CN108717301A - 一种基于gis的无人机植保系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于GIS的无人机植保系统及方法，该基于GIS的无人机植保系统包括无人机、监控终端，所述无人机设有定位单元、深度摄像机、飞行执行单元，所述监控终端包括GIS处理单元、手动控制单元、自动控制单元以及控制模式切换单元，深度摄像机采集农田的深度点云数据并发送到GIS处理单元，GIS处理单元对深度点云数据的分析，在GIS地图上显示农田中种植了农作物的区域，根据GIS地图可以手动或自动控制无人机在农田中精准且不遗漏地对农作物进行植保。

Description

一种基于GIS的无人机植保系统及方法

技术领域

本发明涉及无人机植保技术领域，具体涉及一种基于GIS的无人机植保系统及方法。

背景技术

现行的无人机植保技术依赖于专业的飞手，飞手是指拥有专业的无人机操控技术的技术人员。植保作业对飞手的要求非常高，在目视飞行的距离内，飞手必须要做到锁高、直线、匀速飞行。飞手在操控无人机对农林地进行植保时，由于视线的阻碍以及人为操控的局限性，即使是拥有无人机专业操控技能的飞手，也很难控制无人机精准地对农作物进行植保，并且不能保证无人机对农田的每一个地方都进行了植保。

发明内容

本发明为了克服上述现有技术所述的至少一种缺陷(不足)，提供一种基于GIS的无人机植保系统及方法，可以精准且不遗漏地控制无人机对农田进行植保。

为实现本发明的目的，采用以下技术方案予以实现：

一种基于GIS的无人机植保系统，包括无人机、监控终端，所述无人机设有定位单元、深度摄像机、飞行执行单元，所述监控终端包括GIS处理单元、手动控制单元、自动控制单元以及控制模式切换单元；

所述定位单元，用于获取无人机当前位置并发送到GIS处理单元；

所述深度摄像机，用于采集农田的深度点云数据，将深度点云数据存储为集合D＝{d₁,d₂,……,d_m}，其中d_i＝(X_i,Y_i,Z_i)，X_i、Y_i、Z_i分别表示第i点在直角坐标系X-Y-Z下的坐标值，所述直角坐标系的X-Y平面为水平面，Z轴对应的方向是垂直于水平面的，i＝1,2,……,m，m为深度点云数据中点的总数，并将集合D发送到GIS处理单元；

所述GIS处理单元，用于接收定位单元发送的无人机当前位置并显示在GIS地图上，还用于接收深度摄像机发送的集合D，提取集合D内第i点的Z_i，根据Z_i区分第i点的对应的位置是否有种植农作物，若第i点对应的位置有种植农作物，则将d_i放置在集合A中，提取集合A内第k点的X_k、Y_k，根据(X_k，Y_k)将第k点显示在GIS地图上，k＝1,2,……,n，n为集合A中点的总数；

所述控制模式切换单元，用于从GIS处理单元中获取GIS地图，根据GIS地图上各个点的布局在手动控制模式和自动控制模式之间切换；

当切换为手动控制模式时，所述手动控制单元用于接收操控人员发出的飞行控制指令并发送到飞行执行单元；

当切换为自动控制模式时，所述自动控制单元用于从GIS处理单元获取X_k、Y_k并根据X_k、Y_k规划无人机飞行路线，根据无人机飞行路线形成飞行控制指令并发送到飞行执行单元；

所述飞行执行单元，用于接收手动控制单元和/或自动控制单元发送的飞行控制命令，根据飞行控制命令控制无人机对农田进行植保。

当无人机在农田中飞行时，深度摄像机采集农田的深度点云数据，深度点云数据被存储为集合D，集合D内的每个元素代表每一个点，每个元素都存储了每一个点在三维的直角坐标系X-Y-Z下的坐标值，也即集合D内第i个元素d_i存储了第i点的X_i、Y_i、Z_i。直角坐标系的X-Y平面为水平面，Z轴对应的方向是垂直于水平面的。

在农田中有种植农作物的位置和没有种植农作物的位置在高度上有明显区别的，用深度摄像机所采集的Z_i是不同的，因此在GIS处理单元中可以根据第i点的Z_i区分第i点对应的位置是否有种植农作物。因为有种植农作物的位置需要无人机去植保，该位置必须包含在无人机的飞行路径上，所以GIS处理单元将根据Z_i判断为对应的位置有种植农作物的点均放置在集合A中。

