壤102提供水、杀虫剂、营养物和/或其它化学品。输送管103位于土壤102的表面之下的不同距离处，或位于土壤102的表面上。此外，在不同的位置，土壤102的组成和特性不同。例如，土壤102可以含有不同数量的岩石104、土壤水分105、养分、杀虫剂、腐殖质和其它元素或物体。最优的种子放置是随着沿土壤102的表面的位置而变化的。例如，农民不希望在地下岩石的中间种植种子，但希望在某一深度种植种子，以使得植物的根系将达到在土壤102中所含的地下水或在输送管103的渗滤距离内。此外，理想的是，种植种子以使得农业机械(例如，播种机、耕作机、联合收割机等)将不会损害放置的输送管103。
参考图2，其示出了根据示范性实施例的土壤特性映射和种植系统200。系统200包括地面驱动车辆201和种植设备202。虽然系统200示出种植设备202是通过车辆201拖曳的，但种植设备202可以被集成到车辆201中。车辆201包括GPS接收器203和被示为地面穿透雷达单元204的地面或土壤传感器。GPS接收器203接收来自GPS卫星205的信号，并且被配置为提供用于跟踪车辆201的位置的反馈信号。雷达单元204利用地面穿透雷达来确定土壤206的固有特性和非固有特性。示例性固有土壤特性可包括土壤材料的组合物、土壤的水特性(例如，多少水被包含在土壤中以及水位于多深的位置处)、在土壤材料中的腐殖质的存在、土壤材料的密度、土壤材料的孔隙率和土壤206可具有的其它任何固有特性。示例性非固有土壤特性可以包括土壤206的存在、土壤206的深度、埋在土壤206中的物体(例如，岩石、木材、矿床、管道等)以及土壤206的其它任何非固有特性。种植设备202包括播种机207。播种机207被配置为在土壤206中挖洞或沟，在洞或沟中放置种子，并用已移动的土壤材料覆盖种子。播种机207是深度可调整的，使得种子可以埋在土壤206内的不同深度处。播种机207是可控制的，使得种子可以以不同密度放置(例如，在单位种植面积上放置指定数目的种子、按粒种植等)。系统200通常被配置为通过雷达单元204检测土壤特性并基于所检测到的土壤特性调整种植设备202。此外，系统200被配置为通过将来自GPS接收器203的位置数据与来自雷达单元204的土壤特征数据配对来产生土壤206的地图。由系统200创建的地图是耦合到位置信息的聚集的数据点，其在处理时可以被再现为地图的可视化表示(例如，用于由操作者通过显示器观看)或由系统控制器进行进一步处理的成组的数据和位置点(例如，以正确指示植物或种子的放置)。所收集的地图数据点可以以R-树数据结构、阵列数据结构或其它合适的数据结构存储。地图可以是三维地图。系统200的操作细节在下文有说明。
在一个实施例中，雷达单元204是非插入式土壤穿透雷达单元。可替代地，雷达单元包括插入到土壤206的天线。雷达单元204将电磁无线电波发射到土壤206。当波通过土壤206行进时，波的一部分被以不同的强度反射回来，具体取决于土壤206的组成和在土壤206中的物体的存在和深度。雷达单元204能够基于反射的无线电波签名(即，非固有特性)检测岩石208、土壤水分209、埋藏的输送管和/或排水管210以及土壤206内的任何其它物体的存在和深度。由雷达单元204发送的无线电波是高频波。例如，无线电波可具有介于300MHz和3000MHz之间或超过3000MHz的频率。高频无线电波的使用使得雷达单元204能以高分辨率扫描土壤206，以使得它能够检测土壤特性(例如，土壤组分和土壤密度)、土壤水分209的存在、土壤水分209的深度、土壤水分209的数量、在土壤206中存在的矿物类型的存在和类型、在土壤206中的腐殖质的存在和数量以及其它土壤特性(例如，固有特性)。利用探地雷达探测土壤特性的更详细的解释可以在Sucre等人的《TheUseofGround-PenetratingRadartoAccuratelyEstimateSoilDepthinRockyForestSoils》、Thomas等人的《SoilElectromagneticMappingforEnhancedGPRUtilityLocation》和Lunt等人的《Soilmoisturecontentestimationusingground-penetratingradarreflectiondata》中找到，在此通过引用将其每一个全文并入。雷达单元204可以传输用于创建土壤206的俯视的(plan-view)地下全息图的未调制的连续波信号。在一个替代的配置中，反射地震学被用于发射声波通过土壤206，并且分析反射的声波，以确定土壤206的组分和物体在土壤206内的位置。雷达单元204向控制器220提供包括与检测到的土壤特性相关的数据的反馈信号(如图2B所示)，其中数据被处理为土壤206的三维地图。
参考图2B，其示出了控制器220的框图。控制器220包括处理电路221。处理电路221包括处理器222和存储器223。处理电路221与GPS接收器203、雷达单元204、种植设备202、用户输入224、用户输出225和网络接口226通讯。控制器220由电源227供电。存储器223存储必要的编程模块，当由处理器222执行时，编程模块基于通过用户输入224、GPS接收器203和雷达单元204接收的设置、参数和反馈信号控制种植设备202的操作和土壤206的三维地图的创建。用户输入224被配置成为用户提供接口以对系统200输入所希望的工作参数(例如，被放置的植物种子的类型、用于种植的期望的土壤特性、种植密度等)。用户输入224包括一系列旋钮、轮、多位置开关、键盘、鼠标或其任意组合。用户输出225包括显示器。用户输出225可选地包括音频输出(例如，用于发射蜂鸣声和铃声)和/或指示灯(例如，用于指示系统200的状态和警报的LED)。可以设想将用户输入224和用户输出225组合成触摸屏显示器，使得系统200的用户可以通过与在显示器上呈现的图形用户界面交互来编程所需的设置和参数。网络接口226被配置为与外部服务器或外部计算设备进行通信。网络接口包括以太网接口和无线收发器(例如，蓝牙、802.11等)中的至少一个。电源227为控制器220提供功率。电源227可以为系统200的所有组成部分(例如，GPS接收器203、雷达单元204等)提供功率。电源227可以从任何合适的源接收电力(例如，可再充电电池、非可再充电电池、发电机车载车辆201、使为车辆201提供动力的发动机运行的电子交流发电机等)。
