CN105759838A - 基于无人机的植物生长状况监测装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于无人机的植物生长状况监测装置及方法，其中，本发明在图像监测模块中采用蓝色LED阵列来替代激光，作为荧光激发光源，使激发光源的体积和重量大大减小，适合在低负荷的无人机上使用，而且采用电子倍增CCD单元来在夜间采集植物的荧光动力学图像，不但可以获得整个拍摄区域的荧光二维分布信息，还可获得全面的荧光动力学衰减信息。本发明中，无人机按预先规划的路线飞行，并在指定的拍摄点悬停，同时进行荧光动力学图像的拍摄，飞行完预先规划的路线后，自动返航，本发明无需对叶片进行暗适应，节省了测量时间，而且实现了植物的原位测量，能更准确的反映植物的生理生长状态。
Description
技术领域
本发明涉及植物监测技术领域，特别涉及一种基于无人机的植物生长状况监测装置及方法。
背景技术
近年来，随着现代科学技术与工业化的加速发展，农业生产取得了前所未有的成就，但是，传统农业的高产是以牺牲大量资源和环境利益为代价的。面对着环境恶化，资源短缺，人口日益增长等诸多问题，必须全面实现农业现代化、数字化、精细化。
植物叶绿体吸收的光能用于三个部分，一部分进行光合作用，一部分转化为热能耗散掉，其余部分大约2％的能量吸收后发射出叶绿素荧光。研究表明，这三部分能量的分配此消彼长，因此，可以通过分析叶绿素荧光信号来获知植物的光合作用状况，进而评估植物的生理生长状况，且利用荧光信号能够在肉眼观察到之前捕捉到植物的生理状态变化，预测植物生长变化，提前做出应对措施。目前，叶绿素荧光探测技术主要集中在三个方向：叶绿素荧光诱导动力学分析法，叶绿素荧光光谱分析法，叶绿素荧光图像分析法。动力学分析法应用广泛，各种荧光仪大多基于此原理，但该方法和荧光光谱分析法仅对单点测量，不能说明整个田间甚至整个植株的生产状态。荧光图像分析法以其大面积，非接触等优点，是今后的研究趋势。
植物遥感监测技术是国际环境与农业研究领域近几年发展起来的热点技术，利用遥感技术实时大面积监测植物生理状况，可以有效防治作物遭受病虫害、干旱、营养缺失等胁迫，促进农作物的生产管理，提高生产效率。人类可以通过卫星或机载设备来观测地球植物的“绿色”指标来获取地球上植物的生长信息，然而这两种方法受天气影响大，数据传回周期长，成本高，随着无人机的发展，其机动灵活、操纵简单、成本低廉、安全可靠等优点，使得利用无人机作为遥感平台对农田进行低空遥感成为一种合理的设想。
结合无人机和反映植物内部机制的叶绿素荧光将成为植物低空遥感的发展方向，所以，目前，亟需研制一种能够实现利用无人机遥测的叶绿素荧光图像实时监测系统和装置。
发明内容
本发明的目的在于：克服现有技术中通过卫星或机载设备来监测植物生长状况，存在受天气影响大，数据传回周期长，成本高的不足。
为了实现上述发明目的，本发明提供一种基于无人机的植物生长状况监测装置，其技术方案为：
一种基于无人机的植物生长状况监测装置，包括无人机和设置在所述无人机上的图像监测模块和控制模块，所述控制模块根据预先规划的路线，控制所述无人机飞行，并且，所述图像监测模块包括蓝光LED阵列、电子倍增CCD单元；其中，所述蓝光LED阵列，用于作为荧光激发光源；所述电子倍增CCD单元，用于在夜间采集植物的荧光动力学图像；
所述无人机按预先规划的路线飞行，并在路线上的若干指定拍摄点保持悬停，所述无人机悬停时，所述控制模块控制所述蓝光LED阵列开启和所述电子倍增CCD单元拍摄其视场区域的植物；当所述无人机飞行完预先规划的路线，所述控制模块控制所述无人机返航。
根据一种具体的实施方式，所述控制模块包括主控单元、定位单元和高度传感器；其中，
