CN106596412A - 利用无人机携带多光谱光源进行植物生长监测的方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于植物生长监测技术领域，具体为一种利用无人机携带多光谱光源进行植物生长监测的方法。本发明方法包括以下步骤：根据植物种类确定植物的特征波长，选择相应的标准窄带色光组合作为多光谱标准光源；用多光谱标准光源照射植物，采集不同种植物色坐标和反射光谱等信息，建立植物光谱数据库；控制无人机通过面阵CCD光谱成像仪对被测植物进行拍摄和信息存储；将拍摄到的被测植物与植物数据库中同种植物的叶片色坐标和反射光谱等信息进行比对，从而分析被测叶片的生长状况。本发明采用无人机携带多光谱光源和面阵CCD光谱仪进行监测，单次扫描覆盖面积大，测量精度高，且无人机飞机路线简单，容易控制，成本低，适用于目前田地、大棚以及植物工厂等农业种植中的植物生长监测。

Description

利用无人机携带多光谱光源进行植物生长监测的方法

技术领域

本发明属于植物生长监测技术领域，具体涉及一种利用无人机携带多光谱光源进行植物生长监测的方法。

背景技术

随着国民经济的发展和农业鼓励政策的出台，国家对于农业收成的增加更加重视。目前，我国农业生产能力巨大，而巨大的生产量下农作物的质量和植物生长健康情况的监测就成为一个浩大的工程。以前，人们一般采取人工目视的方法来监测农作物的质量是否合格、植物的生长是否健康，但这种方法过于消耗人力与时间，且监测出植物不健康时植物已经出现了症状，不利于及时采取干预措施。因此，在尽量节省人力、时间和成本的情况下监测植物的生长状况成为亟待解决的问题。

无人机技术的成熟给予农业监测带来巨大的便利，可利用无人机近距离地在田地、大棚或植物工厂等植物种植区域上方监测植物的生长情况，相对现有的人为采集方式具有快捷、省力、准确和高效的优点。

专利CN 104765378 A公开了一种利用无人机监测公共绿地内植物生长情况的系统，包括无人机和公共绿地，通过在无人机上安装无线信息接收存储装置，从而近距离地在公共绿地上方区域接收公共绿地内植物监测装置监测到的公共绿地数据，相对人为采集方式具有快捷、省力，准确和高效的优点。然而，该系统受限于探头的离散性导致的空间分辨率不足，缺乏对光谱信息的采集，并未考虑拍摄时环境光变化的影响，以及如何处理拍摄到的植物信息，可行性以及准确性有待考量。

专利CN 105759838 A公开了一种基于无人机的植物生长状况监测装置及方法，其图像监测模块采用蓝色LED阵列作为荧光激发光源，且采用电子倍增CCD单元在夜间采集植物的荧光动力学图像，获得整个拍摄区域的荧光二维分布信息和荧光动力学衰减信息。该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。不过，该发明采用蓝光LED阵列作为激发光源，仅获取荧光分布信息并据此判断植物生长状况，未涉及在其他色光和白光照射下的反射光谱和色坐标。

因此，需寻找一种监测植物生长情况的新方法，在利用无人机节省人力和时间成本的前提下，尽可能排除外界干扰因素，在多光谱光源照射下拍摄采集植物的光谱和色坐标，与标准反射光谱比对后判断植物的生长情况，从而可较早地发现患病的植物并对其进行杀菌、除虫、追肥等干预措施，减少因患病而减产的植物数量，以此来增加植物的产出率。

发明内容

本发明的目的是针对目前植物生长监测技术耗时耗力，且监测准确度不高的问题，提供一种利用无人机携带多光谱光源进行植物生长监测的方法。这种方法采用无人机携带多光谱光源和面阵CCD光谱仪进行监测，单次扫描覆盖面积大，测量精度高，且无人机飞机路线简单，容易控制，适用于目前田地、大棚以及植物工厂等农业种植中的植物监测。