控制器220被配置为根据所提供的运行参数来处理来自GPS接收器203和雷达单元204的反馈信号。当车辆201沿土壤206移动时，并且控制器220接收指示检测到的土壤特性的来自雷达单元204的反馈信号和指示车辆201的位置的来自GPS接收器203的反馈信号。控制器220将这些反馈信号处理成土壤206的详细三维地图。三维地图包括与土壤206的组成(例如，化学成分、水分含量、密度、腐殖质存在等)和物体(例如，埋藏的岩石和管道等)的存在有关的位置的特定信息以及在土壤206的表面之下的达到指定深度的其它与土壤206有关的信息。三维地图的深度参数(例如，在表面之下一英尺、在表面之下两英尺等)可以是用户提供的参数。控制器220被配置为分析来自雷达单元204的反馈信号，以定位和识别在土壤206的表面下方的物体(例如，岩石、土壤水分、输送管道等)。检测到的物体是通过它们的雷达特征识别的。例如，从土壤水分反射回的雷达波将与从岩石反射回的雷达波有不同的特征。控制器220自动确定在土壤206的表面之下的物体的标识。可替代地，物体被人工识别和通过用户输入在地图上更新。例如，不能被自动识别的物体在地图上标记为未知。然后，用户人工识别不明物体(例如，通过采取土壤样本、通过从土壤中挖掘物体等)。如果用户移除了未知物体(例如，从土壤206的表面之下移除了大岩石)，用户可以指示该物体已被移除，并且它应当从地图上去除。如果物体保持在土壤206中(例如，该物体是土壤组合物的变异物)，则用户可以在地图上标识出物体并存储该物体的标识。可替代地，用户可以选择使物体保持为未识别。
当车辆201沿土壤206移动时，控制器220指示种植设备202将种子植入土壤206中。种植设备202能够在不同深度以不同密度种植种子。基于用户提供的参数和检测到的土壤条件，控制器220指示种植设备202在特定位置和特定深度放置种子。例如，控制器220可以指示播种机207以使得种子被放置在所希望的地方(例如，营养丰富的地方、有土壤水分的地方、在地下灌溉系统的水渗滤距离内的地方、放置了地下材料以保水的地方等)，不被放置在不希望的地方(例如，具有高密度岩石的地方、具有很少或根本没有土壤水分的地方、在地下灌溉系统的水渗透距离之外的地方、土壤深度不足的地方等)。播种机207被进一步调整，以使得特定的物体不被损坏(例如，使得播种机不会接触到和损伤管道210)。在由种植设备202成功放置种子时，控制器更新土壤206的地图，以指示放置了种子(例如，将用放置了种子的标记来标注地图)。所创建的地图可通过网络接口226输出到外部计算设备，存储在存储器223中，或存储在可移动存储介质(例如，SD存储卡、MicroSD存储卡、USB闪存等)中。然后，在土壤206已经被绘图之后和/或在种子已种植之后，用户可以参考所创建的地图。
参考图3，根据一个示例性实施例示出了操作被配置为种植种子和基于所检测的土壤特性创建种植区域的地图的系统(例如，系统200)的方法。该系统包括配置为映射土壤特性和种植种子的车辆。用户将运行参数编程到系统中(步骤301)。运行参数包括种植参数。种植参数包括被放置的任何类型的植物种子、所需的种子放置特性(例如，在表面之下的深度、与供水的接近度、土壤成分)、指定的以避免或针对的土壤属性(例如，要避免的检测物质的阈值水平、要种植的检测物质的阈值水平等)、种子放置密度、未来的处理策略(例如，施肥策略、浇水策略、目标收获日期等)以及任何其它期望的种植参数。例如，用户可以指示不将种子置于含有阈值百分比的岩石的土壤中，但将种子放置在含有阈值水平的土壤水分的土壤中。此外，用户可以指示将种子放置在指定的检测位置(例如，在灌溉系统的渗透距离内、放置地下材料以保水的位置等)并且不放置在指定的检测位置(例如，在埋入的管道的顶部)。用户可以进一步为系统提供以前创建的、要种植的区域的地图。地图包括耦合到位置信息的数据点的集合，其在被处理时可被再现为地图的可视化表示(例如，用于由操作者通过显示器观看)或由系统控制器使用的成组的数据和位置点(例如，以确定适当的种子放置)。所收集的地图数据点可以以R-树数据结构、阵列数据结构或其它合适的数据结构存储。地图可以是三维地图。所提供的地图包括与要种植的区域的布局有关的信息和其它信息(例如，地下液体输送系统的位置、埋入岩石的位置、以前的种子位置的位置以及与土壤组成等有关的信息)。用户通过用户输入向系统提供种植参数。用户输入包括一系列的旋钮、轮、多位置开关、键盘、鼠标、触摸屏显示器或其任意组合。用户可以在外部计算设备(例如，计算机、智能电话、个人数字助理、平板电脑等)上编程种植参数并将种植参数上传到车辆的控制器。上传可以经由在车辆控制器和外部计算设备之间的点对点网络连接，通过提供可移动存储介质(例如SD卡和USB闪存驱动器等)发生，或通过从主服务器下载参数而发生。
在一些情况下，车辆可以是至少部分地自动的并能够基于来自车载GPS传感器的位置反馈和对车辆的油门和转向机构的计算机控制来导航预定种植模式。在这样的配置中，用户提供的参数包括在指定土地区域上的详细种植模式，诸如预定车辆路径。用户通过在屏幕上经由用户输入来输入呈现要种植的土地区域的车辆路径覆盖(overlay)而提供种植模式。可替代地，用户可以从一组预定义的车辆路径模板中选择模板车辆路径(例如，对应于形成矩形的行的模板、对应于形成正方形的行的模板、对应于形成三角形的行的模板等)。一旦选择了车辆路径模板，系统就分析选择，分析要种植的土地，并根据模板和具体的土地参数(例如土地的大小、任何树木的存在和任何湖泊的存在等)处理建议的车辆路径。建议的路径使用所指定的模式，使得在将要种植的土地上要被种植的植物的数目最大化。将建议的车辆路径呈现给用户验证。然后，用户能够接受、拒绝或改变建议的车辆路径(例如，改变建议的车辆路径的一部分)。如果用户接受或修改建议的车辆的路径，那么，系统通过用GPS接收器跟踪车辆的位置并进行方向盘与油门调整以使车辆保持在车辆路径上而开始车辆的自主操作。
进一步参考图3，然后，用户通过种植模式导航车辆(步骤302)。将车辆路径显示给用户，使得用户能够手动操作车辆来按照路径前行。可替换地，如果车辆至少部分是自动的，那么，用户指示车辆开始种植和映射处理。当车辆遵循种植模式时，车辆被配置成检测土壤特性并在地图上将检测到的土壤特性绘制出来(步骤303)。车辆包括土壤穿透雷达单元(例如，插入雷达单元或非插入雷达单元)。雷达单元检测土壤中的或土壤表面上的岩石、土壤水分、埋藏材料(例如，帮助将水分保持在土壤中的埋藏的材料)、输送管道和/或排水管道、以及任何其它物体(即非固有土壤特性)的存在和深度。雷达单元将具有高频波的无线电波(例如，在300MHz和3000MHz之间的频率和超过3000MHz的频率等)发射到土壤中。雷达单元利用反射波数据来创建一系列的土壤的高分辨率扫描(例如，深度片、时间片、三维图像块等)，并检测土壤特性中的变化(例如土壤成分和土壤密度)、土壤水分的存在、土壤水分的深度、土壤水分的数量、在土壤中存在的矿物质的存在和类型、在土壤中的腐殖质的存在和量、以及其它土壤特性(例如，固有土壤特性)。