根据集合A内各个点在水平面上的坐标(X_k，Y_k)，GIS处理单元将集合A内各个点绘制在GIS地图上，在GIS地图上即显示无人机需要进行植保的区域。

控制模式切换单元会根据GIS地图各个点的布局选择切换为手动控制模式还是切换为自动控制模式。

如果控制模式切换单元将当前控制模式切换为手动控制模式时，操控人员可以根据GIS地图上所显示的需要植保的区域以及GIS地图上所显示的无人机当前位置，向手动控制单元发出飞行控制命令，让手动控制单元将飞行控制命令发送到飞行执行单元中，从而实现手动控制无人机在需要植保区域进行精准且不遗漏地植保。

如果控制模式切换单元将当前控制模式切换为自动控制模式时，自动控制单元根据集合A内各个点在水平面上的坐标(X_k，Y_k)形成飞行控制命令发送到飞行执行单元中，从而实现自动控制无人机在需要植保区域进行精准且不遗漏地植保。

进一步地，所述控制模式切换单元包括距离计算模块、切换决策模块；

所述距离计算模块，用于计算出显示在GIS地图上相距最远的两点之间的植保距离和/或显示在GIS地图上距离无人机操控地点最远的点与无人机操控地点之间的操控距离，并将植保距离和/或操控距离发送到切换判断模块；

所述切换决策模块，用于接收距离计算模块发送的植保距离和/或操控距离，根据植保距离和/或操控距离的大小决定切换为自动控制模式或手动控制模式。

手动控制模式与自动控制模式相比，手动控制模式可以让操控人员灵活地根据实际农田情况控制在植保作业区域内各个点无人机停留的时间，从而控制各个点的植保时间。

当植保距离或操控距离太远时，通过操控人员的手动控制可能会无法远距离地操控无人机进行植保作业。因此，距离计算模块可以计算出显示在GIS地图上相距最远的两点之间的植保距离和/或显示在GIS地图上距离无人机操控地点最远的点与无人机操控地点之间的操控距离，当植保距离和/或操控距离太大时，控制模式切换单元切换为自动控制模式。

进一步地，所述控制模式切换单元还包括离散度计算模块；

所述离散度计算模块，用于计算出显示在GIS地图上所有点的离散度，并将离散度发送到切换决策单元；

所述切换决策单元还用于接收离散度计算模块发送的离散度，根据离散度的高低决定切换为自动控制模式或手动控制模式。

当离散度较大时表明需要植保作业区域跨度很大，植保作业时间也会相应的很长，为了避免操控人员进行长时间的植保操控，离散度计算模块可以计算出显示在GIS地图上所有点的离散度，当离散度较高时，控制模式切换单元切换为自动控制模式。

进一步地，所述无人机还设有彩色摄像机；

所述彩色摄像机，用于采集农田的彩色点云数据并将彩色点云数据添加在集合D中，d_i＝(X_i,Y_i,Z_i,R_i,G_i,B_i)，R_i、G_i、B_i分别表示第i点三个颜色通道的值，并将集合D发送到GIS处理单元；

所述GIS处理单元还用于接收彩色摄像机发送的集合D，提取集合D内第i点的R_i、G_i、B_i，根据R_i、G_i、B_i区分第i点对应的位置是否有种植农作物，若第i点对应的位置有种植农作物，则将d_i放置在集合B中，将集合B、集合A与集合B的交集或者集合A与集合B的并集作为集合A。

当无人机在农田中飞行时，彩色摄像机采集农田的彩色点云数据，彩色点云数据添加在集合D中，集合D内的每个元素除了存储每一个点的三维坐标以外，还存储了每一个点三个颜色通道的值，也即集合D内第i个元素d_i存储了第i点的X_i、Y_i、Z_i、R_i、G_i、B_i。

在农田中有种植农作物的位置和没有种植农作物的位置在颜色上是有明显区别的，用彩色摄像机所采集的R_i、G_i、B_i是不同的，因此可以根据第i点的R_i、G_i、B_i区分第i点对应的位置是否有种植农作物，将根据R_i、G_i、B_i判断为对应的位置有种植农作物的点均放置在集合B中。