所述定位单元，用于实时获取所述无人机的位置信息；
所述高度传感器，用于实时获取所述无人机的高度信息；
所述主控单元，用于接收路线信息，并根据所述路线信息，控制所述无人机飞行，同时在飞行过程中，结合所述位置信息和所述高度信息，控制所述无人机飞行至路线上指定的拍摄点时悬停在设定高度，以及用于接收拍摄参数信息，并根据所述拍摄参数信息，控制所述电子倍增CCD单元拍摄其视场区域的植物。
根据一种具体的实施方式，所述主控单元包括存储子单元，其中，所述存储子单元，用于保存所述路线信息、所述拍摄参数信息以及所述电子倍增CCD单元拍摄的荧光动力学图像。
根据一种具体的实施方式，所述主控单元具有数据接口，并且所述数据接口与所述存储子单元连接，用于与外部设备连接，接收所述路线信息和所述拍摄参数信息，或者输出所述电子倍增CCD单元拍摄的荧光动力学图像。
根据一种具体的实施方式，所述电子倍增CCD单元上还装设有滤光片，用于筛选植物荧光波段的光。
基于同一的发明构思，本发明还提供一种基于无人机的植物生长状况监测方法，其包括以下步骤，
S1：无人机在控制模块的控制下，沿预先规划的路线飞行；
S2：所述无人机飞行至路线上指定的拍摄点时，保持悬停，并通过所述控制模块控制所述蓝光LED阵列开启和控制所述电子倍增CCD单元拍摄其视场区域的植物；
S3：所述无人机飞行完预先规划的路线后，所述控制模块控制所述无人机返航。
根据一种具体的实施方式，通过所述控制模块实时获取所述无人机的位置信息和高度信息，以及接收和保存路线信息和拍摄参数信息，并且所述控制模块根据所述路线信息，控制所述无人机飞行，同时在飞行过程中，结合所述位置信息和所述高度信息，控制所述无人机飞行至路线上指定的拍摄点时悬停在设定高度，而且在所述无人机悬停时，所述控制模块根据所述拍摄参数信息，所述控制模块控制所述电子倍增CCD单元拍摄其视场区域的植物并保存所述电子倍增CCD单元拍摄的荧光动力学图像。
根据一种具体的实施方式，通过与外部设备连接，接收所述路线信息和所述拍摄参数信息，或者输出所述电子倍增CCD单元拍摄的荧光动力学图像。
根据一种具体的实施方式，通过在所述电子倍增CCD单元上装设滤光片，筛选植物荧光波段的光。
与现有技术相比，本发明的有益效果：本发明通过将图像监测模块设置在无人机上，在图像监测模块中采用蓝色LED阵列来替代激光，作为荧光激发光源，使激发光源的体积和重量大大减小，适合在低负荷的无人机上使用，而且采用电子倍增CCD单元来在夜间采集植物的荧光动力学图像，不但可以获得整个拍摄区域的荧光二维分布信息，还可获得全面的荧光动力学衰减信息。本发明中无人机在控制模块的控制下，按预先规划的路线飞行，并在指定的拍摄点悬停，同时进行荧光动力学图像的拍摄，飞行完预先规划的路线后，自动返航，因此，本发明无需对叶片进行暗适应，节省了测量时间，且实现了植物的原位测量，能更准确的反映植物的生理生长状态。
附图说明
图1是本发明基于无人机的植物生长状况监测装置的工作示意图；
图2是本发明装置的结构示意图；
图3是本发明控制模块的结构示意图；
图4是本发明方法的流程示意图。
附图标记列表
1-无人机2-控制模块3-图像监测模块
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。
结合图1所示的本发明基于无人机的植物生长状况监测装置的工作示意图；其中，本发明基于无人机的植物生长状况监测装置包括无人机1和设置在无人机上的图像监测模块3和控制模块2，控制模块2根据预先规划的路线，控制无人机1飞行。
结合图2所示的本发明装置的结构示意图；其中，图像监测模块3包括蓝光LED阵列和电子倍增CCD单元。