在一个替代配置中，雷达单元发送用于创建土壤的俯视地下全息图的未调制连续波信号。在另一替代配置中，可使用反射地震学传送声波通过土壤，分析反射的声波以确定土壤的组合物和物体在土壤内的位置。雷达单元向车辆的控制器提供包括与捕获的雷达扫描相关的数据的反馈信号。当雷达单元扫描土壤时，车辆的GPS接收器跟踪该车辆的位置，并给控制器提供表示车辆位置的反馈信号。控制器将雷达扫描信息与来自GPS接收器的信息结合来创建车辆经过区域的地图。由系统创建的地图是与位置信息耦合的数据点的集合，其在被处理时可被再现为地图的可视化表示(例如，用于由操作者通过显示器观看)或由系统控制器使用的成组的数据和位置点(例如，以适当地确定植物或种子的布局)。所收集的地图数据点可以以R-树数据结构、阵列数据结构或其它合适的数据结构存储。地图可以是三维地图。地图具有高分辨率，使得观看者或者车辆可以一株一株地确定土壤特性(例如，在每一植物或种子放置处绘制土壤特性)，或基于亚株距确定土壤特性(即，即使在不种植任何植物或种子的地方也绘制土壤特性)。
当车辆沿着车辆路径导航时，车辆根据编程参数种植种子(步骤304)。车辆的控制器向车辆的种植机构发送指令。控制器指示种植机构在指定的地点基于单个种子来(例如，一粒粒地)放置种子。指定地点是基于从雷达单元接收的反馈和用户提供的种植参数中的至少一个来确定。用户可以指示种子沿指定的种植模式放置，而不管检测到的土壤特性如何。可替代地，用户指示，只有在检测到满意的土壤特性时才沿指定的种植模式放置种子。例如，用户可指示控制器指令将种子放置在含有阈值水平的营养物质的土壤内、含有阈值水平的土壤水分的土壤内、在灌溉系统的渗滤距离内的土壤内、在包括为了保留水而放置的地下材料的位置处的土壤内等。在另一个替代实施例中，用户指示，除非检测到不能令人满意的土壤特性，否则将种子沿着指定的种植模式放置。例如，用户可能不希望将种子放置在含有阈值量的岩石的土壤内、不希望将种子放置在位于灌溉系统的渗滤距离之外的土壤内、不希望将种子放置在缺乏合适水平的矿物质或腐殖质的土壤内等。控制器还指示种植机构根据指定的深度放置种子。深度是由用户作为所提供的参数(在步骤301中提供的)的一部分设置的。可替换地，控制器可以根据正在播种的种子类型和/或土壤的检测到的特性自动地调整深度。深度可以调整，以避免意外导致损坏农场土地上的设备、以避免在不期望的区域放置种子、或者以在期望区域内对准一定深度来种植种子(例如，以避免岩石组、以避开灌溉管道、以对准土壤水分的区域等)。将每粒种子的放置都单独绘制在地图上，或将成组的种子在地图上标记为以种植模式种植(例如，控制器在地图上放置与一行玉米种子的位置有关的指示)。
在完成了种子的放置之后，用户指示车辆的控制器种植模式结束(步骤305)。可替换地，如果车辆至少部分是自动的，则车辆指示用户该模式结束。然后，用户被提醒在土壤内有检测到的任何不明物体的存在(步骤306)。车辆的控制器被配置为基于物体的雷达特征分析和确定在土壤的表面之下的物体。在某些情况下，控制器可能不能确定物体的标识。相应地，控制器通过车辆的用户输出机制(例如，显示器)提醒用户有不明物体的存在。然后，用户可以输入物体的标识，使得物体通过车辆的用户输入机构被标记并标注在地图上(步骤307)。可替换地，用户可以忽略该警告，该物体将作为不明物体保持在地图上或删除该不明物体(例如，如果用户定位到该物体并从土壤中移除该物体)。如果没有检测到不明物体，则步骤307将被跳过。
在识别或移除了任何不明物体之后，地图可以保存和输出(步骤308)。指示检测到的土壤特性和植物种子放置的所创建的地图被存储在与系统的控制器相关联的存储器中。所创建的地图可经由网络接口输出到外部计算装置，或存储在可移动存储介质(例如，SD存储卡、MicroSD存储卡、USB闪存等)中。然后，用户可以在外部计算设备上访问地图。例如，地图对于用于预测未来的收获量、用于识别需要额外的灌溉或施肥的土壤区域、用于识别需要整修的含有异常量的非希望特征的土壤的区域(例如，需要去除岩石)、以及用于在将来的种植季节中使用都可能是有益的。
参考图4A，示出了根据示范性实施例的独立的映射系统400。系统400包括车辆401(作为载货卡车示出)和映射单元402。映射单元402是车辆401的附件(例如，构造为配合到载货卡车的车箱内、由另一车辆拖拽等)。虽然映射单元402被示出是车辆401的附件，但是应该理解的是，映射单元402可以被完全集成到车辆中。映射单元402包括GPS接收器403和作为耦合到映射单元402的外壳的地面穿透雷达单元404示出的土壤传感器。GPS接收器403从GPS卫星接收信号405，并且被配置为提供用于跟踪车辆映射单元402的位置的反馈信号。在可替换的实施例中，可以采用其它的位置传感器来代替GPS，或与GPS结合采用其它的位置传感器。例如，映射单元402可包括惯性导航设备，惯性导航设备相对于田地参考点初始化并可在映射/种植期间更新。在另一个实施例中，映射单元402可以与例如是RF或设置在正被穿过的田地附近的光学导航发射站之类的本地计量系统交互。雷达单元404利用地面穿透雷达来确定土壤406的固有特性和非固有特性。雷达单元404类似于系统200的雷达单元204。相应地，雷达单元404是非插入式土壤穿透雷达单元或插入式雷达单元，并将雷达波发射到土壤406。当波通过土壤406行进时，波的一部分被以不同的强度反射回来，具体取决于土壤406的组分和在土壤406中的物体的存在和深度。雷达单元404能够检测物体的存在和深度以及土壤406的特性。由雷达单元404发送的无线电波是高频波(例如，具有介于300MHz和3000MHz的频率的无线电波或具有超过3000MHz的频率的无线电波等等)。雷达单元404可以传输用于创建土壤406的俯视地下全息图的未调制连续波信号。在另一个替代的配置中，反射地震学被用于发射声波通过土壤406，分析反射的声波，以确定土壤406的组分和在土壤406内的物体的位置。雷达单元403向控制器410提供包括与检测到的土壤特性相关的数据的反馈信号(如图4B所示)。映射单元402通常被配置为通过雷达单元404来检测土壤406的特性，并通过将来自GPS接收器403的位置数据与来自雷达单元404的土壤特性数据配对来生成土壤406的地图。由系统400创建的地图是与位置信息耦合的数据点的集合，其在处理时可被再现为地图的可视化表示(例如，用于由操作者通过显示器观看)或由另一系统使用的成组的数据和位置点(例如，以确定适当的植物或种子放置)。所收集的地图数据点可以以R-树数据结构、阵列数据结构或其它合适的数据结构存储。地图可以是三维地图。