不同农作物在农田中的高度、颜色是不同的。有一些农作物生长高度较高，根据Z_i去判断第i点对应的位置是否有种植农作物较为准确；有一些农作物颜色较有辨识度，根据R_i、G_i、B_i去判断第i点对应的位置是否有种植农作物较为准确。因此，在实际中根据农田所种植农作物的特点，可以单独根据Z_i去判断，也可以单独根据R_i、G_i、B_i去判断，将集合B作为集合A，还可以结合Z_i、R_i、G_i、B_i综合去判断，将集合A和集合B的交集或并集作为集合A。

根据集合A内各个点在水平面上的坐标(X_k，Y_k)，GIS处理单元将集合A内各个点绘制在GIS地图上，在GIS地图上即显示无人机需要进行植保的区域，提高在GIS地图上所显示的需要植保区域的精准度，无论是在手动控制模式下还是在自动控制模式下，都可以实现更加精准的植保。

优选地，所述GIS处理单元还用于将集合A内各个点根据X_k、Y_k的大小排列顺序，并按照该顺序对集合A内各个点在GIS地图上进行连线。

根据X_k、Y_k的大小顺序将显示在GIS地图上的各个点进行连线，所连成的线即为无人机的飞行路径。

在手动控制模式下，操控人员可以方便、直观地确定无人机的飞行路径，根据该连线可以控制无人机精准植保，且保证每一个种植农作物的位置都被植保了。

进一步地，所述GIS处理单元还用于提取集合A内第k点的Z_k，根据Z_k计算第k点的飞行高度h_k＝Z_k+c，c为无人机与农作物的距离，将h_k显示在GIS地图上并发送到自动控制单元；

所述自动控制单元还用于从GIS处理单元获取h_k并根据h_k规划无人机飞行高度，根据无人机飞行路线、无人机飞行高度形成飞行控制指令并发送到飞行执行单元。

无人机在植保作业时，为了保证植保的质量，需要与农作物叶尖保持一定距离，既要保证对农作物的有效植保，又要避免无人机旋翼所造成的强气流对农作物造成伤害。因此，通过GIS处理单元计算无人机的飞行高度，在GIS地图上绘制集合A内各个点的同时，将各个点的飞行高度也显示出来，在手动操控模式下操控人员可以根据所显示的飞行高度精准地控制无人机对农作物进行植保时的高度。将GIS处理单元计算出的飞行高度发送到自动控制单元，在自动操控模式下也可以精准地控制无人机对农作物进行植保时的高度。

一种基于GIS的无人机植保方法，包括以下步骤：

S1.获取无人机的当前位置并显示在GIS地图上；

S2.采集农田的深度点云数据，将深度点云数据存储为集合D＝{d₁,d₂,……,d_m}，其中d_i＝(X_i,Y_i,Z_i)，X_i、Y_i、Z_i分别表示第i点在直角坐标系X-Y-Z下的坐标值，所述直角坐标系的X-Y平面为水平面，i＝1,2,……,m，m为深度点云数据中点的总数，提取集合D内第i点的Z_i，根据Z_i区分第i点的对应的位置是否有种植农作物，若第i点对应的位置有种植农作物，则将d_i放置在集合A中；

S3.提取集合A内第k点的X_k、Y_k，根据(X_k，Y_k)将第k点显示在GIS地图上，k＝1,2,……,n，n为集合A中点的总数；

S4.根据GIS地图上各个点的布局在手动控制模式和自动控制模式之间切换；

S5.当切换为手动控制模式时，接收操控人员发出的飞行控制指令；当切换为自动控制模式时，根据X_k、Y_k规划无人机飞行路线，根据无人机飞行路线形成飞行控制指令；

S6.根据飞行控制命令控制无人机对农田进行植保。

当无人机在农田中飞行时，采集农田的深度点云数据并将深度点云数据存储为集合D，集合D内的每个元素代表每一个点，每个元素都存储了每一个点在三维的直角坐标系X-Y-Z下的坐标值，也即集合D内第i个元素d_i存储了第i点的X_i、Y_i、Z_i。直角坐标系的X-Y平面为水平面，Z轴对应的方向是垂直于水平面的。

