CN108279213A - 一种全天候植物光谱测量系统与方法 - Google Patents

一种全天候植物光谱测量系统与方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种全天候测量植物光谱的系统与方法。该系统包括地面无人车、植株定位模块、光谱测量模块、自主导航模块。该方法包括以下几个步骤：地面计算机中预录入光谱测量的决策信息，植株定位模块判断待测植物与无人车位置关系；自主导航模块与无人车通信，控制无人车按轨迹在植物上方行走，使植物附近形成封闭环境；光谱测量模块提供封闭环境内的人造光源，自动测量植物的光谱数据并记录。本发明的系统与方法解决了白天由于太阳光强变化及周围干扰光源对植物光谱测量数据的影响，晚上缺少光源无法测量植物光谱的问题。该方法效率高、误差小，数据准确，使用简单，维护方便。

Description

一种全天候植物光谱测量系统与方法
技术领域
本发明属于植保技术领域，具体是一种全天候植物光谱测量系统与方法。
背景技术
植物病虫害防控直接影响植物的生长，传统的病虫害检测方法存在效率低、反应慢等缺点。植物光谱检测技术是一种新型、有效、快速的植物病虫害防控方法，在植保领域广泛应用。植物的光谱特性是植物在生长过程中与环境因子相互作用的综合光谱信息，当植物受病虫害侵害后，主要表现出两种形式：一是植物外部形态的变化，包括落叶，卷叶，幼芽叶片被吞噬等现象；二是内部生理变化，主要表现于叶绿素组织遭受破坏，光合作用，水分吸收，运输等功能衰退。但无论是形态的变化还是内部生理的变化，都必然导致植物光谱特征发生变化。光谱检测植物病虫害的原理就是基于测量植物光谱特征的变化来反推原因。
现在，植物地面光谱检测方法分为以下两种：1、采集植物叶片，带回实验室内，在室内合适光源下检测；2、在室外直接采用光谱设备检测。这两种方法都有弊端：第一种方法需要采集一定量叶片，影响植物生长，不适合幼苗或者叶片少的植物；测量步骤多，方法繁琐，人工耗费大且效率低。，第二种光谱检测方法在室外实时完成，由于日光强度变化性和外界干扰，检测结果往往误差较大。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种基于无人车的光谱测量系统与方法，该系统和方法通过无人车及附属结构，在田间植物外部，人工营造排除外界干扰的稳定光谱测量环境，通过光谱设备检测植物光谱。
为实现上述发明目的，本发明的技术方案如下：
本发明提供一种全天侯植物光谱测量系统，所述光谱测量系统用于检测植物光谱，该系统包括地面无人车、植株定位模块、光谱测量模块、自主导航模块；
其中，地面无人车包括：车厢、车轮、太阳能供电装置、遮光布；所述车厢为四周封闭的箱体结构，底部安装有行走车轮，所述的太阳能供电装置包括太阳能电池板，太阳能电池板安装在车厢外表面，为整个系统提供电力来源，所述的车厢前后面安装遮光帘，以供植物通过并排除外界干扰；
所述植株定位模块至少包括一位置传感器，所述的位置传感器安装在车厢内侧；所述的位置传感器用于探测植物与无人车相对位置关系。
所述自主导航模块包括：无线传输模块、GPS定位模块、行驶控制系统；所述的无线传输模块安装在车厢顶部，用于无人车和地面站的数据通信；所述的GPS定位模块安装在车厢顶部，用于无人车田间定位；所述的行驶控制系统安装在车厢内部，用于控制无人车的运动轨迹。
所述光谱测量模块包括：光谱设备、人造光源和光线传感器，所述光谱设备、人造光源安装在车厢内侧，人造光源用于提供车内恒定光源，光谱设备安装在车厢内侧用于测量植物反射光谱数据，所述光线传感器安装于无人车外部顶端，用于实时测量并记录自然光强，以供人造光源提供内部匹配光照。
作为本发明的一种优选方案，该系统还包括信息接收和处理设备，即控制无人车的地面工作站，其通过无线传输模块分别与植株定位模块、光谱测量模块、自主导航模块连接，用于记录、分析、比较光谱数据并控制无人车的运动。
更进一步地，将信息接收和处理设备获得的光谱数据发送到地面站中，测量人员通过地面站获得测量数据，并对光谱测量设备测得的光谱数据进行处理。
作为本发明的一种优选方案，所述人造光源提供测量所需要波段和强度的入射光线，所述光谱设备接收并记录植物反射的光谱数据，所述人造光源安装在车厢内部。
作为本发明的一种优选方案，所述车厢为四周封闭的箱体结构，使无人车车厢内部形成黑暗环境，可以排除外界干扰光源。
作为本发明的一种优选方案，所述植株定位模块用于获得无人车与植物相对位置信息，植物外形数据，保证植物完全处于车厢内部时，测量植物光谱。
作为本发明的一种优选方案，位置传感器安装在车厢内侧，在相对位置上至少对称安装两个位置传感器。
作为本发明的一种优选方案，所述自主导航模块包括自主导航和手控两种模式，所述的自主导航模式由GPS定位模块完成，依照预设路线行走；所述的手控模式由技术员通过遥控器操控完成，所述的遥控器可以控制无人车行驶和监控系统状态。
