CN107341735A - 一种农业生态信息监测方法和系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种农业生态信息监测方法，通过构建生态信息数据处理平台，构建行政区域的三维地理模型，通过双目式图像采集平台获得植物的三维植物模型，生态信息服务器根据三维地理模型中的地理数据获取三维植物模型的植株高度信息、植株密度信息及植物覆盖度信息，生态信息服务器根据三维植物模型随时间的变化得到植物的生长变化信息。本发明所述的监测方法提供一种可监控植物生长过程中受气候调节影响程度的方案，并通过气象台气象数据对特定区域的植物生长做出预警。
Description
技术领域
本发明涉及农业生态信息监测、分析、预计方法，特别涉及基于双目视觉的植被高度检测系统及检测方法。
背景技术
植物受到光照、降雨、降雪及温度等气象条件的影响下，其生长速度、植株茂密程度及植物的覆盖程度都会相应变化，研究这些常规气象条件对特定范围内特定植物的影响，对植物生长的监测、预警具有重大意义。
发明内容
（一）发明目的：为解决上述现有技术中存在的问题，本发明的目的是提供一种可监控植物生长过程中受气候调节影响程度的方案，并通过气象台气象数据对特定区域的植物生长做出预警。
（二）技术方案：为了解决上述技术问题，本技术方案提供一种农业生态信息监测方法，包括如下步骤：
S1：构建生态信息数据处理平台，包括生态信息服务器、气象台及双目式图像采集平台；
S2：生态信息服务器下载行政区域的DEM数据，构建行政区域的三维地理模型；
S3：生态信息服务器将气象台的坐标信息载入至三维地理模型中；
S4：双目式图像采集平台将数字图像发送至生态信息服务器，生态信息服务器根据双目标定法对数字图像数据进行校正并获得植物的三维植物模型；
S5：生态信息服务器根据三维地理模型中的地理数据获取三维植物模型的植株高度信息、植株密度信息及植物覆盖度信息，生态信息服务器根据三维植物模型随时间的变化得到植物的生长变化信息。
优选的，气象台用于采集目标区域内的气象数据并将气象数据发送至生态信息服务器，双目式图像采集平台用于采集目标区域内植物的数字图像数据并将数字图像数据发送至生态信息服务器，生态信息服务器用于汇总、存储和分析气象数据，生态信息服务器用于汇总、存储和分析数字图像数据，生态信息服务器用于分析气象数据对植物生长变化的影响。
优选的，双目式图像采集平台包括两台CCD相机、相机支架、支架导轨、步进电机、方位调整台、数据发送单元、GPS定位单元和测距遥感单元；
两台CCD相机与相机支架连接，相机支架安装在支架导轨上并沿支架导轨平移/固定，相机支架与步进电机连接，步进电机控制相机支架每次位移相等的距离，支架导轨设置在方位调整台表面；
方位调整台与相机支架调整CCD相机的垂直度，两台CCD相机安装高度相同，两台CCD相机的安装间距为1-5cm，两台CCD相机的初始状态相同；
GPS定位单元通过卫星获取CCD相机的位置信息，该位置信息用于将CCD采集的数字图像数据匹配至三维地理模型中；
测距遥感单元通过遥感雷达获取目标植物与CCD相机的水平距离；
数据发送单元将双目式图像采集平台的数据发送至生态信息服务器。
优选的，行政区域的三维地理模型的构建方法包括：
S201：选定目标区域并下载目标区域内的DEM高程数据；
S202：通过Global mapper系统将DEM高程数据转化为UTM数据；
S203：通过3DMAX系统将DEM的UTM数据保存为OBJ格式；
S204：通过3DMAX系统生成目标区域的三维地理模型。
优选的，气象台采集的气象数据包括：降雨量、降雨时长、降雪量、化雪时长、辐照强度、辐照时长、风速、地表温度、冻土时长。
优选的，双目标定法包括如下步骤：
