CN107238574A - 面向棉花靶向施肥的植株长势检测与诊断方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种农业生产和检测领域中面向棉花靶向施肥的植株长势检测与诊断方法，在棉花开花结果前，测量棉花种植区域四边界线的GPS坐标值，规划搭载有图像采集设备和超声波测距设备的无人机飞行的采集路线、悬停拍摄点的GPS坐标值和飞行平面距离地面的距离，图像采集设备在各个悬停拍摄点拍摄棉株图片，超声波测距设备测量棉株顶部距离飞行平面的距离；计算机计算出棉株的高度和透光率，将棉株的高度和透光率分别与阀值作比较，若棉株高度或透光率任一诊断指标出现异常，就表示该区域棉株长势出现异常；本发明实现大面积棉花植株长势靶向性诊断，识别出长势较弱或较强局部地区，提高了自动化程度，为棉花种植管理提供有效的依据。

Description

面向棉花靶向施肥的植株长势检测与诊断方法

技术领域

本发明涉及农业生产和检测领域，尤其涉及棉花植株的长势检测与诊断方法，便于向棉花靶向施肥。

背景技术

目前，农作物植株生长状态监测手段主要有卫星遥感监测和人为实地观察监测。例如专利申请号为201310576604.6、名称为“冬小麦扬花期赤霉病遥感监测方法”的文献中公开的遥感监测方法，是凭借冬小麦扬花期的两种卫星遥感植被指数和麦田日均气温数据对冬小麦扬花期赤霉病发生情况进行监测。但是该方法主要由卫星遥感监测，卫星、航空遥感技术受重访周期长、影像空间分辨率低、起飞条件要求高以及花费昂贵等因素制约，难以推广。而人为观察监测的效率较低、监测范围和样本量有限，导致结果误差大。

棉花是种植生产中产业链最长的大田农作物，是必不缺少的生活必需品原料，是仅次于粮食的第二大宗农作和生产的主要原料，在农业经济中占有重要地位。然而，棉花植株会因为土地的贫瘠造成不同区域的长势不同。棉花种植与一般农作物种植管理有着较大的差异，在棉花开花结果之前，不仅仅需要对发育不良的棉花植株采取增肥措施，也要对发育超常的植株采取抑制措施，最终保证棉花产量。为了保证棉花产量，在棉株生长过程中需要消灭大小苗。另外，在棉花植株结铃之前，需要保证棉花植株长势稳定和植株叶在合理范围，保证阳光的透光率，防止棉铃腐烂。因此，在棉株生长过程中监测棉株的长势非常重要，对小苗使用偏心肥，对大苗和绿叶茂盛的棉花植株喷洒抑制剂。目前，棉花种植主要采取人为观察方法，但是人为观察方法主要适合于小面积种植且判断误差较大，而遥感方法又难以推广。

发明内容

本发明的目的是解决现有棉花植株长势检测方法存在的问题，提出一种借助于无人机进行棉花种植区域信息采样、适合于大面积监控棉花植株长势的面向棉花靶向施肥的植株长势检测与诊断方法，以确保棉花植株长势均匀一致，避免长势太茂盛和太弱小都影响棉花结果的问题。

本发明面向棉花靶向施肥的植株长势检测与诊断方法采用的技术方案是包括以下步骤：

A、在棉花开花结果前，测量棉花种植区域四边界线的GPS坐标值，规划搭载有图像采集设备和超声波测距设备的无人机飞行的采集路线、悬停拍摄点的GPS坐标值和飞行平面距离地面的距离S，

B、图像采集设备在各个悬停拍摄点拍摄棉株图片，超声波测距设备测量棉株顶部距离飞行平面的距离S ₁ ；将棉株图片及对应的GPS坐标值、距离S ₁ 及对应的GPS坐标值和距离S都传入至计算机中；

C、计算机通过公式计算出棉株的高度H；对棉株图片进行二值化处理，将图片均匀化分割为m份小区域，计算出每份小区域的像素总数值、占空比和透光率， l为像素点数量，为第i个像素点的数值；