作为本发明的一种优选方案，该系统可以排除日光及其他干扰光源，按照光线传感器所获取的自然光源信息，提供稳定的光谱检测用光源，即人造光源，同时测量植物光谱，获取光谱数据。
本发明还公开了上述全天候植物光谱测量系统的光谱测量方法，所述的光谱测量方法具体是将该系统搭载在适合田间工作的无人车上，所述的无人车行驶在植物上方，进行光谱测量工作，在完成一组光谱测量后，无人车依照规定路线，导航到下一株植物上方；并以此为一个流程，依次完成田间植物光谱测量工作。
本发明的优点在于：
该基于地面无人车的全天候植物光谱测量系统与方法，既可以及时，简单，有效地检测田间植物，不会损伤植株，而且可以排除日光等外界干扰的影响，保证测量结果的准确性，同时减少人工，提高效率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单的地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中：
图1是本发明全天侯植物光谱测量方法的流程示意图。
图2是本发明全天侯植物光谱测量系统的平面结构示意图。
图3是本发明全天侯植物光谱测量系统的立体示意图。
图中：1-车厢，2-车轮，3-太阳能电池板，4-遮光帘，5-位置传感器，6-无线传输模块，7-GPS定位模块，8-光线传感器，9-人造光源，10-光谱设备，11-植株。
具体实施方式
实施例1：
一种全天侯植物光谱测量系统，所述光谱测量系统用于检测植物光谱，该系统包括地面无人车、植株定位模块、光谱测量模块、自主导航模块；其中，地面无人车包括：车厢1、车轮、太阳能供电装置、遮光布；所述车厢为四周封闭的箱体结构，底部安装有行走车轮2，所述的太阳能供电装置包括太阳能电池板3，太阳能电池板安装在车厢外表面，为整个系统提供电力来源，所述的车厢前后面安装遮光帘4，以供植物通过并维持车内黑暗环境；所述植株定位模块至少包括一位置传感器5，所述的位置传感器安装在车厢内侧；所述的位置传感器用于探测植物与无人车相对位置关系。所述自主导航模块包括：无线传输模块6，GPS定位模块7、行驶控制系统；所述的无线传输模块安装在车厢顶部，用于无人车和地面站的数据通信；所述的GPS定位模块安装在车厢顶部，用于无人车田间定位；所述的行驶控制系统安装在车厢内部，用于控制无人车的运动轨迹。所述光谱测量模块包括：光线传感器8、人造光源9和光谱设备10，所述光谱设备、人造光源安装在车厢内侧，人造光源用于提供车内恒定光源，光谱设备安装在车厢内侧用于测量植物11的反射光谱数据，所述光线传感器安装于无人车外部顶端，用于实时测量并记录自然光强，以供人造光源提供内部匹配光照。
该系统还包括信息接收和处理设备，即控制无人车的地面工作站，其通过无线传输模块分别与植株定位模块、光谱测量模块、自主导航模块连接，用于记录、分析、比较光谱数据并控制无人车的运动。将信息接收和处理设备获得的光谱数据发送到地面站中，测量人员通过地面站获得测量数据，并对光谱测量设备测得的光谱数据进行处理。
所述人造光源提供测量所需要波段和强度的入射光线，所述光谱设备接收并记录植物反射的光谱数据，所述人造光源安装在车厢内顶部。所述车厢为四周封闭的箱体结构，使无人车车厢内部形成黑暗环境，可以排除日光等干扰光源。所述植株定位模块用于获得无人车与植物相对位置信息，植物外形数据，保证植物完全处于车厢内部时，测量植物光谱。位置传感器安装在车厢内侧，在相对位置上至少对称安装两个位置传感器。所述自主导航模块包括自主导航和手控两种模式，所述的自主导航模式由GPS定位模块完成，依照预设路线行走；所述的手控模式由技术员通过遥控器操控完成，所述的遥控器可以控制无人车行驶和监控系统状态。
本发明所述全天候植物光谱测量系统，可以排除日光及其他干扰光源，按照光线传感器所获取的自然光源信息，提供稳定的光谱检测用人造光源系统，即人造光源，同时测量植物光谱，获取光谱数据。
实施例2：
一种全天候植物光谱测量系统的光谱测量方法，所述的光谱测量方法具体是将该系统搭载在适合田间工作的无人车上，所述的无人车行驶在植物上方，进行光谱测量工作，在完成一组光谱测量后，无人车依照规定路线，导航到下一株植物上方；并以此为一个流程，依次完成田间植物光谱测量工作。
在白天田间，无人车在作物上方提供了黑暗无干扰光源的环境，根据光线传感器8感应的外界光强，利用人造光源9，提供固定波段，稳定强度的入射光，照射待测植株11。植物反射的光谱被光谱设备10接收，测量得到准确的光谱数据。
无人车在完成上一株植物的光谱检测之后，通过手控或者自控的方式，行进到下一株植物上方。系统通过位置传感器5获得植物与无人车的相对位置信息，通过调整，使得下一株植物处在黑暗无干扰光源的环境中；然后对该植物提供稳定的人造光源，进行光谱测量，记录数据。
最后系统以此流程，完成田间预设路线上所有植物的光谱检测。