S401：对同时拍摄的一组数字图像进行校正，消除透视光学畸变影响；
S402：对消除光学畸变影响的一组数字图像进行平面重投影，使其落在公共平面上；
S403：将投影的数字图像与两个摄像机进行水平对准处理；
S404：将处理后的一组数字图像进行立体图像匹配；
S405：将匹配的立体图像进行三维重建，还原植物的三维坐标，得到植物的植株高度信息、植株密度信息及植物覆盖度信息。
一种农业生态信息监测系统，包括生态信息服务器、气象台及双目式图像采集平台；
气象台用于采集目标区域内的气象数据并将气象数据发送至生态信息服务器，双目式图像采集平台用于采集目标区域内植物的数字图像数据并将数字图像数据发送至生态信息服务器，生态信息服务器用于汇总、存储和分析气象数据，生态信息服务器用于汇总、存储和分析数字图像数据，生态信息服务器用于分析气象数据对植物生长变化的影响。
优选的，双目式图像采集平台包括：两台CCD相机、相机支架、支架导轨、步进电机、方位调整台、数据发送单元、GPS定位单元和测距遥感单元；
两台CCD相机与相机支架连接，相机支架安装在支架导轨上并沿支架导轨平移/固定，相机支架与步进电机连接，步进电机控制相机支架每次位移相等的距离，支架导轨设置在方位调整台表面；
方位调整台与相机支架调整CCD相机的垂直度，两台CCD相机安装高度相同，两台CCD相机的安装间距为1-5cm，两台CCD相机的初始状态相同；
GPS定位单元通过卫星获取CCD相机的位置信息，该位置信息用于将CCD采集的数字图像数据匹配至三维地理模型中；
测距遥感单元通过遥感雷达获取目标植物与CCD相机的水平距离；
数据发送单元将双目式图像采集平台的数据发送至生态信息服务器。
（三）有益效果：本发明提供的一种农业生态信息监测方法具有以下优点：
（1）构建生态信息数据处理平台，通过双目式图像采集平台采集目标区域内植物的数字图像并合成三维植物模型，利用下载的DEM数据构建三维地理模型，将三维植物模型载入至三维地理模型，并生成三维植物模型随时间的变化结果；
（2）将气象台的气象数据细分为降雨、降雪、辐照、温度等多个气象条件，将气象条件根据三维地理模型的地理背景网格生成气象单元数据，通过气象单元数据与三维植物模型随时间的变化结果匹配得到气象单元数据对植物的整体影响；
（3）根据气象单元数据对植物的历史影响结果，通过现有的气象数据对目标区域内的植物做出预警信息。
附图说明
图1是本发明的一种农业生态信息监测方法的流程框图；
图2是本发明的一种农业生态信息监测的原理框图；
图3是本发明双目式图像采集平台一个优选的实施例的结构图；
01-固定架；02A-第一固定杆；02B-第二固定杆；03-旋转轴；04-摄像机；05-防雨雪罩；06-距离感应器。
具体实施方式
下面结合优选的实施例对本发明做进一步详细说明，在以下的描述中阐述了更多的细节以便于充分理解本发明，但是，本发明显然能够以多种不同于此描述的其他方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下根据实际应用情况作类似推广、演绎，因此不应以此具体实施例的内容限制本发明的保护范围。
图1-3是本发明的实施例的示意图，需要注意的是，此附图仅作为示例，并非是按照等比例的条件绘制的，并且不应该以此作为对本发明的实际要求保护范围构成限制。
本发明所要解决的技术问题是常规气象条件对特定范围内特定植物的影响程度及如何利用气象数据做出植物生长的监测及预警。
在一种优选实施例中，一种农业生态信息监测方法，所述方法利用双目成像原理采集植物的数字图像并构建植物的三维图像模型，结合气象数据和三维图像模型分析气象环境对植物覆盖度、植株高度、植株密度信息的影响，如图1所示，包括如下步骤：
