CN107063949A - 测量雾滴沉积分布情况的方法、装置和系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种测量雾滴沉积分布情况的方法、装置和系统，该方法包括：对雾滴喷射装置下方的区域进行照明；对未有雾滴下落时的照明区域进行拍摄，得到背景图像；对有雾滴下落时的照明区域进行拍摄，得到多张雾滴图像；将每一张所述雾滴图像减去所述背景图像，得到对应的粒子灰度图像；根据各张粒子灰度图像，确定所述照明区域的雾滴沉积量分布情况。本发明提供的测量雾滴沉积分布情况的方法、装置和系统，不会干扰到风场以及雾滴的运动，适用于小范围、长时间、大流量的喷雾试验，尤其适合对旋翼下洗气流影响下的雾滴沉积分布的分析。
Description
技术领域
本发明涉及农业精准测量技术领域，尤其是涉及一种测量雾滴沉积分布情况的方法、装置和系统。
背景技术
随着现代精准农业技术的发展，植保及施药技术已广泛应用于农业领域。在森林，大田等区域的航空植保作业中，药液的地面沉积特性(Deposition)直接影响到防治效果，雾滴沉积效果的优劣通常以雾滴地面沉积量的变异系数(Coefficient of Variation)的高低来衡量。
目前，雾滴沉积率的测量方法有棉线法、水敏纸法和集雾槽法等，其中，棉线法是指以染料溶解成一定浓度的溶液进行喷雾，用棉绳收集雾滴，并用荧光分光光度计测定雾滴沉积量。这一方法的主要优势是统计范围大、布置时间快、适合于固定翼航空施药的雾滴沉积分布统计，但缺陷在于其统计的准确度较差，而且棉绳的卷动扫描装置设计复杂，还存在因棉线易饱和导致无法统计长时间、大流量的雾滴喷洒沉积率，以及大雾滴不被完全统计和小雾滴的漏统计等一系列问题。其中，水敏纸法采用水敏纸用于收集雾滴，被广泛用于农业中测量雾滴飘移等实验中。相对棉线法而言，能够获得更多的雾滴沉积信息，包括液滴粒径分布规律等，但其存在测量成本高，布置速度慢，对雾滴运动干扰大，测量空间分辨率低等问题，也存在因水敏纸易饱和导致无法统计长时间，大流量的雾滴喷洒沉积率的问题。其中的集雾槽法能够解决长时间、大流量的雾滴喷洒沉积率的问题，但其对影响雾滴运动的外部风场环境改变较大，且无法统计雾滴粒径分布规律及雾滴沉积随时间的累积变化规律。
目前农业航空植保作业中，采用多旋翼及直升机进行植保作业的方式日益发展，其雾滴沉积存在分布范围小、气流影响大、雾滴空间分布密度大等特点，而以上几种现有的雾滴沉积率测量方法存着一些缺陷，对于受旋翼下洗气流影响的多旋翼及直升机植保作业过程中雾滴沉积分布规律的研究，可靠性低。
发明内容
针对以上缺陷，本发明提供一种测量雾滴沉积分布情况的方法、装置和系统，不会干扰到风场以及雾滴的运动，适用于小范围、长时间、大流量的喷雾试验。
第一方面，本发明提供的测量雾滴沉积分布情况的方法包括：
对雾滴喷射装置下方的区域进行照明；
对未有雾滴下落时的照明区域进行拍摄，得到背景图像；
对有雾滴下落时的照明区域进行拍摄，得到多张雾滴图像；
将每一张所述雾滴图像减去所述背景图像，得到对应的粒子灰度图像；
根据各张粒子灰度图像，确定所述照明区域的雾滴沉积量分布情况。
可选的，所述根据各张粒子灰度图像，确定所述照明区域的雾滴沉积量分布情况，包括：
对各个粒子灰度图像上相同位置处的灰度值叠加后进行平均处理，得到灰度分布图像；
根据雾滴沉积量与图像灰度值之间的换算系数，得到灰度分布图像上各个位置的雾滴沉积量。
可选的，所述对各个粒子灰度图像上相同位置处的灰度值叠加后进行平均处理之前，所述方法还包括：根据第一预设阈值，对每一张粒子灰度图像上各个位置点的灰度值进行二值化处理。
可选的，还包括：
对雾滴沉积量与图像灰度值之间的换算系数进行修正。
可选的，所述根据各张粒子灰度图像，确定所述照明区域的雾滴沉积量分布情况，包括：
提取出每一张粒子灰度图像上灰度值大于第二预设阈值的位置点，并对提取出的各个位置点的灰度值赋予预设值；
对从各张粒子灰度图像中提取出的相同位置点所赋予的灰度值进行叠加后进行平均处理，得到雾滴粒子的点数分布图；
根据所述点数分布图，确定雾滴沉积量分布情况。
