CN108171615B - 一种农作物倒伏灾害监测方法及其系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及农作物灾害监测领域，具体涉及一种农作物倒伏灾害监测方法及其系统。本发明通过测高仪直接获取农作物的实时冠层高度并与历史高度进行比较，从而判断农作物是否出现倒伏情况，解决了由于大田环境的复杂多变性，仅根据图像处理的方法难以准确判断农作物是否倒伏的问题。本发明可以实现远程对农田农作物倒伏灾害的监测，减轻了人工现场观测的劳动强度，可以实现全天候和全时段监测。

Description

一种农作物倒伏灾害监测方法及其系统

技术领域

本发明涉及农作物灾害监测领域，具体涉及一种农作物倒伏灾害监测方法及其系统。

背景技术

农作物的生长深受自然灾害的影响，其中倒伏就是一种严重农作物灾害，不同程度的倒伏对农作物的生长有不同的影响。因此倒伏灾害的监测和研究对农作物的生长和国家粮食保障具有重要的意义。

随着信息技术的发展，实现农业气象和农作物气象自动化观测成为可能。越来越多的农业气象观测数据可以通过自动化观测获取，较人工观测有很大的优势。目前，由于我国信息化技术起步较晚，农业信息化发展还处于起步阶段，对农业气象自动化观测的研究呈现上升趋势。而对农作物倒伏灾害的自动化观测却相对较少。

在专利文件《一种利用雷达遥感数据监测小麦倒伏的方法及装置》中，发明者赵春江等利用合成孔径雷达遥感图像处理技术对小麦倒伏进行监测，这种利用雷达遥感数据监测自然灾害的方法有一定的局限性，例如遥感数据的获取较难、遥感数据的处理技术较为复杂、成本高昂等，这导致这种观测技术难以应用到实际当中去，难以普及应用。

专利文件《一种基于视觉检测的农作物生长情况监测物联网系统》中，其中有一部分是关于农作物倒伏监测的，作者李伟等利用图像处理技术对农作物倒伏进行监测，方法是将农作物图像进行灰化处理与二值化处理,从而根据图像纹理判断农作物倒伏区域,并推算农作物倒伏率，这种仅根据图像处理方法判断倒伏灾害的准确率难以保证。

发明内容

本发明的目的是提供一种农作物倒伏灾害监测方法及其系统，用以解决现有技术采用图像处理的方式对农作物倒伏情况进行监测导致监测不准确的问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种农作物倒伏灾害监测方法，包括：

方法方案一，方法方案一包括以下步骤：

测量并记录农作物的冠层实时高度；

将所述冠层实时高度与历史最大高度进行比较，如果所述冠层实时高度小于所述历史最大高度，则判定农作物出现倒伏；所述历史最大高度为本次测量之前未发现倒伏的情况下，在测量过程中记录的、最大的冠层实时高度。

方法方案二，在方法方案一的基础上，所述进行比较的过程包括：

其中，所述冠层实时高度为冠层高度平均值h_avg，h_g为高度增长率，h_norm为所述历史最大高度，T为设定阈值，如果h_g＜T成立则判定农作物出现倒伏。

方法方案三，在方法方案一或者方法方案二的基础上，所述测量并记录农作物的冠层实时高度的过程包括：

确定监测样本范围和监测的扫描频率；

在所述监测样本范围内确定测高仪的扫描范围；

所述测高仪按照设定扫描参数和所述扫描频率对所述扫描范围进行扫描，获取所述扫描范围内的农作物高度；

对所述农作物高度进行分析计算得到所述冠层实时高度。

方法方案四，在方法方案三的基础上，所述设定扫描参数包括所述测高仪与地面的垂直距离和所述测高仪的扫描轨迹，所述扫描轨迹包括扫描起始位置、扫描结束位置、水平旋转角度和垂直旋转角度。