参考图4B，其示出了根据示例性实施例的控制器410的框图。控制器410控制映射单元402的操作。控制器410包括处理电路411。处理电路411包括处理器412和存储器413。处理电路411与GPS接收器403、雷达单元404、用户输入414、用户输出415和网络接口416通信。控制器410由电源417供电。存储器413存储必要的编程模块，当其由处理器412执行时，其控制映射单元402的操作并基于通过用户输入414、GPS接收器403和雷达单元404接收的设置、参数和反馈信号创建土壤406的三维地图。用户输入414被配置成，为用户提供界面以对系统400输入所希望的映射参数(例如，要映射的区域大小、要映射的土壤类型、雷达单元404的灵敏度水平等)。用户输入414包括一系列旋钮、轮、多位置开关、键盘、鼠标或其任意组合。用户输出415包括显示器。用户输出415可选地包括音频输出(例如，用于发射蜂鸣声和铃声)和指示灯(例如，用于指示系统400的状态和警报的LED)。可以设想将用户输入414和用户输出415组合成显示交互式图形用户界面的触摸屏显示器，使得系统400的用户可以通过与显示器交互来编程所需的设置和参数。网络接口416被配置为与外部服务器或外部计算设备进行通信。网络接口包括以太网接口和无线收发器(例如，蓝牙、802.11等)中的至少一个。远离控制器410的外部计算装置可以提供用于使用户为系统400输入所需的映射参数和控制系统400的界面(例如，位于车辆401的乘客厢中的便携式计算设备)。在这种布置中，外部计算设备通过网络接口416向控制器410传送用户提供的输入，并接收由网络界面416传输的系统400输出。电源417可以从任何合适的源(例如，可再充电电池、非可再充电电池、发电机车载车辆401、使为车辆401提供功率的发动机运行的电子交流发电机等)接收功率。电源417可以为包括GPS接收器403、雷达单元404、用户输入414和用户输出415的映射单元402的所有组件提供操作功率。
如在系统200中一样，系统400的控制器410被配置为将来自GPS接收器403和雷达单元404的反馈信号处理为土壤406的详细地图。当车辆401沿土壤406移动时，控制器410接收指示土壤406的特性的来自雷达单元404的反馈信号和指示车辆401的位置的来自GPS接收器403的反馈信号。控制器410被配置为将这些反馈信号处理为土壤406的详细的三维地图。三维地图包括与土壤406的组分(例如，化学成分、水分含量、密度、腐殖质存在等)、物体的存在(例如，埋藏的岩石和管道等)有关的位置的特定信息以及在土壤406的表面之下的达到指定深度的其它与土壤406有关的信息。三维地图的深度参数(例如，在表面之下一英尺、在表面之下两英尺等)可以是用户提供的参数。控制器410被配置为分析来自雷达单元404的反馈信号，以定位和识别在土壤406的表面下方的物体(例如，岩石、土壤水分、输送管道等)。检测到的物体是通过雷达特征识别的。控制器410被配置为自动确定在土壤406的表面下方的物体的标识(identity)。可替代地，物体被人工识别并通过用户交互在地图上更新。例如，控制器410可能不能确定所检测的物体或特征的标识。相应地，用户可以被警示不明物体的位置，使得用户可以人工识别物体，从地图上清除物体，或将物体作为不明物体留在地图上。所创建的地图可通过网络接口416输出到外部计算装置或存储在可移动存储介质(例如，SD存储卡、MicroSD存储卡、USB闪存等)中。然后，用户可以参考创建的地图，在未来的土壤处理操作(例如，种植、收获、翻耕、物体提取等)中寻求帮助。
参考图4C，示出了操作独立的土壤映射系统(例如，系统400)的方法420。用户将运行参数编程到系统中(步骤421)。运行参数可包括所期望的地图深度(例如，在土壤的表面之下的指定数目的英尺或米)和地图分辨率指示。在某些情况下，创建高分辨率地图(例如，为每英寸的横向或垂直行程指示检测到的物体和土壤特性差异的地图)是理想的。例如，如果地图是在需要检测到的固有土壤特性和非固有土壤特性的精确位置信息的精确种植操作中使用，那么，高分辨率地图是可取的。如果高分辨率是期望的，那么，系统的雷达单元在映射过程中采用高频无线电波(例如，超过1000MHz)。在其它情况下，可能期望创建低分辨率地图(例如，表示在土壤表面之下的大物体的存在和位置而不是诸如土壤组分的其它土壤特性的地图)。例如，如果只需要地图来确定位于土壤表面下的大物体，那么，低分辨率地图可能是期望的。如果低分辨率是期望的，那么，在映射过程中，该系统的雷达单元应用低频无线电波(例如，少于1000MHz)。在一些配置中，车辆是至少部分自动的并能够基于来自车载GPS传感器的位置反馈和车辆的油门及转向机构的计算控制来导航预定义的映射模式。运行参数可包括在指定的土地区域上方的详细的映射模式，诸如预定义的车辆路径。用户可通过在屏幕上绘制代表要映射的土地面积的车辆路径覆盖来提供映射模式。可替代地，用户可以从地图服务(例如MapQuest和谷歌地图等)中选择土地块，系统的控制器自动计算建议的车辆路径，以进行土地块的完整的映射。将建议的车辆路径呈现给用户进行验证。然后，用户可以接受、拒绝或修改所建议的车辆路径(例如，改变所建议的车辆路径的一部分)。如果用户接受或修改了所建议的车辆路径，系统就准备好通过由GPS接收器跟踪该车辆的位置并进行方向盘与油门调整以使车辆保持在车辆路径上来开始车辆的自发操作。
用户开始在要映射的土地区域上导航车辆(例如，通过遵循所建议的车辆路径)(步骤422)。可替代地，如果车辆是至少部分自动的，则用户就指令车辆开始映射过程。当车辆遵循映射模式时，述车辆被配置为检测土壤特性和在地图上将检测的土壤特性绘制成图(步骤423)。车辆包括土壤穿透雷达单元。该雷达单元是插入式雷达单元或非插入式雷达单元。雷达单元检测岩石的存在和深度、土壤水分、埋藏的递送管道和/或排水管道、以及在土壤中的任何其它物体。雷达装置将高频无线电波(例如，在300MHz和3000MHz之间的频率、超过3000MHz的频率等)发射到土壤中。雷达单元拍摄土壤的一系列高分辨率扫描(例如，深度片、时间片、三维图像块等)，并检测土壤特性(例如土壤组分和土壤密度)、土壤水分的存在、土壤水分的深度、土壤水分的数量、在土壤中存在的矿物的存在和类型、在土壤中的腐殖质的存在和类型、和其它土壤特性。在一个可替代的配置中，雷达单元发送用于创建土壤的俯视地下全息图的未调制连续波信号。在另一可替代的配置中，使用反射地震学以传送声波通过土壤，分析反射的声波，以确定土壤的组分和在土壤内的物体的位置。雷达单元向车辆的控制器提供包括与捕获的雷达扫描相关的数据的反馈信号。控制器将雷达扫描信息与来自GPS接收器的信息结合来创建车辆经过区域的空间地图。由系统创建的地图是与位置信息耦合的数据点的集合，其在处理时可被再现为地图的可视化表示(例如，用于由操作者通过显示器观看)或由系统控制器在进一步处理中使用的成组的数据和位置点(例如，系统的控制器可处理地图数据，以指示植物或种子放置)。所收集的地图数据点可以以R-树数据结构、阵列数据结构或其它合适的数据结构存储。地图可以是三维地图。