S1：构建生态信息数据处理平台，包括生态信息服务器、气象台及双目式图像采集平台，如图2所示；气象台用于采集目标区域内的气象数据并将气象数据发送至生态信息服务器，双目式图像采集平台用于采集目标区域内植物的数字图像数据并将数字图像数据发送至生态信息服务器，生态信息服务器用于汇总、存储和分析气象数据，生态信息服务器用于汇总、存储和分析数字图像数据，生态信息服务器用于分析气象数据对植物生长变化的影响；
双目式图像采集平台包括：两台CCD相机、相机支架、支架导轨、步进电机、方位调整台、数据发送单元、GPS定位单元和测距遥感单元；
两台CCD相机与相机支架连接，相机支架安装在支架导轨上并沿支架导轨平移/固定，相机支架与步进电机连接，步进电机控制相机支架每次位移相等的距离，支架导轨设置在方位调整台表面；
方位调整台与相机支架调整CCD相机的垂直度，两台CCD相机安装高度相同，两台CCD相机的安装间距为1-5cm，两台CCD相机的初始状态相同；
GPS定位单元通过卫星获取CCD相机的位置信息，该位置信息用于将CCD采集的数字图像数据匹配至三维地理模型中；
测距遥感单元通过遥感雷达获取目标植物与CCD相机的水平距离；
数据发送单元将双目式图像采集平台的数据发送至生态信息服务器；
双目式图像采集平台还可以设置在车辆上，以便于双目式图像采集平台可以快速的测量多个点位的数据信息；
S2：确定目标区域，该目标区域包括行政区域及分布在行政区域内的植物分散区域；
S3：生态信息服务器下载行政区域的DEM数据，DEM高程数据为30米分辨率数据，构建行政区域的三维地理模型，同时设定地理背景网格；
目标区域的三维地理模型的构建方法包括：
S301：选定目标区域并下载目标区域内的DEM高程数据；
S302：通过Global mapper系统将DEM高程数据转化为UTM数据；
S303：通过3DMAX系统将DEM的UTM数据保存为OBJ格式；
S304：通过3DMAX系统生成目标区域的三维地理模型；
地理背景网格的设定方法包括：
S305：将TIN地形模块载入至三维地理模型中得到地理背景网格，地理背景网格的间距为2-5km；
S4：生态信息服务器自动下载气象台采集的气象数据，气象台采集的气象数据包括：降雨量、降雨时长、降雪量、化雪时长、辐照强度、辐照时长、风速、地表温度、冻土时长，生态信息服务器将气象台的坐标信息载入至三维地理模型中，根据地理背景网格，气象数据生成为气象单元数据；
气象单元数据的生成方法包括：
S401：根据地理背景网格将植物分散区域划分为植物分散网格，赋予每个植物分散网格以网格标号；
S402：根据植物分散网格选取距离最近的三个气象台；
S403：将三个气象台的数据做平均处理，将平均值与网格标号匹配得到植物分散区域内的期限数据矩阵。
S5：在植物分散区域内继续细化地理背景网格，根据细化后的地理背景网格设置双目式图像采集平台；
S6：双目式图像采集平台将数字图像发送至生态信息服务器，生态信息服务器根据双目标定法对数字图像数据进行校正并获得植物的三维植物模型，生态信息服务器根据双目式图像采集平台的坐标信息将三维植物模型载入至三维地理模型中，根据双目式图像采集平台的定标距离确定三维植物模型与三维地理模型的匹配；
双目标定法包括如下步骤：
S601：对同时拍摄的一组数字图像进行校正，消除透视光学畸变影响；
S602：对消除光学畸变影响的一组数字图像进行平面重投影，使其落在公共平面上；
S603：将投影的数字图像与两个摄像机进行水平对准处理；
S604：将处理后的一组数字图像进行立体图像匹配；
S605：将匹配的立体图像进行三维重建，还原植物的三维坐标，得到植物的植株高度信息、植株密度信息及植物覆盖度信息；三维重建的方法为根据细化视差图覆盖原有三维模型；
立体图像匹配的方法包括：