可选的，所述根据各张粒子灰度图像，确定所述照明区域的雾滴沉积量分布情况，包括：
根据第三预设阈值，对每一张粒子灰度图像上各个位置点的灰度值进行二值化处理，并对二值化处理后的图像中提取出雾滴粒子的中心点坐标和雾滴粒子半径；
对根据雾滴粒子的半径，对该雾滴粒子的中心点坐标赋值；
对各张二值化处理后的图像上相同中心点坐标所赋予的值进行叠加后进行平均处理；
根据平均化处理后得到的图像，确定雾滴沉积量分布情况。
可选的，所述对二值化处理后的图像中提取出雾滴粒子的中心点坐标和雾滴粒子半径，包括：
根据二值化处理后的图像中连续的第一灰度值的个数，确定所述中心点坐标和雾滴粒子半径，所述第一灰度值为表征存在雾滴粒子的灰度值。
第二方面，本发明提供的测量雾滴沉积分布情况的装置包括激光片光源、图像拍摄模块和图像处理模块，其中：
所述激光片光源用于对雾滴喷射装置下方的区域进行照明；
所述图像拍摄模块用于对未有雾滴下落时的照明区域进行拍摄，得到背景图像，以及对有雾滴下落时的照明区域进行拍摄，得到多张雾滴图像；
所述图像处理模块，与所述图像拍摄装置连接，用于将每一张所述雾滴图像减去所述背景图像，得到粒子灰度图像，并根据各张粒子灰度图像，确定所述照明区域的雾滴沉积量分布情况。
可选的，还包括：
升降台，所述激光片光源和/或所述图像拍摄模块设置在所述升降台上。
第三方面，本发明提供的测量雾滴沉积分布情况的系统包括上述的装置以及雾滴喷射装置，所述雾滴喷射装置包括无人机以及搭载在所述无人机上的压力喷头。
本发明提供的测量雾滴沉积分布情况的方法、装置和系统，对雾滴喷射装置下方的区域进行照明和拍照，然后将雾滴图像减去背景图像，以消除光强分布不均匀对测量的影响，最后根据相减得到的粒子灰度图像确定雾滴沉积量分布情况。这种基于图像处理的方式对雾滴沉积量分析，相对于现有的测量方法，不会干扰到风场以及雾滴的运动，适用于小范围、长时间、大流量的喷雾试验，尤其适合对旋翼下洗气流影响下的雾滴沉积分布的分析。
附图说明
为了更清楚地说明本公开实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本公开的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些图获得其他的附图。
图1示出了本发明一实施例中测量雾滴沉积分布情况的方法的流程示意图；
图2示出了本发明一实施例中测量雾滴沉积分布情况的系统的结构示意图；
图3示出了在无风条件下拍摄的一张雾滴图像减去背景图像后得到的粒子灰度图像；
图4示出了1000张图3示出的粒子灰度图叠加后得到的图像；
图5示出了图4中在纵向-280mm处灰度值归一化后的分布示意图；
图6示出了在无人机的旋翼转速为3000rpm时的一张粒子灰度图像；
图7示出了1000张图6的粒子灰度图像叠加后的图像在纵向-280mm处灰度值经归一化处理后的分布示意图；
1-激光片光源；2-图像拍摄模块；3-图像处理模块；4-无人机；5-喷雾控制模块；6-喷头。
具体实施方式
下面将结合本公开实施例中的附图，对本公开实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本公开中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本公开保护的范围。
第一方面，本发明提供一种测量雾滴沉积分布情况的方法，如图1所示，该方法包括：
S1、对雾滴喷射装置下方的区域进行照明；
可理解的是，雾滴喷射装置下方的区域，也就是雾滴下落经过的区域。在S1中，可以但不限于采用激光片光源(例如1mm激光片光源)作为高能瞬态光源进行雾滴照明，激光片光源在雾滴喷射装置下方的区域形成片光。这里如果采用激光片光源进行照明，则可以通过调节激光片光源的位置，完成不同空间切片下的雾滴分布统计，因此具有较强的灵活性。
S2、对未有雾滴下落时的照明区域进行拍摄，得到背景图像；
可理解的是，由于是对照明区域进行拍摄，因此在拍摄背景图像时，雾滴喷射装置下方的区域处于被照明的状态。