进一步参考图4C，用户指示车辆，要映射的土壤已经映射，并停止映射过程(步骤424)。可替代地，在是至少部分自动的车辆的情况下，车辆指示用户该模式完成。在完成后，用户被提醒在土壤内检测到的任何不明物体的存在(步骤425)。车辆的控制器被配置为基于物体的雷达特征来分析和确定在土壤的表面之下的物体。控制器可能不能确定每个检测到的物体的标识。相应地，控制器提醒车辆的用户有任何不明物体的存在。然后，用户可以输入物体的标识，使得物体被标记并标注在地图上(步骤426)。可替换地，用户可以忽略警报(即，物体仍然是作为不明物体留在地图上)，或从地图上删除不明物体。如果没有检测到不明物体，则步骤425被跳过。
在不明物体被识别、忽略或删除之后，地图被保存和输出(步骤427)。指示检测到的土壤特性的所创建的地图被存储在与系统的控制器相关联的存储器中。用户可能希望保存地图，以供以后查看和分析。例如，地图上可能有利于绘制未来的种植操作，有利于用于鉴定需要额外灌溉或施肥的土壤的区域，有利于用于识别需要修复的、含有异常量的不希望的特性(例如，需要去除的岩石)的土壤的区域。相应地，所创建的地图可通过网络接口输出到外部计算设备，或者可以存储在可移动存储介质(例如，SD存储卡、MicroSD存储卡、USB闪存等)中。
参考图5A，示出了根据示例性实施例的独立的精度种植车辆500。车辆500包括GPS接收器501和种植设备502。GPS接收器501从GPS卫星503接收信号，并被配置为提供用于跟踪车辆500的位置的反馈信号。种植设备502被配置为在土壤504中挖洞或沟，放置种子505，并用移动的土壤材料覆盖种子。种植设备502是深度可调整的，使得种子可以埋在土壤504内的不同深度处。种植设备502是可控制的，使得种子可以以不同密度放置(例如，在单位种植面积上放置指定数目的种子，一粒一粒种植等)。车辆500通常被配置为基于从GPS接收器501接收到的位置数据、提供的种植参数和从提供的土壤504的地图接收的土壤特性数据来精确地种植种子505。所提供的地图是耦合到位置信息的数据点的集合，其在处理时可以被再现为地图的可视化表示(例如，用于由操作者通过显示器观看)或进行进一步处理的成组的数据和位置点(例如，地图数据可被处理，以确定适当的种子放置)。所收集的地图数据点可以以R-树数据结构、阵列数据结构或其它合适的数据结构存储。地图可以是三维地图。
参考图5B，其示出了控制器510的框图。控制器510通常控制车辆500的操作。控制器510包括处理电路511。处理电路511包括处理器512和存储器513。处理电路511与GPS接收器501、种植设备502、用户输入514、用户输出515和网络接口516通信。控制器510由电源517供电。存储器513存储必要的编程模块，当由处理器512执行时，编程模块控制车辆500的操作，包括种植设备502的操作、接收用户输入、提供用户输出、通过网络接口516通信、以及更新任何所提供的地图数据。用户输入514被配置为提供用于用户为车辆500输入所希望的种植参数的接口(例如，被放置的植物种子的类型、用于种植的期望的土壤特性、种植密度、种植模式等)。用户输入514包括一系列旋钮、轮、多位置开关、键盘、鼠标或其任意组合。用户输出515包括显示器。用户输出515可选地包括音频输出(例如，用于发射蜂鸣声和铃声)和/或指示灯(例如，用于指示车辆500的状态和警报的LED)。可以设想将用户输入514和用户输出515组合成触摸屏显示器，使得车辆500的用户可以通过与在显示器上呈现的图形用户界面交互来编程所需的设置和参数。网络接口516被配置为与外部服务器或外部计算设备进行通信。网络接口516包括以太网接口和无线收发器(例如，蓝牙、802.11等)中的至少一个。电源517为控制器510提供功率。电源517可以为车辆500的所有组成部分(例如，GPS接收器501、种植设备502等)提供功率。电源517可以从任何合适的源接收功率(例如，可再充电电池、非可再充电电池、发电机车载车辆500、使为车辆500提供功率的发动机运行的电子交流发电机等)。
控制器510根据来自GPS接收器501的处理的反馈信号和提供的种植参数指示种植设备502在土壤504中放置种子。当车辆500沿土壤504移动时，控制器处理来自GPS接收器501的位置反馈信号，以跟踪车辆500的位置。控制器510将车辆500的位置与所提供的地图数据进行比较。地图数据涉及土壤504的三维地图，包括与土壤504的组分(例如，化学成分、水分含量、密度、腐殖质存在等)和物体(例如，埋藏的岩石和管道等)有关的位置的特定信息以及在土壤206的表面之下的达到某一深度的其它与土壤504有关的信息。地图数据可能已经通过使用土壤映射系统(例如，系统400)最初创建。地图是通过网络接口516从外部计算设备或服务器或从用户提供的可移动存储介质(例如，SD存储卡、MicroSD存储卡、USB闪存等)接收到存储器513中。当车辆500沿土壤504移动时，控制器510基于提供的种植参数和在地图数据中包含的土壤条件指示种植设备502在指定位置将种子505种植到土壤504中。例如，控制器510被配置为调整种植设备502，使得种子被放置在所希望的位置(例如，营养丰富的位置、具有土壤水分的位置、在地下灌溉系统的水渗滤距离内的位置、放置了地下材料以保水的位置等)和不放置在不希望的位置(例如，具有高密度岩石的位置、具有很少或根本没有土壤水分的位置、在地下灌溉系统的水渗透距离之外的位置等)。另外，对种植设备502进行调整，使得任何期望有的地下物体(例如，掩埋的灌溉管道)不被损坏。一旦由种植设备502成功放置了种子，则控制器510就更新土壤504的地图，以指示放置了种子。修改后的地图可以保存并经由网络接口516输出到外部计算装置或存储在可移动存储介质(例如，SD存储卡、MicroSD存储卡、USB闪存等)中。