方法方案五，在方法方案四的基础上，对所述农作物高度进行分析计算的过程包括：

根据所述农作物高度得到对应的高度矩阵；

对所述高度矩阵进行设定次数的求取极大值运算，得到对应扫描区域内农作物的冠层高度矩阵；

根据所述冠层高度矩阵计算得到所述冠层实时高度。

本发明还提供了一种农作物倒伏灾害监测系统，包括：

系统方案一，系统方案一包括测高仪和控制装置，所述控制装置集成于所述测高仪中，或者所述控制装置设置在远端且与所述测高仪通讯连接；所述控制装置包括处理器和存储器，所述处理器执行存储在所述存储器中的程序以实现如下方法：

通过测高仪获取冠层实时高度并记录；

将所述冠层实时高度与历史最大高度进行比较，如果所述冠层实时高度小于所述历史最大高度，则判定农作物出现倒伏；所述历史最大高度为本次测量之前未发现倒伏的情况下，在测量过程中记录的、最大的冠层实时高度。

系统方案二，在系统方案一的基础上，所述进行比较的过程包括：

其中，所述冠层实时高度为农作物冠层高度平均值h_avg，h_g为高度增长率，h_norm为所述历史最大高度，T为设定阈值，如果h_g＜T成立则判定农作物出现倒伏。

系统方案三，在系统方案一或者系统方案二的基础上，所述测量并记录农作物的冠层实时高度的过程包括：

确定监测样本范围和监测的扫描频率；

在所述监测样本范围内确定测高仪的扫描范围；

所述测高仪按照设定扫描参数和所述扫描频率对所述扫描范围进行扫描，获取所述扫描范围内的农作物高度；

对所述农作物高度进行分析计算得到所述冠层实时高度。

系统方案四，在系统方案三的基础上，所述设定扫描参数包括所述测高仪与地面的垂直距离和所述测高仪的扫描轨迹，所述扫描轨迹包括扫描起始位置、扫描结束位置、水平旋转角度和垂直旋转角度。

系统方案五，在系统方案四的基础上，对所述农作物高度进行分析计算的过程包括：

根据所述农作物高度得到对应的高度矩阵；

对所述高度矩阵进行设定次数的求取极大值运算，得到对应扫描区域内农作物的冠层高度矩阵；

根据所述冠层高度矩阵计算得到所述冠层实时高度。

本发明的有益效果是：通过测高仪直接获取农作物的冠层实时高度并与历史高度进行比较，从而判断农作物是否出现倒伏情况，解决了由于大田环境的复杂多变性，仅根据图像处理的方法难以准确判断农作物是否倒伏的问题。同时可以实现远程对农田农作物倒伏灾害的监测，减轻了人工现场观测的劳动强度，可以实现全天候和全时段监测。

附图说明

图1是本发明中测高仪的结构示意图；

图2是本发明的流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细的说明。

本发明为了解决现有技术中通过图像分析的方式来判断农作物是否倒伏很不精确的问题，设计了通过测量农作物高度的方式来判断是否倒伏的技术方案，而测量农作物高度的方式可以有多种实现途径，例如申请号为201611219819.2的专利文件公开了“一种农作物冠层高度的检测方法及装置”，通过控制测高仪，可以测量农作物冠层高度。

本发明中按照设定的时间间隔对农作物的冠层高度进行测量，并将测量得到的冠层实时高度与历史高度比较大小，如果冠层实时高度小于历史高度则判定农作物出现倒伏。这里提到的历史高度为本次测量之前未出现倒伏情况时，测量并记录的最大冠层实时高度。

测量数据可以在测高仪处理或者传回到远程数据处理中心进行处理，通过数据处理可以得到观测区域农作物冠层高度、高度最大值和平均值，进而对农作物是否倒伏进行判断。本发明可以远程、自动和长期连续工作，精度高、安装方便、可用性强且成本较低，较以往的监测方法有明显的优势。

本发明中提到的测高仪可以采用多种不同的实现方式，优选采用激光测高仪，如图1所示虚线框内为激光测高仪的结构示意图，包括激光测距传感器、角度传感器、三维程控云台、控制单元和通讯单元，激光测高仪通过通讯单元与远程终端的控制单元实现通讯。