本发明提供的一种利用无人机携带多光谱光源进行植物生长监测的方法，其包括以下步骤：

（1）多光谱标准光源选择：根据植物种类确定植物的特征波长，选择相应的标准窄带色光组合作为多光谱标准光源；

（2）植物光谱数据库建立：用多光谱标准光源照射植物，采集不同种植物在叶片健康、染病、衰老等不同生长状况下的色坐标和反射光谱等信息，求取平均色坐标和平均反射光谱，建立植物光谱数据库；

（3）现场植物光谱采集：选择无月光或者少月光的夜晚，控制无人机沿设定的航线和高度进行飞行和悬停，分别开启不同颜色的窄带光源，采用面阵CCD光谱成像仪对被测植物的叶片进行拍摄和信息存储；

（4）光谱比对分析：将拍摄到的被测植物与植物数据库中同种植物的叶片色坐标和反射光谱等信息进行比对，从色坐标和反射光谱等多个方面分析被测叶片的生长状况。

所述标准窄带色光组合通常为RYGBW (红黄绿蓝白)多光谱组合，这些窄带光源均为标准光源，且峰值波长等于植物的特征波长。

所述无人机设有控制系统，该控制系统包括导航装置、定位装置、时间采集装置及电量检测装置；

所述导航装置确定无人机的飞行方向和航线；

所述定位装置确保无人机的定位悬停；

所述时间采集装置用于计算拍摄时间及提示无人机的继续飞行；

所述电量检测装置用于检测无人机电量的使用情况，便于电池的及时更换。

所述电量检测装置配套有固定的更换电池充电桩；所述电池充电桩设于田地周围、大棚内或植物工厂内周边位置，存有无人机配套电池；当电量检测装置检测到无人机电池电量低于10%时，无人机将自动检测定位，飞至充电桩附近，自动更换配套电池。

所述面阵CCD光谱成像仪设有摄像镜头、光栅光谱仪、光敏元件及数据处理和存储单元；

所述摄像镜头对植物叶片进行拍摄扫描；

所述光栅光谱仪和光敏元件负责采集处理图像、色坐标和光谱等信息；

所述数据处理和存储单元用于存储植物叶片的图像、色坐标和反射光谱等信息。

所述无人机携带面阵CCD光谱成像仪进行拍摄时，无人机按照规定高度沿直线飞行，便可拍摄出整个矩形扫描区域内对应的所有植物叶片的图像、色坐标和反射光谱。

所述多光谱光源和面阵CCD光谱成像仪均设置在无人机上，无人机、多光谱光源和面阵CCD光谱成像仪共同构成整个植物生长监测系统。

本发明提出的这种利用无人机携带多光谱光源进行植物生长监测的方法，其优点在于：(1) 系统采用面阵CCD光谱成像仪进行植物叶片的扫描拍摄，在扫描拍摄区域内整个图像全部曝光，可采集图像中所有植物叶片的色坐标和反射光谱，扫描覆盖面积大；相较于普通线阵CCD每次飞行扫描只拍摄图像的一条线来说，面阵CCD光谱成像仪每次飞行扫描可拍摄一个面，可大大节省拍摄时间、降低成本，且精度高；(2) 无人机飞行线路简单、容易控制，有效降低无人机操作的错误率和复杂性，提高采集准确性，间接降低成本；(3) 选择无月光或少月光的夜晚用光强和光谱恒定的标准光源照射来拍摄，解决了白天日光强度、太阳高度角、云层厚度变化等外界干扰因素导致光强和光谱变化大的问题，使得采集的光谱信息的精度有了很大提高；(4) 根据植物的特征光谱确定窄带色光的峰值波长，可更好地分辨出植物的健康程度等级。

这种监测方法简单易行，节省人力、时间和成本，拍摄采集分辨精度高，可较早地发现患病的植物并对其进行杀菌、除虫、追肥等等干预措施，从而增加植物的产出率，对于我国农业的精细化发展、农业生产率的提高有很大帮助。