Claims (10)

1.一种全天侯植物光谱测量系统，其特征在于，所述光谱测量系统用于检测植物光谱，该系统包括地面无人车、植株定位模块、光谱测量模块、自主导航模块；
其中，地面无人车包括：车厢(1)、车轮、太阳能供电装置、遮光布；所述车厢为四周封闭的箱体结构，底部安装有行走车轮(2)，所述的太阳能供电装置包括太阳能电池板(3)，太阳能电池板安装在车厢外表面，为整个系统提供电力来源，所述的车厢前后面安装遮光帘(4)，以供植物通过并维持车内黑暗环境；
所述植株定位模块至少包括一位置传感器(5)，所述的位置传感器安装在车厢内侧；所述的位置传感器用于探测植物与无人车相对位置关系；
所述自主导航模块包括：无线传输模块(6)，GPS定位模块(7)、行驶控制系统；所述的无线传输模块安装在车厢顶部，用于无人车和地面站的数据通信；所述的GPS定位模块安装在车厢顶部，用于无人车田间定位；所述的行驶控制系统安装在车厢内部，用于控制无人车的运动轨迹；
所述光谱测量模块包括：光线传感器(8)、人造光源(9)和光谱设备(10)，所述光谱设备、人造光源安装在车厢内侧，人造光源用于提供车内恒定光源，光谱设备安装在车厢内侧用于测量植物反射光谱数据，所述光线传感器安装于无人车外部顶端，用于实时测量并记录自然光强，以供人造光源提供内部匹配光照。
2.根据权利要求1所述的全天候植物光谱测量系统，其特征在于，该系统还包括信息接收和处理设备，即控制无人车的地面工作站，其通过无线传输模块分别与植株识别模块、光谱测量模块、自主导航模块连接，用于记录、分析、比较光谱数据并控制无人车的运动。
3.根据权利要求2所述的全天候植物光谱测量系统，其特征在于，将信息接收和处理设备获得的光谱数据发送到地面站中，测量人员通过地面站获得测量数据，并对光谱测量设备测得的光谱数据进行处理。
4.根据权利要求1所述的全天候植物光谱测量系统，其特征在于，所述人造光源提供测量所需要波段和强度的入射光线，所述光谱设备接收并记录植物反射的光谱数据，所述人造光源安装在车厢内部。
5.根据权利要求1所述的全天候植物光谱测量系统，其特征在于，所述车厢为四周封闭的箱体结构，使无人车车厢内部形成黑暗环境，可以排除日光等干扰光源。
6.根据权利要求1所述的全天候植物光谱测量系统，其特征在于，所述植株定位模块用于获得无人车与植物相对位置信息，植物外形数据，识别并保证植物完全处于车厢内部时，测量植物光谱。
7.根据权利要求6所述的全天候植物光谱测量系统，其特征在于，位置传感器安装在车厢内侧，在相对位置上至少对称安装两个位置传感器。
8.根据权利要求1所述的全天候植物光谱测量系统，其特征在于，所述自主导航模块包括自主导航和手控两种模式，所述的自主导航模式由GPS定位模块完成，依照预设路线行走；所述的手控模式由技术员通过遥控器操控完成，所述的遥控器可以控制无人车行驶和监控系统状态。
9.根据权利要求1～8任一所述的全天候植物光谱测量系统，其特征在于，该系统可以排除日光及其他干扰光源，按照光线传感器所获取的自然光源信息，提供稳定的光谱检测用人造光源系统，同时测量植物光谱，获取光谱数据。
10.基于权利要求9所述的全天候植物光谱测量系统的光谱测量方法，其特征在于，所述的光谱测量方法具体是将该系统搭载在适合田间工作的无人车上，所述的无人车行驶在植物上方，进行光谱测量工作，在完成一组光谱测量后，无人车依照GPS导航路径，导航到下一株植物上方；并以此为一个流程，依次完成田间植物光谱测量工作。
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