S6041：计算像素件的匹配代价；
S6042：通过多方向扫描线上的平滑约束和匹配代价的聚合，建立近似全局能量函数；
S6043：采用WTA优化算法最小化近似全局能量函数得到估计视差；
S6044：根据估计视差得到三维模型的细化视差图；
S7：生态信息服务器根据三维地理模型中的地理数据获取三维植物模型的植株高度信息、植株密度信息及植物覆盖度信息；
三维植物模型的植株高度信息为：植株三维模型顶部与植株三维模型底部之间的距离；
三维植物模型的植株密度信息为：三维模型中相邻植株间距的均值。
三维植物模型的植物覆盖度信息为：植物覆盖面积除以行政区域面积，植物覆盖面积为植物分散区域面积与三维模型中间隙截面面积之差。
三维植物模型的生产变化信息为：植株高度增加值与植株密度增加值之和随时间的植株变化函数。
生态信息服务器根据三维植物模型随时间的变化得到植物的生长变化信息；
植物的生长的气象影响数据为：气象数据中各个单元数据随时间的气象变化函数，气象变化函数与植株变化函数的匹配程度，取匹配程度最高的三组数据选择为气象影响数据；
S8：生态信息服务器根据植物的生长变化信息获取气象单元数据对目标区域内植物的生长的气象影响数据；
目标区域内植物生产变化的预测数据为：根据气象影响数据，选择接收到的气象数据推定该气象数据对应的植株变化函数并截取未来短时间内该植株变化函数。
构建生态信息数据处理平台，通过双目式图像采集平台采集目标区域内植物的数字图像并合成三维植物模型，利用下载的DEM数据构建三维地理模型，将三维植物模型载入至三维地理模型，并生成三维植物模型随时间的变化结果；将气象台的气象数据细分为降雨、降雪、辐照、温度等多个气象条件，将气象条件根据三维地理模型的地理背景网格生成气象单元数据，通过气象单元数据与三维植物模型随时间的变化结果匹配得到气象单元数据对植物的整体影响；根据气象单元数据对植物的历史影响结果，通过现有的气象数据对目标区域内的植物做出预警信息。
双目式图像采集平台的设置方式为：根据植物分散区域细化的地理背景网格设置，设置间距为1-2km。
双目式图像采集平台的设置方式还包括：在细化的地理背景网格内随机设置2-20个采集点。
双目式图像采集平台还包括信号加密模块，双目式图像采集平台采集到的数字图像数据通过加密模块加密后，再发送至生态信息服务器。
加密模块的加密方法为：将GPS定位单元的经纬度信息加密后与数字图像数据绑定，绑定有加密信息的数字图像发送至生态信息服务器，生态信息服务器解密数字图像数据的加密信息，获取数字图像数据的经纬度信息，如果数字图像数据的经纬度信息在地理背景网格之内，则对数字图像数据进行校正及三维植物模型的生成，如果数字图像数据的经纬度信息不在地理背景网格之内，则对数字图像数据进行隔离处置并发出报错信息。
经过加密模块处理的植物的数字图像数据，即可用避免因GPS信号不稳定造成的数据偏差，还可以防止移动的双目式图像采集平台的数据被攻击后数据被篡改导致监测结果异常。
一种农业生态信息监测系统，包括：生态信息数据平台，包括生态信息服务器、气象台及双目式图像采集平台；气象台用于采集目标区域内的气象数据并将气象数据发送至生态信息服务器，双目式图像采集平台用于采集目标区域内植物的数字图像数据并将数字图像数据发送至生态信息服务器，生态信息服务器用于汇总、存储和分析气象数据，生态信息服务器用于汇总、存储和分析数字图像数据，生态信息服务器用于分析气象数据对植物生长变化的影响。
双目式图像采集平台包括：两台CCD相机、相机支架、支架导轨、步进电机、方位调整台、数据发送单元、GPS定位单元和测距遥感单元；
两台CCD相机与相机支架连接，相机支架安装在支架导轨上并沿支架导轨平移/固定，相机支架与步进电机连接，步进电机控制相机支架每次位移相等的距离，支架导轨设置在方位调整台表面；