在农田中有种植农作物的位置和没有种植农作物的位置在高度上有明显区别的，所采集的Z_i是不同的，因此可以根据第i点的Z_i区分第i点对应的位置是否有种植农作物。因为有种植农作物的位置需要无人机去植保，该位置必须包含在无人机的飞行路径上，所以将根据Z_i判断为对应的位置有种植农作物的点均放置在集合A中。

根据集合A内各个点在水平面上的坐标(X_k，Y_k)，GIS处理单元将集合A内各个点绘制在GIS地图上，在GIS地图上即显示无人机需要进行植保的区域。

根据GIS地图各个点的布局选择切换为手动控制模式还是切换为自动控制模式。

如果当前控制模式切换为手动控制模式时，操控人员可以根据GIS地图上所显示的需要植保的区域以及GIS地图上所显示的无人机当前位置，发出飞行控制命令，从而实现手动控制无人机在需要植保区域进行精准且不遗漏地植保。

如果当前控制模式切换为自动控制模式时，根据集合A内各个点在水平面上的坐标(X_k，Y_k)形成飞行控制命令，从而实现自动控制无人机在需要植保区域进行精准且不遗漏地植保。

进一步地，所述步骤S4具体包括以下步骤：

S41.计算出显示在GIS地图上相距最远的两点之间的植保距离和/或显示在GIS地图上距离无人机操控地点最远的点与无人机操控地点之间的操控距离；

S42.根据植保距离和/或操控距离的大小决定切换为自动控制模式或手动控制模式。

手动控制模式与自动控制模式相比，手动控制模式可以让操控人员灵活地根据实际农田情况控制在植保作业区域内各个点无人机停留的时间，从而控制各个点的植保时间。

当植保距离或操控距离太远时，通过操控人员的手动控制可能会无法远距离地操控无人机进行植保作业。因此，计算出显示在GIS地图上相距最远的两点之间的植保距离和/或显示在GIS地图上距离无人机操控地点最远的点与无人机操控地点之间的操控距离，当植保距离和/或操控距离太大时，将当前控制模式切换为自动控制模式。

进一步地，所述步骤S4具体包括以下步骤：

S41.计算出显示在GIS地图上所有点的离散度；

S42.根据离散度的高低决定切换为自动控制模式或手动控制模式。

当离散度较大时表明需要植保作业区域跨度很大，植保作业时间也会相应的很长，为了避免操控人员进行长时间的植保操控，计算出显示在GIS地图上所有点的离散度，当离散度较高时，将当前控制模式切换为自动控制模式。

进一步地，所述步骤S2中，还采集农田的彩色点云数据并将彩色点云数据添加在集合D中，d_i＝(X_i,Y_i,Z_i,R_i,G_i,B_i)，R_i、G_i、B_i分别表示第i点三个颜色通道的值，提取集合D内第i点的R_i、G_i、B_i，根据R_i、G_i、B_i区分第i点对应的位置是否有种植农作物，若第i点对应的位置有种植农作物，则将d_i放置在集合B中，将集合B、集合A与集合B的交集或者集合A与集合B的并集作为集合A。

当无人机在农田中飞行时，彩色摄像机采集农田的彩色点云数据，彩色点云数据添加在集合D中，集合D内的每个元素除了存储每一个点的三维坐标以外，还存储了每一个点三个颜色通道的值，也即集合D内第i个元素d_i存储了第i点的X_i、Y_i、Z_i、R_i、G_i、B_i。

在农田中有种植农作物的位置和没有种植农作物的位置在颜色上是有明显区别的，用彩色摄像机所采集的R_i、G_i、B_i是不同的，因此可以根据第i点的R_i、G_i、B_i区分第i点对应的位置是否有种植农作物，将根据R_i、G_i、B_i判断为对应的位置有种植农作物的点均放置在集合B中。

不同农作物在农田中的高度、颜色是不同的。有一些农作物生长高度较高，根据Z_i去判断第i点对应的位置是否有种植农作物较为准确；有一些农作物颜色较有辨识度，根据R_i、G_i、B_i去判断第i点对应的位置是否有种植农作物较为准确。因此，在实际中根据农田所种植农作物的特点，可以单独根据Z_i去判断，也可以单独根据R_i、G_i、B_i去判断，将集合B作为集合A，还可以结合Z_i、R_i、G_i、B_i综合去判断，将集合A和集合B的交集或并集作为集合A。