如图2所示使用激光测高仪对农作物倒伏灾害的监测方法具体实施步骤如下：

步骤1、确定要监测的农作种类及种植区域，选定监测的范围，确保该范围大小适当，具有较好的代表性，所选区域可以是一个连续的区域，也可以是多个不连续的区域；

具体实施时，以夏玉米的倒伏监测为例，选定测量的范围，样本范围要大小适中且具有代表性，内部只种玉米，范围内设置有设备安装站点，设备安装站点上设置一个激光测高仪。

步骤2、确定监测频率，即激光测高仪一天内对农作物监测区域进行多少次扫描监测，优选地，在一天内的8:00、12:00、16:00、20:00、0:00、4:00，进行六次扫描监测。

步骤3、根据所测农作物种类不同确定测高仪安装高度，并确定测高仪的扫描范围；具体实施时，将自动监测设备安装在监测点的安装立杆上，安装高度应比夏玉米生长最大高度2.5米高出一米以上，可以将安装高度设定为4米。扫描范围的确定以装置激光发射口为圆心，划定一个弧度为θ半径为R的扇形区域作为测距仪的扫描范围。

步骤4、测高仪开始扫描测量前，自动调整到垂直正对地面，测量出激光测高仪发射口距离地面的垂直高度L₀。

步骤5、根据步骤3确定的描范围确定扫描轨迹，找到并确定扫描的起始位置和结束位置，测高仪从起始位置开始扫描测量；

具体实施时，利用控制器让扫描仪瞄准扫描区域的左下角位置，即为扫描的起始位置，此时，可通过角度传感器测出当前位置的垂直旋转角度和水平旋转角度。同理，可确定结束位置和结束位置的垂直和水平旋转角度。

步骤6、根据确定的扫描轨迹，测高仪从起始位置开始进行水平方向和垂直方向上的运动扫描，水平和垂直运动都有一定的角度步长，不论是在水平方向还是垂直方向上，每旋转一定角度时就进行一次测量，根据角度值、L₀和测量距离，通过计算即可得到该位置的高度值，直至结束位置时扫描停止。

步骤7、通过步骤6可获得一个扫描周期内所有扫描点的高度值，将所有高度值组成一个高度矩阵H，可进行下一步的运算和应用。

步骤8、通过拟合运算等处理，获取当前测量区域内农作物冠层高度的最大值和平均值。

具体实施时，对结果序列进行数据拟合，先对H中的数据进行一次筛选，取极大值点，得到一个极大值组：D＝(d₁,d₂,…，d_s)，再对D中数据进行二次筛选，取极大值点，得到新一个极大值组：P＝(p₁,p₂,…,p_t)，s和t为极大值数量，这样就得到了农作物的冠层高度数据；

则冠层高度最大值h_max＝max(P)；冠层高度平均值即为：

步骤9、利用步骤8中的数据分析结果进行农作物倒伏识别。

具体实施时，农作物的冠层高度在整个生长期内一般正常情况下是持续增加直至保持基本不变的。本发明就是根据农作物生长期内高度的变化来预警是否出现倒伏灾害的，因为农作物如果出现倒伏，最直接的反应就是高度出现明显较大变化。

可利用冠层高度平均值的变化率来反应农作物是否出现了倒伏。本次测量前的历史高度为h_norm,测量得到的冠层高度平均值为h_avg,判断平均高度增长率h_g是否满足公式(2)：

其中，h_g为平均高度增长率，h_avg为农作物冠层高度平均值，h_norm为历史高度，T为设定阈值，可根据不同农作物进行设置。如果本次测量没出现倒伏则令h_norm＝h_avg。同时可根据平均高度增长率h_g的大小给出农作物倒伏的严重程度，h_g越小说明倒伏灾害越严重。

如果判定测量区域中农作物出现倒伏，则将该测量区域划分成对N个子区域并分别进行倒伏检测，检测过程与检测正片区域的方法相同；当判断出M个子区域出现倒伏时，统计这N个子区域组成的地区中农作物的倒伏率r为：