参考图5C，示出了基于提供的种植参数和地图数据通过种植系统(例如，车辆500)进行精确种植的方法520。该系统的用户提供了与要种植的土壤的区域有关的地图数据(步骤521)。地图数据涉及要种植的土壤区域的三维地图，并包括与土壤的组分(例如，化学成分、水分组成、密度、腐殖质存在等)和物体的存在(例如，掩埋的岩石、管道等)有关的位置特定的信息以及与土壤有关的任何其它信息。地图包括达到土壤的表面之下的指定深度的这一信息。地图数据是耦合到位置信息的数据点的集合，其在处理时可被再现为地图的可视化表示(例如，用于由操作者通过显示器观看)或由系统控制器进一步处理(例如，以确定适当的种子放置)。所收集的地图数据点可以以R-树数据结构、阵列数据结构或其它合适的数据结构存储。地图可以是三维地图。地图数据可能已经通过使用土壤映射系统(例如，系统400)被创建。地图数据通过控制器的网络接口从外部计算设备或服务器或使用可移动存储介质(例如，SD存储卡、MicroSD存储卡、USB闪存等)提供给系统的控制器。
用户编程到精度种植车辆的种植参数(步骤522)。种植参数包括被放置的植物种子类型、所需的放置特性(例如，在表面之下的深度、与水源的接近度、土壤组分)、种子放置密度、将来的处理策略(例如，施肥策略、浇水策略、目标收获日期等)、种子放置策略(例如，成行、圈状等)、以及任何其它期望种植参数中的任何一个或多个。种植参数可包括避免播种的被检测的土壤特性的阈值水平。例如，用户可以指示不将种子放置在含有阈值百分比或阈值数目的岩石的土壤中。此外，种植参数可包括用于放置种子的检测到的土壤特性的阈值水平。例如，用户可以指示将种子放置在含有阈值水平的土壤水分的土壤中。此外，用户可以指示将种子放置在指定检测位置(例如，在地下灌溉系统的水渗滤距离内的位置、在放置了地下材料以保水的位置等)，并且不被放置在指定检测位置(例如，在埋入的管道的顶部)。种植参数可包括指示仅种植一部分的所提供的地图数据的子集。用户通过用户输入将种植参数提供到系统。用户输入包括一系列旋钮、轮、多位置开关、键盘、鼠标、触摸屏显示器或它们的任意组合。可替换地，用户在外部计算设备(例如，计算机、智能电话、个人数字助理、平板电脑等)上编程种植参数并将种植参数上载到控制器。上载可以通过在控制器和外部计算设备之间的点对点网络连接进行，通过可移动存储介质(例如SD卡、USB闪存驱动器等)进行，或通过从主服务器下载参数进行。此外，系统可以基于用户选择的种植参数模板(例如，玉米行)和指定的要种植的土地区域自动地确定种植参数。模板包含预设种植参数(例如，种子类型、种子放置的深度、水源接近度信息、所需土壤组分、种子放置密度、种子放置策略等)。用户可以修改模板的预设种植参数。
然后，系统的控制器处理种植模式(步骤523)。种植模式是通过处理提供的种植参数和提供的地图数据生成的。系统的控制器根据种植参数确定应将种子放置在哪里(例如，成行、在具有高营养度的地区、在水源的渗流距离之内等)。种植模式使用指定模式，在要种植的土地上使要种植的植物或种子的数目最大化。控制器确定车辆路径来完成种植模式。车辆路径使得车辆行驶距离和/或种植时间最小化。在一些情况下，种植车辆可以是至少部分地自动的，并能够基于来自车载GPS传感器的位置反馈和车辆的油门和转向机构的计算控制来导航预定义的种植模式。相应地，用户可以提供车辆运行参数(例如，最大速度)，且控制器的处理的车辆路径包括车辆运行指令(例如，速度、在哪儿转弯等)。在这样的配置中，控制器的处理的车辆路径在操作之前被呈现给用户，以使用户可以接受、拒绝或修改所建议的车辆路径。例如，用户可能希望避免在某些区域种植，并相应地修改所建议的车辆路径。可替换地，在步骤522，用户可以提供指定的种植模式和车辆路径(例如，通过使用用户输入在提供的地图数据上绘制车辆路径和通过指示将种子放置在哪里或通过指示控制器如何确定将种子放置在哪里来提供)。
进一步参考图5C，用户通过种植模式导航车辆(步骤524)。在车辆的显示屏幕上为用户呈现处理的种植模式和车辆的路径。用户操作车辆，使得车辆大体上跟踪车辆的在屏幕上显示的路径。如果车辆是至少部分地自动的，用户就指示车辆开始种植过程。在任一种情况下，当车辆遵循种植模式时，车辆被配置为根据所处理的种植模式将种子种植在土壤中。种植系统的控制器与车辆的种植机构通信，并指示种植机构在车辆的确定位置与要放置种子的地图数据的位置相匹配时放置种子。车辆的位置是基于从位置传感器(例如，GPS接收器)接收到的反馈来决定。控制器进一步被配置为基于处理的种植模式来调整种植机构的参数(例如种子放置深度和种子放置密度等)。当种子被放置到土壤中，就更新地图数据，以包括种子的位置(步骤525)。
在种植模式完成后，更新的地图可保存到车辆的控制器的存储器中和输出(步骤526)。更新后的地图数据包括先前检测的土壤特性与植物种子位置。地图数据可用于将来的土壤处理(例如，施肥、浇水、收割、耕作等)。相应地，更新的地图数据可以通过控制器的网络接口输出到外部计算设备，或者可以存储在可移动存储介质(例如，SD存储卡、MicroSD存储卡、USB闪存等)中。然后，用户可以访问外部计算设备上的地图上。
地面映射系统不限于基于车辆的系统(例如，系统200和系统400)。参考图6A，根据示例性实施例示出了静止的地面穿透雷达系统600。系统600包括安装在塔架602上的雷达单元601。雷达单元601被配置为以与系统200的雷达单元203和系统400的雷达单元404类似的方式检测土壤603的固有特性和非固有特性。相应地，雷达单元601利用了地面穿透雷达来确定土壤603的特性。当发送的雷达波行进通过土壤603时，波的一部分以不同的强度被反射回来，具体取决于土壤603的组成和在土壤603内的物体的存在和深度。无线电波具有介于300MHz和3000MHz之间或超过3000MHz的频率。系统600可以检测土壤特性(例如，土壤组分、土壤密度)的变化、土壤水分的存在、土壤水分的深度、土壤水分的数量、在土壤603中存在的矿物质的存在和类型、在土壤603中的腐殖质的存在和类型、和其它土壤特性。在一个可替换的结构中，雷达单元601发送用于创建土壤603的俯视地下全息图的未调制连续波信号。在另一个可替换的配置中，反射地震学被用于发送声波通过土壤603，对反射的声波进行分析以确定土壤603的组分和在土壤603中的物体的位置。来自雷达单元601的反馈信号被提供给与包括具有处理器和存储器的处理电路的控制器类似的控制器(类似于控制器220和控制器410)。
系统600的雷达单元601是固定的，因而具有有限的和相对静态的检测区域(见图6B的圆604)。参考图6B，示出了土壤603的示例性布局。为实现土壤603的区域的适当的覆盖，用户可以安装多个系统来覆盖该区域。可使检测的区域重叠，以确保最大的覆盖。每个系统600从各自的检测区域定期报告或根据需要报告检测到的土壤特性数据。所报告的土壤特性被发送到中央控制器或计算设备。可替代地，每个系统存储检测到的数据，用户手动收集数据(例如，通过经由与每个系统600的各个控制器通信的网络接口下载数据、通过将数据从每个系统下载到可移动存储介质中等进行)。