附图说明

图1为本发明的利用无人机携带多光谱光源进行植物生长监测的方法流程图。

图2为本发明的利用无人机携带多光谱光源和面阵CCD光谱成像仪进行植物生长监测的工作示意图。

图3为本发明的面阵CCD光谱成像仪的扫描覆盖区域示意图。

图中标号：1为无人机，2为多光源组合，3为面阵CCD光谱成像仪，3-1为面阵CCD光谱成像仪的接收面剖面，3-2为光敏元件，4为充电桩，5为无人机配套电池，6为田地、大棚或植物工厂的种植区域，6-1为一次飞行扫描覆盖的区域(灰色阴影区)，7为种植的植物。

具体实施方式

下面通过具体实施例并结合附图对本发明进一步说明。所描述的实施例仅为本发明的部分实施例。基于本发明中的实施例而未做出创造性成果的其他所有实施例，都属于本发明的保护范围。

实施例1：图1为本发明的利用无人机携带多光谱光源进行植物生长监测的方法流程图。本实施例以种植在田地里的水稻为例，具体说明整个植物生长监测的流程步骤。

第一步，多光谱标准光源选择。

水稻的特征波长分别为491 nm，545 nm和676 nm，以这三个值作为窄带色光的峰值波长，选择标准蓝光LED、标准绿光LED、标准红光LED以及标准全光谱白光LED作为多光谱标准光源组合。

第二步，水稻光谱数据库建立。

依次采集100张健康水稻叶片、100张染病水稻叶片和100张衰老水稻叶片的色坐标和反射光谱等信息，分别求取健康叶片、染病叶片和衰老叶片区域的平均色坐标和平均反射光谱信息，建立水稻健康样本、染病样本和衰老样本数据库。

第三步，利用无人机航拍采集水稻光谱。

选择无月光或者少月光的夜晚，一般选择月初或月末，控制无人机沿设定的航线和高度进行飞行和悬停拍摄，分别开启标准蓝光LED、标准绿光LED、标准红光LED以及标准白光LED，采用面阵CCD光谱成像仪对田地里的水稻进行拍摄和信息存储；

第四步，光谱比对分析，出具报告。

将四种光源照射下水稻反射光的色坐标和反射光谱分别与四种光源照射下数据库中水稻健康样本、染病样本和衰老样本的叶片平均色坐标和平均反射光谱等信息进行比对，确认水稻叶片的生长状况，出具分析报告。

实施例2：图2为本发明的利用无人机携带多光谱光源和面阵CCD光谱成像仪进行植物生长监测的工作示意图。如图2所示，无人机1携带多光谱光源2和面阵CCD光谱成像仪3飞行在田地6的上方，按照设定航线和位置进行飞行和悬停，并对植物7进行拍摄和信息存储。田地6周围设置有充电桩4，充电桩4存有无人机配套电池5。当无人机1的电量检测装置检测到无人机1电池电量低于10%时，无人机1将自动检测定位，飞至充电桩4附近，自动更换配套电池5。

图3为本发明的面阵CCD光谱成像仪的扫描覆盖区域示意图。3-1为面阵CCD光谱成像仪接收面的一个剖面，剖面3-1中圆圈代表光敏元件3-2，这些光敏元件3-2按矩阵排列，并分别标记为A列、B列、C列、D列、E列、F列。这里仅举例说明面阵CCD光谱成像仪的扫描覆盖区域，阵列较少，实际可能有上万个阵列。同时，田地6被分为n×m 个方格，每次拍摄采集垂直与飞行反向的一条线上的方格的光谱。当摄像快门打开时，光敏元件3-2中A列采集田地6中A'格的光谱信息，B列采集田地6中B'格的光谱信息，以此类推。无人机在设定高度沿图中方向直线飞行，便可依次采集整个区域的光谱信息，见田地6灰色阴影区6-1。

采用这种方式进行扫描拍摄，扫描覆盖面积大，相较于普通线阵CCD每次只拍摄图像的一个点的光谱来说，面阵CCD光谱成像仪3可大大节省拍摄时间、降低成本，且精度高。同时，无人机1携带面阵CCD光谱成像仪3进行拍摄时，按照规定高度沿直线飞行，飞行线路简单、容易控制，有效降低无人机操作的错误率和复杂性，提高采集准确性，间接降低成本。