S3、对有雾滴下落时的照明区域进行拍摄，得到多张雾滴图像；
可理解的是，由于是对照明区域进行拍摄，因此在拍摄雾滴图像时，雾滴喷射装置下方的区域处于被照明的状态。
在具体实施时，雾滴图像的张数可以根据需要选择，张数越多，越能精准的确定雾滴沉积分布情况。为了能够较准确的反映雾滴沉积分布情况，尽量在雾滴喷射装置稳定喷射雾滴过程中拍摄雾滴图像。
S4、将每一张所述雾滴图像减去所述背景图像，得到对应的粒子灰度图像；
可理解的是，这里将一张雾滴图像减去背景图像，便得到一张粒子灰度图像。这里，通过雾滴图像减去背景图像的方式，可以消除空间光强分布的不均匀性对测量结果的影响。
S5、根据各张粒子灰度图像，确定所述照明区域的雾滴沉积量分布情况。
这里，根据各张粒子灰度图像，便可以得到雾滴沉积量的分布情况，S5有多种实现方式，例如采用图像后处理手段对粒子灰度图像进行处理，提取雾滴的空间分布密度，将雾滴体积和雾滴散射光光强进行对应，得到雾滴的沉积分布情况。针对不同的情况，S5可以采用不同的方式对此本发明不做限定。
本发明提供的测量雾滴沉积分布情况的方法中，对雾滴喷射装置下方的区域进行照明和拍照，然后将雾滴图像减去背景图像，以消除光强分布不均匀对测量的影响，最后根据相减得到的粒子灰度图像确定雾滴沉积量分布情况。这种基于图像处理的方式对雾滴沉积量分析，相对于现有的测量方法，不会干扰到风场以及雾滴的运动，适用于小范围、长时间、大流量的喷雾试验，尤其适合对旋翼下洗气流影响下的雾滴沉积分布的分析。
在具体实施时，可以采用高速相机对照明区域进行拍摄，利用高速相机的高帧率拍摄技术能够在较短时间内获得最后的雾滴图像以便进行统计平均处理。在拍摄得到的雾滴图像应尽量保证雾滴周围没有光晕这一质量要求。
在具体实施时，S5的具体过程可以包括：
S51a、对各个粒子灰度图像上相同位置处的灰度值叠加后进行平均处理，得到灰度分布图像；
S52a、根据雾滴沉积量与图像灰度值之间的换算系数，得到灰度分布图像上各个位置的雾滴沉积量。
举例来说，针对1000张粒子灰度图像，将各张粒子灰度图像的纵向-280mm处相同位置处的灰度值叠加后平均处理，便得到在纵向-280mm处的灰度分布图。依照此方法，可以得到在每一个纵向横剖面的灰度分布图，进而得到整个灰度分布图像。
上述方法是基于图像亮度确定雾滴沉积，不仅计算速度快，而且适用性广。
在具体实施时，S5的具体过程可以包括：
S51b、根据第一预设阈值，对每一张粒子灰度图像上各个位置点的灰度值进行二值化处理；
S52b、对二值化处理后的各个粒子灰度图像上相同位置处的灰度值叠加后进行平均处理，得到灰度分布图像；
S53b、根据雾滴沉积量与图像灰度值之间的换算系数，得到灰度分布图像上各个位置的雾滴沉积量。
举例来说，针对1000张粒子灰度图像，将各张粒子灰度图像的纵向-280mm上各个位置的灰度值进行二值化处理，然后二值化处理后纵向-280mm上相同位置点的灰度值叠加后平均化，得到纵向-280mm上的灰度分布情况。依据该方法，得到每一个纵向横剖面的灰度分布情况，进而得到整个灰度分布图像。
通过与上一方法对比，可知此方法与上一方法的区别在于，本方法在对各个粒子灰度图像上相同位置处的灰度值叠加后进行平均处理之前，对每一张粒子灰度图像上各个位置点的灰度值进行二值化处理。这一方法相当于对上一方法的补充，适用于粒子图像亮度部分饱和的情况。
在以上两种方法中，为了进一步提高测量精度，还可以对雾滴沉积量与图像灰度值之间的换算系数进行修正。具体可以采用传统方式测得沉积量分布结果与本发明得到的灰度分布情况进行对比，对换算系数进行修正，进而利用修正后的换算系数进行换算得到雾滴沉积量分布情况。
在具体实施时，S5的具体过程可以包括：
S51c、提取出每一张粒子灰度图像上灰度值大于第二预设阈值的位置点，并对提取出的各个位置点的灰度值赋予预设值；
S52c、对从各张粒子灰度图像中提取出的相同位置点所赋予的灰度值进行叠加后进行平均处理，得到雾滴粒子的点数分布图；
S53c、根据所述点数分布图，确定雾滴沉积量分布情况。