除了生成预种植操作地图数据(如在系统400中进行的)外，一组系统600塔(如图6B所示)可有利地定期提供更新的土壤特性。例如，设想可以通过接收指示土壤603的湿度含量的定期反馈的控制器对灌水喷头系统进行控制。相应地，仅当检测到的土壤湿度水平下降到低于指定阈值时，才激活喷头。与根据日程表激活的喷头系统相比，这样的灌水系统可以减少用水量。另外，作为另外的例子，可以预期的是，用户可以配置当土壤603中的营养成分和土壤603中的杀虫剂被耗尽时的警报或通知以及耗尽的精确位置。因此，当需要放置额外的肥料或杀虫剂时，用户就会被提醒。
参考图7，根据示例性实施例示出了基于空气的土壤特性检测系统700。系统700包括具有雷达单元702和GPS接收器703的飞机701。尽管图7被画成使用飞机701，但可以使用被配置为检测和绘制固有土壤特性和非固有土壤特性的任何适合的航空器(例如，直升机、飞行器、气囊、无人驾驶飞机等)作为基于空气的土壤特性检测系统的一部分。系统700以类似于系统200和系统400的方式起作用。GPS接收器703接收使得系统700的控制器可精确地跟踪飞机701的位置的、来自GPS卫星203的信号。系统700的控制器与控制器220和控制器410类似。系统700的控制器包括至少一个具有处理器和存储器的处理电路。雷达单元702利用地面穿透雷达来确定土壤705的特性。如在系统200和系统400中那样，系统700的控制器被配置为将来自GPS接收器703和雷达单元702的反馈信号处理为土壤705的详细地图。当飞机701飞越土壤705时，控制器接收来自雷达单元702和GPS接收器703的反馈信号。
控制器被配置为处理所接收的反馈信号，以创建土壤705的详细地图。由系统700创建的地图是耦合到位置信息的数据点的集合，其在处理时可以被再现为地图的可视化表示(例如，用于由操作者通过显示器观看)或由系统控制器进行进一步处理的成组的数据和位置点(例如，以确定种子的正确放置)。所收集的地图数据点可以以R-树数据结构、阵列数据结构或其它合适的数据结构存储。地图可以是三维地图。该三维地图包括与土壤705的组分(例如，化学成分、水分含量、密度、腐殖质存在等)以及物体的存在(例如，埋藏的岩石和管道等)有关的位置的特定信息以及其它与在土壤705的表面之下的达到某一深度的土壤705有关的信息。该三维地图的深度参数(例如，在表面之下一英尺、在表面之下两英尺等)可以是用户提供的参数。控制器被配置成分析来自雷达单元702的反馈信号，以定位和识别在土壤705的表面之下的物体(例如、岩石、土壤水分、输送管道等)。检测的物体由雷达特征来识别，其方式与上文关于系统200和系统400所述的相同。创建的地图可以通过控制器的网络接口输出到外部计算设备，或存储在可移动存储介质(例如，SD存储卡、MicroSD存储卡、USB闪存等)中。然后，用户可以在未来土壤处理操作(例如，种植、收获、翻耕、物体提取等)期间参考创建的地图寻求帮助。
飞机701还包括喷洒设备706。喷洒设备706被配置为当飞机701飞越土壤705时在土壤705上喷液体(如，化学物、水、农药、肥料等)。可以预期的是，系统700的控制器被配置为基于检测到的土壤特性在精确的位置上喷洒液体。例如，如果控制器基于来自雷达单元702的反馈而确定土壤区域需要化学物喷洒，控制器就可以激活喷洒装置706，以使得喷洒的化学物覆盖土地的目标区域。为了正确地确定喷洒的化学物将降落在何处，控制器接收来自飞机701上的另外的传感器(例如，海拔传感器、风向传感器、风速传感器、空气速度指示器等)的反馈。在喷射液体之后，控制器还更新所创建的地图数据，以指示将液体喷射在了具体位置。
上面的系统和方法可以作为业务的一部分来操作。该业务为客户提供了土壤映射服务。客户可以购买土壤区域的单个地图。可替换地，客户可以订阅循环性的地图(如，每个生长季节一份新地图、每月一份新地图等)。地图可用于土壤操作(例如，播种操作、收获操作、翻耕操作等)。此外，地图可以用于帮助建设和布局灌溉系统。此外，客户可以购买田地的精密种植。该业务可以通过战略布局，使用检测到的土壤特性来最大限度地提高农作物的产量和降低成本(如化肥成本、农药成本、灌溉成本)。该业务还可以将土壤映射和/或精密播种设备出租给客户。上述所有服务都有偿提供给客户。
尽管上述的系统和方法是参考了种子种植的，但应该理解的是，上述系统和方法可用于在发育的不同阶段种植植物。相应地，替代种子种植机构(例如种植设备202或种植设备502)，植物种植机构可以在指定的和精确的位置放置各级植物成熟度的植物(例如，苗、幼态植株、长成的植物等)。
在示例性实施例中所示的系统和方法的构造和布置仅仅是说明性的。尽管只有本公开的一些实施例已经被详细说明，但阅读了本公开内容的本领域的技术人员将容易理解，可进行许多改变(例如，各种部件的大小、维度、结构、形状和比例、参数值、安装配置、材料使用、颜色、方向等的改变)，而不在实质上脱离所列举的主题的新颖教导和优点。例如，示出为整体构成的部件可由多个部分或元件构成。外壳的元件和/或组件可以由提供足够的强度或耐久性的任何多种多样的材料构造，并且以任何多种多样的颜色、纹理及其组合构造。此外，在本说明中，词语“示例性”用于表示充当实例、例子或说明例。在本文中描述为“示例性”的任何实施例或设计并不一定要被解释为优于或胜过其它实施例或设计。而是说，使用词语“示例性”意在以具体方式呈现概念。相应地，所有这些修改旨在包括在本发明的范围之内。任何过程或方法步骤的顺序或次序可以根据可替换的实施例进行改变或重新排序。任何装置加功能式的语句意在涵盖在本文描述的执行了所述功能的结构，不仅涵盖了结构等同物，还涵盖了等同的结构。可以在不脱离本公开的范围或所附权利要求书的精神的情况下，对优选实施例和其它示例性实施例的设计、操作条件和配置进行其它的替换、修改、改变和省略。
本公开构思了用于实现各种操作的、在任何机器可读介质上的方法、系统和程序产品。本公开的实施例可使用现有计算机处理器来实现，或者通过并入这个目的或其它目的的、用于合适系统的专用计算机处理器来实现，或者通过硬连线系统来实现。本公开的范围内的实施例包括包含用于携带机器可执行指令或数据结构或上面存储有机器可执行指令或数据结构的机器可读介质的程序产品。这样的机器可读介质可以是可由通用或专用计算机或具有处理器的其它机器访问的任何可用介质。以举例的方式来说，这样的机器可读介质可以包括RAM、ROM、EPROM、EEPROM、CD-ROM或其它光盘存储、磁盘存储或其它磁存储设备、或可用于以机器可执行的指令或数据结构的形式携带或存储期望的程序代码且可以由通用或专用计算机或其它具有处理器的机器访问的任何其它介质。当信息通过网络或另一通信连接(硬连线、无线、或硬连线或无线的组合)向机器传输或提供时，机器适当地将该连接视为机器可读介质。因此，任何这样的连接被适当地称为机器可读介质。上述的组合也包括在机器可读介质的范围内。机器可执行指令包括例如使通用计算机、专用计算机或专用处理机执行某一功能或功能组的指令和数据。