方位调整台与相机支架调整CCD相机的垂直度，两台CCD相机安装高度相同，两台CCD相机的安装间距为1-5cm，两台CCD相机的初始状态相同；
GPS定位单元通过卫星获取CCD相机的位置信息，该位置信息用于将CCD采集的数字图像数据匹配至三维地理模型中；
测距遥感单元通过遥感雷达获取目标植物与CCD相机的水平距离；
数据发送单元将双目式图像采集平台的数据发送至生态信息服务器。
生态信息服务器，包括数据接收模块、数据存储模块和数据分析模块；
数据接收模块，接收气象台及双目式图像采集平台发送的数据；
数据存储模块，存储数据接收模块接收到的数据；
数据分析模块，分析接收模块接收到的数据。
气象台，包括称重式降雨量传感器、积雪传感器、云量传感器、云高传感器、风速传感器、冻土传感器、红外地表温度传感器。
图3是本发明双目式图像采集平台一个优选的实施例的结构图。如图所示， 其包括摄像机04，所述摄像机包括左摄像机和右摄像机，所述左摄像机和所述右摄像机设置在一条水平线上，当获取被测植被的图像时，所述左摄像机和所述右摄像机镜头均在同一高度。
所述摄像机04还包括固定装置，所述固定装置包括水平的固定架01、连接所述左摄像机的竖直第一固定杆02A和连接所述右摄像机的竖直第二固定杆02B，所述第一固定杆02A和所述第二固定杆02B通过滑道与所述固定架01连接。优选的，所述第一固定杆02A和所述第二固定杆02B远离固定架01的一端分别通过防雨雪罩05连接左摄像机和右摄像机，所述固定架01通过固定孔或者其他方式固定在墙壁或者其他东西上。
所述第一固定杆02A和所述第二固定杆02B远离固定架01的一端设有旋转轴03，所述旋转轴03用于转动摄像机04，调整摄像机04的拍摄方向。所述左摄像机和所述右摄像机分别通过旋转轴03与所述第一固定杆02A和所述第二固定杆02B连接。
所述防雨雪罩05优选的设置在所述固定杆靠近摄像机04三分之一处，也可以根据所述第一固定杆02A和所述第二固定杆02B的长度来确定所述防雨雪罩05安装的位置，这里不做进一步的限制。
所述左摄像机和所述右摄像机靠近的一侧固定有距离感应器06，所述距离感应器06设置在所述左摄像机和所述右摄像机距离最接近的位置，用于感应所述左摄像机和所述右摄像机的间隔距离。
以上内容是对本发明创造的优选的实施例的说明，可以帮助本领域技术人员更充分地理解本发明创造的技术方案。但是，这些实施例仅仅是举例说明，不能认定本发明创造的具体实施方式仅限于这些实施例的说明。对本发明创造所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干简单推演和变换，都应当视为属于本发明创造的保护范围。
Claims (8)
1.一种农业生态信息监测方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1：构建生态信息数据处理平台，包括生态信息服务器、气象台及双目式图像采集平台；
S2：生态信息服务器下载行政区域的DEM数据，构建行政区域的三维地理模型；
S3：生态信息服务器将气象台的坐标信息载入至三维地理模型中；
S4：双目式图像采集平台将数字图像发送至生态信息服务器，生态信息服务器根据双目标定法对数字图像数据进行校正并获得植物的三维植物模型；
S5：生态信息服务器根据三维地理模型中的地理数据获取三维植物模型的植株高度信息、植株密度信息及植物覆盖度信息，生态信息服务器根据三维植物模型随时间的变化得到植物的生长变化信息。