D、将棉株的高度H与计算机中预设的高度上限值H ₂ 和高度下限值H ₁ 比较，当H> H ₂ 时，表示棉株高度较高，长势较强；当H ₁ ≥H≥H ₂ 时，表示棉株长势合理；当H< H ₁ 时，表示棉株高度较矮，长势较弱；将棉株的透光率与预设的透光率上限值σ ₂ 和透光率下限值σ ₁ 比较，当σ<σ ₁ 时，表示棉株的透光率较低，长势较强；当σ ₁ ≤σ≤σ ₂ 时，表示棉株长势合理；当σ>σ ₂ 时，表示棉株透光率较大，长势较弱。

本发明与已有方法和技术相比，具有如下优点：

1、与人为观察相比，本发明针对棉田面积大，人工获取棉花长势信息难的问题，借助成本低廉的无人机为载体，在无人机上安装信息采集装置进行棉花种植区域信息采样，通过无人机巡航、图像处理、GPS定位及超声波测距等手段获取棉花植株长势信息，通过计算机的上位机再分析采集的信息，实现了大面积棉花植株长势靶向性诊断，识别出长势较弱或较强局部地区，提高了自动化程度，降低劳动强度，提高信息获取效率，为棉花种植管理提供有效的依据。

2、本发明针对棉花开花结果前植株长势靶向诊断问题，运用图像处理技术有效识别出棉花植株高度和透光率异常区域，依据棉花植株高度和棉花植株透光率来判断。种植人员可根据长势不同的区域采取不同的管理措施，确保棉花植株长势均匀一致，避免长势太茂盛和太弱小都影响棉花结果的问题，可大大提高棉花产量。

3、本发明运用GPS定位信息，确定棉花长势太茂盛和太弱小区域的位置，为植保人员提供靶向施肥的有效信息，实现棉花植株长势均匀性的有效管理。

附图说明

图1是本发明面向棉花靶向施肥的植株长势检测与诊断方法所采用的无人机对棉花种植区域进行信息采集的状态图；

图2是图1中无人机的底部结构放大示意图；

图3是图1中无人机的控制电路内部结构及其外接图；

图4是本发明面向棉花靶向施肥的植株长势检测与诊断方法的流程图；

图5是图4中无人机对棉花种植区域进行信息采集的路线规划示意图；

图中：1.无人机底板；2.超声波测距设备；3.图像采集设备支架；5.图像采集设备；6.无人机；7.控制盒；8.棉花种植区域；9.单次图像采集区域；12.棉株；13.电源；14.电源变换模块；15.通信接口；16.GPS模块；17.主控模块；18.飞行控制模块；20.固定架。

具体实施方式

参见图1，本发明使用具有自动巡航功能的无人机6飞行在棉花种植区域8的上空拍摄，拍摄棉花种植区域8中每个单次图像采集区域9内的棉株12图像。在无人机6中上部安装控制盒7。

参见2所示，无人机6的底部是无人机底板1，无人机底板1的底面上固定连接超声波测距设备2和图像采集设备支架3，图像采集设备支架3通过固定架20固定连接图像采集设备5，避免因航拍时的抖动而导致图片模糊。图像采集设备5的摆放角度为正对着大地，能对棉株12的进行俯视拍摄。超声波测距设备2内设有超声波发射器和超声波接收器，利用超声波回波测距原理，能测量其距离棉株12顶端的距离。超声波发射器竖直向下向棉株12发射超声波，在发射时刻的同时计数器开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到棉株12顶端的阻挡就立即反射回来，超声波接收器收到反射回来的超声波就立即停止计时，并记录两者时间差t，由于超声波在空气中的速度已知，根据计时器记录的时间，即可得超声波测距设备2与棉株12顶端之间的垂直高度，也就是无人机6的飞行平面距离棉株12的垂直距离，其中，v是超声波在空气中的传播速度（340m/s）。

参见图3所示，控制盒7内部具有控制电路，控制电路封装于控制盒7中。控制电路包括主控模块17、GPS模块16、飞行控制模块18和电源变换模块14。主控模块17通过电源变换模块14连接电源13。主控模块17还分别连接通信接口15、GPS模块16、飞行控制模块18、图像采集设备5和超声波测距设备2。主控模块17能控制GPS模块16和飞行控制模块18实现无人机6自动巡航和定点悬停，主控模块17还控制图像采集设备5进行图片采集，图像采集设备5将采集的图片输入主控模块17进行保存；主控模块17同时控制超声波测距设备2测量棉株12顶部距离无人机6飞行平面之间的垂直距离，超声波测距设备2将垂直距离的信息输入主控模块17进行保存。通信接口15能将无人机6采样获得的信息传输至计算机中。