以上给出了本发明涉及的具体实施方式，但本发明不局限于所描述的实施方式，例如测高仪数量或者类型可以有多种选取方式，或者测量得到的数据可以通过其他形式的公式进行处理来判断冠层的高度，这样形成的技术方案是对上述实施例进行微调形成的，这种技术方案仍落入本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种农作物倒伏灾害监测方法，其特征在于，步骤如下：

测量并记录农作物的冠层实时高度；

将所述冠层实时高度与历史最大高度进行比较，如果所述冠层实时高度小于所述历史最大高度，则判定农作物出现倒伏；所述历史最大高度为本次测量之前未发现倒伏的情况下，在测量过程中记录的、最大的冠层实时高度；

所述进行比较的过程包括：

其中，所述冠层实时高度为冠层高度平均值h_avg，h_g为高度增长率，h_norm为所述历史最大高度，T为设定阈值，如果h_g＜T成立则判定农作物出现倒伏。

2.根据权利要求1所述一种农作物倒伏灾害监测方法，其特征在于：所述测量并记录农作物的冠层实时高度的过程包括：

确定监测样本范围和监测的扫描频率；

在所述监测样本范围内确定测高仪的扫描范围；

所述测高仪按照设定扫描参数和所述扫描频率对所述扫描范围进行扫描，获取所述扫描范围内的农作物高度；

对所述农作物高度进行分析计算得到所述冠层实时高度。

3.根据权利要求2所述一种农作物倒伏灾害监测方法，其特征在于：所述设定扫描参数包括所述测高仪与地面的垂直距离和所述测高仪的扫描轨迹，所述扫描轨迹包括扫描起始位置、扫描结束位置、水平旋转角度和垂直旋转角度。

4.根据权利要求3所述一种农作物倒伏灾害监测方法，其特征在于，对所述农作物高度进行分析计算的过程包括：

根据所述农作物高度得到对应的高度矩阵；

对所述高度矩阵进行设定次数的求取极大值运算，得到对应扫描区域内农作物的冠层高度矩阵；

根据所述冠层高度矩阵计算得到所述冠层实时高度。

5.一种农作物倒伏灾害监测系统，其特征在于：包括测高仪和控制装置，所述控制装置集成于所述测高仪中，或者所述控制装置设置在远端且与所述测高仪通讯连接；所述控制装置包括处理器和存储器，所述处理器执行存储在所述存储器中的程序以实现如下方法：

通过测高仪获取冠层实时高度并记录；

将所述冠层实时高度与历史最大高度进行比较，如果所述冠层实时高度小于所述历史最大高度，则判定农作物出现倒伏；所述历史最大高度为本次测量之前未发现倒伏的情况下，在测量过程中记录的、最大的冠层实时高度；

所述进行比较的过程包括：

其中，所述冠层实时高度为农作物冠层高度平均值h_avg，h_g为高度增长率，h_norm为所述历史最大高度，T为设定阈值，如果h_g＜T成立则判定农作物出现倒伏。

6.根据权利要求5所述一种农作物倒伏灾害监测系统，其特征在于：所述测量并记录农作物的冠层实时高度的过程包括：

确定监测样本范围和监测的扫描频率；

在所述监测样本范围内确定测高仪的扫描范围；

所述测高仪按照设定扫描参数和所述扫描频率对所述扫描范围进行扫描，获取所述扫描范围内的农作物高度；

对所述农作物高度进行分析计算得到所述冠层实时高度。

7.根据权利要求6所述一种农作物倒伏灾害监测系统，其特征在于：所述设定扫描参数包括所述测高仪与地面的垂直距离和所述测高仪的扫描轨迹，所述扫描轨迹包括扫描起始位置、扫描结束位置、水平旋转角度和垂直旋转角度。

8.根据权利要求7所述一种农作物倒伏灾害监测系统，其特征在于，对所述农作物高度进行分析计算的过程包括：

根据所述农作物高度得到对应的高度矩阵；

对所述高度矩阵进行设定次数的求取极大值运算，得到对应扫描区域内农作物的冠层高度矩阵；

根据所述冠层高度矩阵计算得到所述冠层实时高度。

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