其中，蓝光LED阵列用于作为荧光激发光源；电子倍增CCD单元用于在夜间采集植物的荧光动力学图像。
本发明基于无人机的植物生长状况监测装置工作时，无人机1按预先规划的路线飞行，并在路线上的若干指定拍摄点保持悬停，无人机悬停时，控制模块2控制蓝光LED阵列开启和电子倍增CCD单元拍摄其视场区域的植物；当无人机1飞行完预先规划的路线，控制模块2控制无人机1返航。
本发明通过将图像监测模块设置在无人机上，在图像监测模块中采用蓝色LED阵列来替代激光，作为荧光激发光源，使激发光源的体积和重量大大减小，适合在低负荷的无人机上使用，而且采用电子倍增CCD单元来在夜间采集植物的荧光动力学图像，不但可以获得整个拍摄区域的荧光二维分布信息，还可获得全面的荧光动力学衰减信息。本发明中无人机在控制模块的控制下，按预先规划的路线飞行，并在指定的拍摄点悬停，同时进行荧光动力学图像的拍摄，飞行完预先规划的路线后，自动返航，因此，本发明无需对叶片进行暗适应，节省了测量时间，且实现了植物的原位测量，能更准确的反映植物的生理生长状态。
结合图3所示的本发明控制模块的结构示意图；其中，控制模块2包括主控单元、定位单元和高度传感器。
其中，定位单元用于实时获取无人机的位置信息；高度传感器用于实时获取无人机的高度信息；主控单元用于接收路线信息，并根据路线信息，控制无人机1飞行，同时在飞行过程中，结合位置信息和高度信息，控制无人机1飞行至路线上指定的拍摄点时悬停在设定高度，以及用于接收拍摄参数信息，并根据拍摄参数信息，控制电子倍增CCD单元拍摄其视场区域的植物。
具体的，主控单元包括存储子单元，其中，存储子单元，用于保存路线信息、拍摄参数信息以及电子倍增CCD单元拍摄的荧光动力学图像。
在实施时，主控单元具有数据接口，并且数据接口与存储子单元连接，用于与外部设备连接，接收路线信息和拍摄参数信息，或者输出电子倍增CCD单元拍摄的荧光动力学图像。本发明中的数据接口可采用USB接口或者RJ45接口。本发明中的定位单元可采用北斗定位芯片或GPS定位芯片。
本发明中，电子倍增CCD单元上还装设有滤光片，用于筛选植物荧光波段的光。通过加装筛选植物荧光波段的滤光片，能够有效地降低电子倍增CCD单元的噪声干扰。
基于同一发明构思，本发明还提供基于无人机的植物生长状况监测方法，结合如4所示的本发明方法的流程示意图；本发明基于无人机的植物生长状况监测方法，包括以下步骤，
S1：无人机在控制模块的控制下，沿预先规划的路线飞行。
S2：无人机飞行至路线上指定的拍摄点时，保持悬停，并通过控制模块控制蓝光LED阵列开启和控制电子倍增CCD单元拍摄其视场区域的植物。
S3：无人机飞行完预先规划的路线后，控制模块控制无人机返航。
本发明在监测过程中，通过控制模块实时获取无人机的位置信息和高度信息，以及接收和保存路线信息和拍摄参数信息。并且控制模块根据路线信息，控制无人机飞行，同时在飞行过程中，结合位置信息和高度信息，控制无人机飞行至路线上指定的拍摄点时悬停在设定高度，而且在无人机悬停时，控制模块根据拍摄参数信息，控制模块控制电子倍增CCD单元拍摄其视场区域的植物并保存电子倍增CCD单元拍摄的荧光动力学图像。
具体的，本发明通过将控制模块与外部设备连接，接收路线信息和拍摄参数信息，或者输出电子倍增CCD单元拍摄的荧光动力学图像。
在实施时，可在控制模块中设置数据接口，在开始工作前，外部设备通过该数据接口与控制模块连接，将外部设备中设置的路线信息和拍摄参数信息传输至控制模块，或者外部设备从控制模块中提取出拍摄的荧光动力学图像。本发明中的数据接口可采用USB接口或者RJ45接口。
本发明还通过在电子倍增CCD单元上装设滤光片，筛选植物荧光波段的光。通过加装筛选植物荧光波段的滤光片，能够有效地降低电子倍增CCD单元的噪声干扰。