本发明主要在棉花开花结果前利用无人机6采集棉株12的高度和透光率信息，利用计算机上位机软件通过棉株12高度和透光率诊断棉株12长势。若棉株12高度或透光率任一诊断指标出现异常，就表示该区域棉株12长势出现异常，种植员则根据诊断结果采取相应措施保证棉株12长势均匀，提高棉花产量。棉花农作物是一种独特的农作物，需要在棉株12处于苗期时保持棉株12植株长势适中且均匀，不能出现棉株12长势弱或强的植株12，否则将会影响棉花的产量。参见图4，本发明的具体流程如下：

在棉花开花结果前，先通过人工测量棉花种植区域8四边界线的GPS坐标值，根据测量的四边界线的GPS坐标值人工规划制定无人机6飞行的采集路线、无人机6的悬停拍摄点的GPS坐标值以及无人机6的飞行平面距离地面的距离S，该距离S即人为设定的飞行高度S。再把规划的路线、悬停拍摄点GPS坐标值和飞行高度S通过通信接口15传输至无人机6的主控模块17中，使无人机6自动巡航。本发明规定无人机6飞行的采集路线是在棉花种植区域8内来回不重复的连续的矩形路线，并在矩形的每个转向点规划为一个悬停拍摄点，同时在矩形的长边上规划多个悬停拍摄点。如图5所示，在棉花种植区域8，无人机6在GPS模块16和飞行控制模块18控制下，从规划的右边起始采集点开始直线飞行，同时无人机6搭载的图像采集设备5在规划的各个悬停拍摄点拍摄棉株12图片。在飞行过程中，超声波测距设备2以固定时间间隔进行超声测距，测量棉株12顶部距离飞行平面的距离，测得的棉株12顶部距离飞行平面的距离与该处测距点的GPS坐标值存储为一个数据包，保存在主控模块17中。当直线飞行至棉花种植区域8左边界时，逆时针旋转90°，飞行固定距离后再逆时针旋转90°直线飞行，并在规划的各个悬停采集点拍摄棉株12的图片；当直线飞行至棉花种植区域8左边界时，顺时针旋转90°，飞行固定距离后再顺时针旋转90°，如此来回不重复地连续飞行并拍摄，完成整个棉花种植区域8的棉株12的图片拍摄。拍摄的图片与悬停拍摄点的GPS坐标值存储为一个数据包，保存在主控模块17中。

无人机6自动巡航结束后，自动飞回并降落。将无人机6的控制盒7通过通信接口15与计算机相连，将拍摄的棉株12的图片、棉株12顶部距离无人机6飞行平面之间的垂直距离以及相对应的GPS坐标值、无人机6的飞行平面距离地面的距离S都传入至计算机中，拍摄的棉株12的每幅图片都用悬停拍摄点的GPS坐标值进行编号。

计算机对输入的信息进行处理，通过无人机6飞行平面与地平面之间的距离S和棉株12顶部距离飞行平面的距离S ₁ 计算得到棉株12的高度H：。

计算机将图像采集设备5拍摄的棉花种植区域8的棉株12的图片先进行二值化处理，棉株12为白色，背景为黑色，白色用255表示，黑色用0表示；然后将图片均匀化分割为m份小区域，每份小区域中约有两至三株棉株12，并按序编号，每份小区域的像素总数值，其中，l为像素点数量，为第i个像素点的数值。最后根据像素总数值计算出棉株12的占空比和透光率。

计算机根据棉株12的高度H和透光率进行长势靶向性诊断。棉株12长势主要依据于棉株12的高度H和透光率进行诊断，只要高度H和透光率两者中的任意一者出现异常情况即认为该区域的棉株12长势异常，再根据诊断结果采取相应措施，具体诊断方法描述如下：