2.根据权利要求1所述的一种农业生态信息监测方法，其特征在于：气象台用于采集目标区域内的气象数据并将气象数据发送至生态信息服务器，双目式图像采集平台用于采集目标区域内植物的数字图像数据并将数字图像数据发送至生态信息服务器，生态信息服务器用于汇总、存储和分析气象数据，生态信息服务器用于汇总、存储和分析数字图像数据，生态信息服务器用于分析气象数据对植物生长变化的影响。
3.根据权利要求2所述的一种农业生态信息监测方法，其特征在于：双目式图像采集平台包括两台CCD相机、相机支架、支架导轨、步进电机、方位调整台、数据发送单元、GPS定位单元和测距遥感单元；
两台CCD相机与相机支架连接，相机支架安装在支架导轨上并沿支架导轨平移/固定，相机支架与步进电机连接，步进电机控制相机支架每次位移相等的距离，支架导轨设置在方位调整台表面；
方位调整台与相机支架调整CCD相机的垂直度，两台CCD相机安装高度相同，两台CCD相机的安装间距为1-5cm，两台CCD相机的初始状态相同；
GPS定位单元通过卫星获取CCD相机的位置信息，该位置信息用于将CCD采集的数字图像数据匹配至三维地理模型中；
测距遥感单元通过遥感雷达获取目标植物与CCD相机的水平距离；
数据发送单元将双目式图像采集平台的数据发送至生态信息服务器。
4.根据权利要求1所述的一种农业生态信息监测方法，其特征在于：行政区域的三维地理模型的构建方法包括：
S201：选定目标区域并下载目标区域内的DEM高程数据；
S202：通过Global mapper系统将DEM高程数据转化为UTM数据；
S203：通过3DMAX系统将DEM的UTM数据保存为OBJ格式；
S204：通过3DMAX系统生成目标区域的三维地理模型。
5.根据权利要求1所述的一种农业生态信息监测方法，其特征在于：气象台采集的气象数据包括：降雨量、降雨时长、降雪量、化雪时长、辐照强度、辐照时长、风速、地表温度、冻土时长。
6.根据权利要求1所述的一种农业生态信息监测方法，其特征在于：双目标定法包括如下步骤：
S401：对同时拍摄的一组数字图像进行校正，消除透视光学畸变影响；
S402：对消除光学畸变影响的一组数字图像进行平面重投影，使其落在公共平面上；
S403：将投影的数字图像与两个摄像机进行水平对准处理；
S404：将处理后的一组数字图像进行立体图像匹配；
S405：将匹配的立体图像进行三维重建，还原植物的三维坐标，得到植物的植株高度信息、植株密度信息及植物覆盖度信息。
7.一种农业生态信息监测系统，其特征在于：包括生态信息服务器、气象台及双目式图像采集平台；
气象台用于采集目标区域内的气象数据并将气象数据发送至生态信息服务器，双目式图像采集平台用于采集目标区域内植物的数字图像数据并将数字图像数据发送至生态信息服务器，生态信息服务器用于汇总、存储和分析气象数据，生态信息服务器用于汇总、存储和分析数字图像数据，生态信息服务器用于分析气象数据对植物生长变化的影响。
8.根据权利要求7所述的一种农业生态信息监测系统，其特征在于：双目式图像采集平台包括：两台CCD相机、相机支架、支架导轨、步进电机、方位调整台、数据发送单元、GPS定位单元和测距遥感单元；
两台CCD相机与相机支架连接，相机支架安装在支架导轨上并沿支架导轨平移/固定，相机支架与步进电机连接，步进电机控制相机支架每次位移相等的距离，支架导轨设置在方位调整台表面；
方位调整台与相机支架调整CCD相机的垂直度，两台CCD相机安装高度相同，两台CCD相机的安装间距为1-5cm，两台CCD相机的初始状态相同；
GPS定位单元通过卫星获取CCD相机的位置信息，该位置信息用于将CCD采集的数字图像数据匹配至三维地理模型中；
测距遥感单元通过遥感雷达获取目标植物与CCD相机的水平距离；
数据发送单元将双目式图像采集平台的数据发送至生态信息服务器。
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