以上方法提取出灰度值大于第二预设阈值(例如，1)的位置点，然后将各张粒子灰度图像上相同位置点所被赋予的灰度值进行得加后进行平均处理，便得到粒子点数的分布图，该方法适用于雾滴粒径变化不大的情况，通过统计点数分布图，然后基于粒子点数确定雾滴沉积量的分布情况。
在具体实施时，S5的具体过程可以包括：
S51d、根据第三预设阈值，对每一张粒子灰度图像上各个位置点的灰度值进行二值化处理，并对二值化处理后的图像中提取出雾滴粒子的中心点坐标和雾滴粒子半径；
在具体实施时，可以根据二值化处理后的图像中连续的第一灰度值的个数，确定所述中心点坐标和雾滴粒子半径，所述第一灰度值为表征存在雾滴粒子的灰度值。举例来说，假设二值化处理后1代表存在雾滴粒子，则同一纵向处连续1的个数代表雾滴粒子的直径，中间的1的位置为中心点坐标。
S52d、对根据雾滴粒子的半径，对该雾滴粒子的中心点坐标赋值；
S53d、对各张二值化处理后的图像上相同中心点坐标所赋予的值进行叠加后进行平均处理；
S54d、根据平均化处理后得到的图像，确定雾滴沉积量分布情况。
以上方法，首先对各张粒子灰度图像进行二值化处理，然后从每一张二值化得到的图像中提取出雾滴粒子的中心点坐标和粒子半径。不同的半径，对中心点坐标赋予不同的灰度值。然后将各张二值化处理后的图像上相同中心点坐标被赋予的值进行叠加和平均化处理，最后根据平均化处理得到图像，确定雾滴沉积量分布。该方法适用于雾滴粒径变化比较大的情况。
以上提供了四种S5的可选实现方式，当然在具体实施时不限于以上四种方式。不同的方式，雾滴空间沉积分布的计算精度不同。
第二方面，本发明还提供一种测量雾滴沉积分布情况的装置，如图2所示，该装置包括激光片光源1、图像拍摄模块2和图像处理模块3，其中：
所述激光片光源1用于对雾滴喷射装置下方的区域进行照明；
所述图像拍摄模块2用于对未有雾滴下落时的照明区域进行拍摄，得到背景图像，以及对有雾滴下落时的照明区域进行拍摄，得到多张雾滴图像；
所述图像处理模块3，与所述图像拍摄装置连接，用于将每一张所述雾滴图像减去所述背景图像，得到粒子灰度图像，并根据各张粒子灰度图像，确定所述照明区域的雾滴沉积量分布情况。
在具体实施时，还可以将激光片光源1和/或所述图像拍摄模块2设置在升降台上，以便对激光片光源1和/或所述图像拍摄模块2的高度进行调节。
可理解的是，本发明提供的测量雾滴沉积分布情况的装置中有关内容的解释说明、可选实施方式、有益效果等部分可以参考本发明提供的测量雾滴沉积分布情况的方法中的相应部分，这里不再赘述。
第三方面，本发明还提供一种测量雾滴沉积分布情况的系统，如图2所示，该系统中包括上述测量雾滴沉积分布情况的装置以及雾滴喷射装置，所述雾滴喷射装置包括无人机4以及搭载在所述无人机4上的压力喷头6。
在具体实施时，还可以设置喷头控制模块5，对喷头6的喷射工作进行控制。
在具体实施时，无人机4可以采用AT-8八旋翼机型，所搭载的喷头6，例如型号为LECHER RT-80。
在具体实施时，还可以设置同步器，连接图像拍摄模块和激光片光源，以使图像的拍摄和激光片光源的照射同步进行。
举例说明，雾滴大小100微米，单束激光器能量20毫焦，单束激光器的拍摄范围500mm*500mm，使得单个雾滴的成像半径在1～2个像素之间。
首先，在无风条件下进行拍摄，拍摄频率为1khz，减去背景图像后得到的粒子灰度图像，如图3所示。将得到的1000张粒子灰度图像进行叠加，并在纵向-280mm处取横剖面，如图4所示。对图4中虚线横截面处可获得沿横向的灰度分布，对灰度值进行归一化后，得到图5示出的分布图。从图5中可以看出，雾滴的核心沉积影响区域范围约为240mm，在该范围外，雾滴沉积量下降为该范围内的50％以下。
然后，拍摄旋翼转速为3000RPM时的粒子灰度图像，如图6所示。将拍摄的1000张粒子灰度图像进行叠加后在纵向-280mm处取横剖面，然后进行归一化处理后，得到的灰度分布图如图7所示，从图7中可以看出雾滴沉积影响的区域范围为360mm，相对于无风条件下的影响区域范围扩大了约1.5倍。