上面结合附图对本发明的具体实施方式进行了详细说明，但本发明并不限制于上述实施方式，在不脱离本申请的权利要求的精神和范围情况下，本领域的技术人员可以作出各种修改或改型。
Claims (9)
1.一种基于无人机的植物生长状况监测装置，包括无人机和设置在所述无人机上的图像监测模块和控制模块，所述控制模块根据预先规划的路线，控制所述无人机飞行，其特征在于，所述图像监测模块包括蓝光LED阵列、电子倍增CCD单元；其中，所述蓝光LED阵列，用于作为荧光激发光源；所述电子倍增CCD单元，用于在夜间采集植物的荧光动力学图像；
所述无人机按预先规划的路线飞行，并在路线上的若干指定拍摄点保持悬停，所述无人机悬停时，所述控制模块控制所述蓝光LED阵列开启和控制所述电子倍增CCD单元拍摄其视场区域的植物；当所述无人机飞行完预先规划的路线，所述控制模块控制所述无人机返航。
2.如权利要求1所述的基于无人机的植物生长状况监测装置，其特征在于，所述控制模块包括主控单元、定位单元和高度传感器；其中，
所述定位单元，用于实时获取所述无人机的位置信息；
所述高度传感器，用于实时获取所述无人机的高度信息；
所述主控单元，用于接收路线信息，并根据所述路线信息，控制所述无人机飞行，同时在飞行过程中，结合所述位置信息和所述高度信息，控制所述无人机飞行至路线上指定的拍摄点时悬停在设定高度，以及用于接收拍摄参数信息，并根据所述拍摄参数信息，控制所述电子倍增CCD单元拍摄其视场区域的植物。
3.如权利要求2所述的基于无人机的植物生长状况监测装置，其特征在于，所述主控单元包括存储子单元，其中，所述存储子单元，用于保存所述路线信息、所述拍摄参数信息以及所述电子倍增CCD单元拍摄的荧光动力学图像。
4.如权利要求3所述的基于无人机的植物生长状况监测装置，其特征在于，所述主控单元具有数据接口，并且所述数据接口与所述存储子单元连接，用于与外部设备连接，接收所述路线信息和所述拍摄参数信息，或者输出所述电子倍增CCD单元拍摄的荧光动力学图像。
5.如权利要求1所述的基于无人机的植物生长状况监测装置，其特征在于，所述电子倍增CCD单元上还装设有滤光片，用于筛选植物荧光波段的光。
6.一种基于无人机的植物生长状况监测方法，其特征在于，包括以下步骤，
S1：无人机在控制模块的控制下，沿预先规划的路线飞行；
S2：所述无人机飞行至路线上指定的拍摄点时，保持悬停，并通过所述控制模块控制所述蓝光LED阵列开启和所述电子倍增CCD单元拍摄其视场区域的植物；
S3：所述无人机飞行完预先规划的路线后，所述控制模块控制所述无人机返航。
7.如权利要求6所述的基于无人机的植物生长状况监测方法，其特征在于，通过所述控制模块实时获取所述无人机的位置信息和高度信息，以及接收和保存路线信息和拍摄参数信息，并且所述控制模块根据所述路线信息，控制所述无人机飞行，同时在飞行过程中，结合所述位置信息和所述高度信息，控制所述无人机飞行至路线上指定的拍摄点时悬停在设定高度，而且在所述无人机悬停时，所述控制模块根据所述拍摄参数信息，所述控制模块控制所述电子倍增CCD单元拍摄其视场区域的植物并保存所述电子倍增CCD单元拍摄的荧光动力学图像。
8.如权利要求7所述的基于无人机的植物生长状况监测方法，其特征在于，通过与外部设备连接，接收所述路线信息和所述拍摄参数信息，或者输出所述电子倍增CCD单元拍摄的荧光动力学图像。
9.如权利要求6所述的基于无人机的植物生长状况监测方法，其特征在于，通过在所述电子倍增CCD单元上装设滤光片，筛选植物荧光波段的光。
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