实施例3：本发明提及的方法也可应用于植物工厂中。

在植物工厂中，种植的植物均有固定的红蓝光LED组合光源。因此，当监测植物工厂中植物的生长状况时，首先，关闭蓝光LED，开启红光LED，无人机1仅携带面阵CCD光谱成像仪3扫描拍摄，存储图像、色坐标和反射光谱等信息。其次，关闭红光LED，开启蓝光LED，再次扫描拍摄，存储相关信息。最后，将单独红光LED、单独蓝光LED照射时存储的信息与植物数据库中对应光源照射的光谱信息进行比对分析，确认所种植物的生长状况，出具分析报告。这种情况下无需选择多光谱光源组合，可利用现有的红蓝光LED进行植物生长监测，使得植物工厂中对植物的生长监测更加便利。

Claims (7)

1.一种利用无人机携带多光谱光源进行植物生长监测的方法，其特征在于，具体步骤为：

（1）标准光源选择：根据植物种类确定植物的特征波长，选择相应的标准窄带色光组合作为多光谱标准光源；

（2）植物光谱数据库建立：用多光谱标准光源照射植物，采集不同种植物在叶片健康、染病、衰老不同生长状况下的色坐标和反射光谱信息，求取平均色坐标和平均反射光谱，建立植物光谱数据库；

（3）现场植物光谱采集：选择无月光或者少月光的夜晚，控制无人机沿设定的航线和高度进行飞行和悬停，分别开启不同颜色的窄带光源，采用面阵CCD光谱成像仪对被测植物的叶片进行拍摄和信息存储；

（4）光谱比对分析：将拍摄到的被测植物与植物数据库中同种植物的叶片色坐标和反射光谱等信息进行比对，从色坐标和反射光谱多个方面分析被测叶片的生长状况。

2.根据权利要求1所述的利用无人机携带多光谱光源进行植物生长监测的方法，其特征在于，所述标准窄带色光组合通常为RYGBW(红黄绿蓝白)多光谱组合，这些窄带光源均为标准光源，且峰值波长等于植物的特征波长。

3.根据权利要求1所述的利用无人机携带多光谱光源进行植物生长监测的方法，其特征在于，所述无人机设有控制系统，该控制系统包括导航装置、定位装置、时间采集装置及电量检测装置；

所述导航装置确定无人机的飞行方向和航线；

所述定位装置确保无人机的定位悬停；

所述时间采集装置用于计算拍摄时间及提示无人机的继续飞行；

所述电量检测装置用于检测无人机电量的使用情况，便于电池的及时更换。

4.根据权利要求3所述的利用无人机携带多光谱光源进行植物生长监测的方法，其特征在于，所述电量检测装置配套有固定的更换电池充电桩；所述电池充电桩设于田地周围、大棚内或植物工厂内周边位置，存有无人机配套电池；当电量检测装置检测到无人机电池电量低于10%时，无人机将自动检测定位，飞至充电桩附近，自动更换配套电池。

5.根据权利要求1所述的利用无人机携带多光谱光源进行植物生长监测的方法，其特征在于，所述面阵CCD光谱成像仪设有摄像镜头、光栅光谱仪、光敏元件及数据处理和存储单元；

所述摄像镜头对植物叶片进行拍摄扫描；

所述光栅光谱仪和光敏元件负责采集处理图像、色坐标和光谱等信息；

所述数据处理和存储单元用于存储植物叶片的图像、色坐标和反射光谱等信息。

6.根据权利要求1所述的利用无人机携带多光谱光源进行植物生长监测的方法，其特征在于，所述无人机携带面阵CCD光谱成像仪进行拍摄时，无人机按照规定高度沿直线飞行，便可拍摄出整个矩形扫描区域内对应的所有植物叶片的图像、色坐标和反射光谱。

7.根据权利要求1所述的利用无人机携带多光谱光源进行植物生长监测的方法，其特征在于，所述多光谱光源和面阵CCD光谱成像仪均设置在无人机上，无人机、多光谱光源和面阵CCD光谱成像仪共同构成整个植物生长监测系统。