尽管附图可示出方法步骤的特定顺序，但步骤的顺序与所描绘的可以有所不同。还有，两个或多个步骤可以同时或者部分同时执行。这样的变化将取决于所选择的软件和硬件系统以及设计者的选择。所有这样的变化都在本公开的范围之内。同样，软件实现可以利用具有基于规则的逻辑和其它逻辑的标准编程技术来实现各种连接步骤、处理步骤、比较步骤和决策步骤。

Claims (35)

1.一种土壤检测和种植装置，其包括：
车辆；
耦合到所述车辆的控制器；
耦合到所述车辆的种植设备，所述种植设备被配置为将种子或植物种植到土壤材料中；
耦合到所述车辆的地面穿透雷达土壤传感器，所述地面穿透雷达土壤传感器被配置为扫描所述土壤材料达到所述土壤材料的表面之下的指定深度，其中所述地面穿透雷达土壤传感器被进一步配置为向所述控制器提供有关所述土壤材料的固有特性的传感器反馈信号；以及
其中所述控制器被配置为基于所述反馈信号来指示将种子或植物置入所述土壤材料中。
2.根据权利要求1所述的装置，其还包括一个耦合到所述车辆的位置传感器，所述位置传感器被配置为向所述控制器提供位置反馈信号，并且其中所述控制器分析所述位置反馈信号，以确定所述固有土壤特性的特定位置。
3.根据权利要求2所述的装置，其中，所述控制器基于所述土壤特性指示所述种植设备在所述特定位置的所述土壤材料中种植所述种子。
4.根据权利要求2所述的装置，其中，所述控制器被进一步配置为基于所述传感器反馈信号和所述位置反馈信号创建所述土壤材料的地图。
5.根据权利要求4所述的装置，其中，所述控制器更新所述地图，指示所述种子被种植在所述特定位置处。
6.根据权利要求4所述的装置，其中，所述控制器指示在所述特定位置的在所述地图上的所述土壤特性。
7.根据权利要求1所述的装置，其中，所述地面穿透雷达土壤传感器被进一步配置为向所述控制器提供有关所述土壤材料的非固有特性的传感器反馈信号。
8.根据权利要求7所述的装置，其中，所述非固有特性包括所述土壤材料的存在。
9.根据权利要求7所述的装置，其中，所述非固有特性包括在所述土壤材料的所述表面之下的物体的存在。
10.根据权利要求9所述的装置，其中，所述控制器基于所述传感器反馈信号识别所述物体。
11.根据权利要求7所述的装置，其还包括一个耦合到所述车辆的位置传感器，所述位置传感器被配置为向所述控制器提供位置反馈信号，且其中所述控制器分析所述位置反馈信号，以确定所述非固有土壤特性的特定位置。
12.根据权利要求11所述的装置，其中，所述控制器被进一步配置为基于所述非固有土壤特性的所述特定位置更新所述土壤材料的地图。
13.一种土壤检测装置，其包括：
耦合到地面驱动车辆的外壳；
耦合到所述外壳中的控制器；
耦合到所述外壳的地面穿透雷达土壤传感器，所述地面穿透雷达土壤传感器被配置为扫描土壤材料达到在所述土壤材料的表面之下的指定深度，其中所述地面穿透雷达土壤传感器被进一步配置为向所述控制器提供有关所述土壤材料的固有特性的传感器反馈信号；和
耦合到所述外壳的位置传感器，所述位置传感器被配置为向所述控制器提供位置反馈信号；
其中所述控制器被配置为基于所述传感器反馈信号和所述位置反馈信号创建所述土壤材料的地图。
14.根据权利要求13所述的装置，其中，所述固有土壤特性包括所述土壤材料的组分、所述土壤材料的水特性、所述土壤材料中的腐殖质的存在、所述土壤材料的密度和土壤材料的孔隙度中的至少一种。
15.根据权利要求13所述的装置，其中，所述控制器分析所述位置反馈信号，以确定所述固有土壤特性的特定位置。
16.根据权利要求15所述的装置，其中，所述控制器指示在所述特定位置的在所述地图上的所述固有土壤特性。
17.根据权利要求13所述的装置，其中，所述地面穿透雷达土壤传感器被进一步配置为向所述控制器提供有关所述土壤材料的非固有特性的传感器反馈信号。
18.根据权利要求17所述的装置，其中，所述非固有特性包括所述土壤材料的存在。
19.根据权利要求17所述的装置，其中，所述非固有特性包括所述土壤材料的深度。
20.根据权利要求17所述的装置，其中，所述非固有特性包括在所述土壤材料的所述表面之下的物体的存在。
21.根据权利要求20所述的装置，其中，所述控制器基于所述传感器反馈信号识别所述物体。
22.根据权利要求17所述的装置，其中，所述控制器分析所述位置反馈信号，以确定所述非固有土壤特性的特定位置。
23.根据权利要求22所述的装置，其中，所述控制器更新所述地图，以指示所述非固有土壤特性的位置。
24.根据权利要求13所述的装置，其中，所述外壳被配置为安装在载货卡车的车箱上。
25.根据权利要求13所述的装置，其中，所述外壳是所述地面驱动车辆的一部分。
26.一种基于空气的土壤检测装置，其包括：
航空器；
耦合到所述航空器的控制器；
耦合到所述航空器的土壤传感器，所述土壤传感器配置为扫描土壤材料达到在所述土壤材料的表面之下的指定深度，以探测灌溉系统的包含在所述土壤材料之内的或在所述土壤材料的表面上的至少一部分，其中所述土壤传感器被进一步配置为向所述控制器提供与所述灌溉系统的检测到的所述部分有关的传感器反馈信号；和
耦合到所述航空器的位置传感器，所述位置传感器被配置为向所述控制器提供位置反馈信号；
其中所述控制器被配置为基于所述传感器反馈信号和所述位置反馈信号创建包括了所述灌溉系统的所述部分的位置的所述土壤材料的地图。
27.根据权利要求26所述的装置，其中，所述土壤传感器是将电磁无线电波发射到所述土壤材料内的地面穿透雷达单元。
28.根据权利要求26所述的装置，其中，所述土壤传感器是将声波发送到所述土壤材料内的反射地震学传感器。
29.根据权利要求26所述的装置，其中，所述航空器是飞机。
30.根据权利要求26所述的装置，其还包括耦合到所述航空器的喷射设备。
31.根据权利要求30所述的装置，其中，所述控制器指示所述喷射设备在土地的目标区域上喷射液体。
32.根据权利要求31所述的装置，其中，所述控制器更新地图，以指示所述液体的位置。
33.根据权利要求26所述的装置，其还包括耦合到所述控制器的存储器，其中所述控制器在所述存储器中存储所述地图。
34.根据权利要求26所述的装置，其还包括耦合到所述控制器的网络接口。
35.根据权利要求34所述的装置，其中，所述控制器通过所述网络接口将所述地图输出到外部计算装置。
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