本发明的说明书中，说明了大量具体细节。然而，能够理解，本发明的实施例可以在没有这些具体细节的情况下实践。在一些实例中，并未详细示出公知的方法、结构和技术，以便不模糊对本说明书的理解。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解；其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (10)
1.一种测量雾滴沉积分布情况的方法，其特征在于，包括：
对雾滴喷射装置下方的区域进行照明；
对未有雾滴下落时的照明区域进行拍摄，得到背景图像；
对有雾滴下落时的照明区域进行拍摄，得到多张雾滴图像；
将每一张所述雾滴图像减去所述背景图像，得到对应的粒子灰度图像；
根据各张粒子灰度图像，确定所述照明区域的雾滴沉积量分布情况。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据各张粒子灰度图像，确定所述照明区域的雾滴沉积量分布情况，包括：
对各个粒子灰度图像上相同位置处的灰度值叠加后进行平均处理，得到灰度分布图像；
根据雾滴沉积量与图像灰度值之间的换算系数，得到灰度分布图像上各个位置的雾滴沉积量。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述对各个粒子灰度图像上相同位置处的灰度值叠加后进行平均处理之前，所述方法还包括：根据第一预设阈值，对每一张粒子灰度图像上各个位置点的灰度值进行二值化处理。
4.根据权利要求2或3所述的方法，其特征在于，还包括：
对雾滴沉积量与图像灰度值之间的换算系数进行修正。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据各张粒子灰度图像，确定所述照明区域的雾滴沉积量分布情况，包括：
提取出每一张粒子灰度图像上灰度值大于第二预设阈值的位置点，并对提取出的各个位置点的灰度值赋予预设值；
对从各张粒子灰度图像中提取出的相同位置点所赋予的灰度值进行叠加后进行平均处理，得到雾滴粒子的点数分布图；
根据所述点数分布图，确定雾滴沉积量分布情况。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据各张粒子灰度图像，确定所述照明区域的雾滴沉积量分布情况，包括：
根据第三预设阈值，对每一张粒子灰度图像上各个位置点的灰度值进行二值化处理，并对二值化处理后的图像中提取出雾滴粒子的中心点坐标和雾滴粒子半径；
对根据雾滴粒子的半径，对该雾滴粒子的中心点坐标赋值；
对各张二值化处理后的图像上相同中心点坐标所赋予的值进行叠加后进行平均处理；
根据平均化处理后得到的图像，确定雾滴沉积量分布情况。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述对二值化处理后的图像中提取出雾滴粒子的中心点坐标和雾滴粒子半径，包括：
根据二值化处理后的图像中连续的第一灰度值的个数，确定所述中心点坐标和雾滴粒子半径，所述第一灰度值为表征存在雾滴粒子的灰度值。
8.一种测量雾滴沉积分布情况的装置，其特征在于，包括激光片光源、图像拍摄模块和图像处理模块，其中：
所述激光片光源用于对雾滴喷射装置下方的区域进行照明；
所述图像拍摄模块用于对未有雾滴下落时的照明区域进行拍摄，得到背景图像，以及对有雾滴下落时的照明区域进行拍摄，得到多张雾滴图像；
所述图像处理模块，与所述图像拍摄装置连接，用于将每一张所述雾滴图像减去所述背景图像，得到粒子灰度图像，并根据各张粒子灰度图像，确定所述照明区域的雾滴沉积量分布情况。
9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，还包括：
升降台，所述激光片光源和/或所述图像拍摄模块设置在所述升降台上。
10.一种测量雾滴沉积分布情况的系统，其特征在于，包括权利要求8或9所述的装置以及雾滴喷射装置，所述雾滴喷射装置包括无人机以及搭载在所述无人机上的压力喷头。
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