计算机将棉株12的高度H分别与计算机中预设的高度上限值H ₂ 和高度下限值H ₁ 的阀值进行作比较，阀值H ₁ 和H ₂ 需要根据种植的棉花品种确定。当H> H ₂ 时，表示棉株12高度较高，棉株12长势较强；当H ₁ ≥H≥H ₂ 时，表示棉株12高度处于合理范围，即棉株12长势合理；当H<H ₁ 时，表示棉株12高度较矮，即棉株12长势较弱；其中，棉株12长势较强或较弱都为异常。若棉株12长势异常，则计算机记录下异常区域的编号及其对应图片的GPS坐标值。

计算机将棉株12的透光率与分别与计算机中预设的透光率上限值σ ₂ 和透光率下限值σ ₁ 的阀值进行作比较，阀值σ ₁ 和σ ₂ 需要根据种植的棉花品种确定。当σ<σ ₁ 时，表示该区域棉株12的透光率较低，即棉株12长势较强；当σ ₁ ≤σ≤σ ₂ 时，表示该区域棉株12的透光率处于合理范围，即棉株12长势合理；当σ>σ ₂ 时，表示该区域棉株12的透光率较大，即棉株12长势较弱；其中，棉株12长势较强或较弱都为异常。若出现棉株12长势异常，则计算机记录下棉株12透光率异常区域的序号及其对应图片的GPS坐标值。

种植员通过计算机查询棉株12长势异常区域的GPS坐标值，对棉花种植区域8进行靶向性施肥措施。对棉株12高度较高和透光率较低的区域喷洒抑制剂，对棉株12高度较低和透光率较大的区域喷洒偏心肥。最终，使得整个棉花种植区域8的棉株12长势均匀一致，保证棉花的最终产量。

Claims (5)

1.一种面向棉花靶向施肥的植株长势检测与诊断方法，其特征是包括以下步骤：

A、在棉花开花结果前，测量棉花种植区域四边界线的GPS坐标值，规划搭载有图像采集设备和超声波测距设备的无人机飞行的采集路线、悬停拍摄点的GPS坐标值和飞行平面距离地面的距离S，

B、图像采集设备在各个悬停拍摄点拍摄棉株图片，超声波测距设备测量棉株顶部距离飞行平面的距离S ₁ ；将棉株图片及对应的GPS坐标值、距离S ₁ 及对应的GPS坐标值和距离S都传入至计算机中；

C、计算机通过公式计算出棉株的高度H；对棉株图片进行二值化处理，将图片均匀化分割为m份小区域，计算出每份小区域的像素总数值、占空比和透光率，l为像素点数量，为第i个像素点的数值；

D、将棉株的高度H与计算机中预设的高度上限值H ₂ 和高度下限值H ₁ 比较，当H> H ₂ 时，表示棉株高度较高，长势较强；当H ₁ ≥H≥H ₂ 时，表示棉株长势合理；当H< H ₁ 时，表示棉株高度较矮，长势较弱；将棉株的透光率与预设的透光率上限值σ ₂ 和透光率下限值σ ₁ 比较，当σ<σ ₁ 时，表示棉株的透光率较低，长势较强；当σ ₁ ≤σ≤σ ₂ 时，表示棉株长势合理；当σ>σ ₂ 时，表示棉株透光率较大，长势较弱。

2.根据权利要求1所述的面向棉花靶向施肥的植株长势检测与诊断方法，其特征是：步骤D中，若棉株长势异常，计算机记录下异常区域的编号及其对应图片的GPS坐标值，通过计算机查询棉株长势异常区域的GPS坐标值，对棉花种植区域进行靶向施肥。

3.根据权利要求2所述的面向棉花靶向施肥的植株长势检测与诊断方法，其特征是：对棉株高度较高和透光率较低的区域喷洒抑制剂，对棉株高度较低和透光率较大的区域喷洒偏心肥。

4.根据权利要求1所述的面向棉花靶向施肥的植株长势检测与诊断方法，其特征是：步骤A中，规定无人机飞行的采集路线是在棉花种植区域内来回不重复的连续的矩形路线，在矩形的每个转向点规划为一个悬停拍摄点，在矩形的长边上规划多个悬停拍摄点。

5.根据权利要求1所述的面向棉花靶向施肥的植株长势检测与诊断方法，其特征是：步骤C中，m份小区域中的每份小区域中约有两至三株棉株。