根据集合A内各个点在水平面上的坐标(X_k，Y_k)，将集合A内各个点绘制在GIS地图上，在GIS地图上即显示无人机需要进行植保的区域，提高在GIS地图上所显示的需要植保区域的精准度，无论是在手动控制模式下还是在自动控制模式下，都可以实现更加精准的植保。

优选地，所述步骤S3中，还将集合A内各个点根据X_k、Y_k的大小排列顺序，并按照该顺序对集合A内各个点在GIS地图上进行连线。

根据X_k、Y_k的大小顺序将显示在GIS地图上的各个点进行连线，所连成的线即为无人机的飞行路径。

在手动控制模式下，操控人员可以方便、直观地确定无人机的飞行路径，根据该连线可以控制无人机精准植保，且保证每一个种植农作物的位置都被植保了。

进一步地，还包括以下步骤：所述步骤S3中，还提取集合A内第k点的Z_k，根据Z_k计算第k点的飞行高度h_k＝Z_k+c，c为无人机与农作物的距离，将h_k显示在GIS地图上；

所述步骤S5中，当切换为自动控制模式时，还根据h_k规划无人机飞行高度，根据无人机飞行路线、无人机飞行高度形成飞行控制指令。

无人机在植保作业时，为了保证植保的质量，需要与农作物叶尖保持一定距离，既要保证对农作物的有效植保，又要避免无人机旋翼所造成的强气流对农作物造成伤害。因此，通过计算无人机的飞行高度，在GIS地图上绘制集合A内各个点的同时，将各个点的飞行高度也显示出来，在手动操控模式下操控人员可以根据所显示的飞行高度精准地控制无人机对农作物进行植保时的高度。计算出的飞行高度发送到自动控制单元，在自动操控模式下也可以精准地控制无人机对农作物进行植保时的高度。

与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：

(1)本发明的系统通过无人机所设置的深度摄像机、彩色摄像机，分别采集农田的深度信息和彩色信息，GIS处理单元将深度信息、彩色信息分析处理后在GIS地图上显示出农田中种植了农作物的区域，以便控制无人机的飞行路径和飞行高度，使无人机在农田中精准且不遗漏地对农作物进行植保；

(2)在本发明的系统中，控制模式切换单元可以根据GIS处理单元所形成的GIS地图上各个点的布局在手动控制模式和自动控制模式之间切换，可以根据植保作业区域的实际情况，选择一种更有利于进行植保作业的无人机控制模式；

(3)本发明的方法通过无人机分别采集农田的深度信息和彩色信息，获取无人机所采集的深度信息、彩色信息进行分析处理后在GIS地图上显示出农田中种植了农作物的区域，以便控制无人机的飞行路径和飞行高度，使无人机在农田中精准且不遗漏地对农作物进行植保；

(4)本发明的方法可以根据所形成的GIS地图上各个点的布局在手动控制模式和自动控制模式之间切换，可以根据植保作业区域的实际情况，选择一种更有利于进行植保作业的无人机控制模式。

附图说明

图1是本发明实施例的系统组成示意图。

说明：100.无人机；110.定位单元；120.深度摄像机；130.彩色摄像机；140.飞行执行单元；200.监控终端；210.GIS处理单元；220.手动控制单元；230.自动控制单元；240.控制模式切换单元；241.距离计算模块；242.离散度计算模块；243.切换决策模块。

具体实施方式

附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；

为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；

对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或隐含所指示的技术特征的数量。由此，限定的“第一”、“第二”的特征可以明示或隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。

实施例

如图1所示，一种基于GIS的无人机100植保系统，包括无人机100、监控终端200，所述无人机100设有定位单元110、深度摄像机120、飞行执行单元140，所述监控终端200包括GIS处理单元210、手动控制单元220、自动控制单元230以及控制模式切换单元240；

所述定位单元110，用于获取无人机100当前位置并发送到GIS处理单元210；

所述深度摄像机120，用于采集农田的深度点云数据，将深度点云数据存储为集合D＝{d₁,d₂,……,d_m}，其中d_i＝(X_i,Y_i,Z_i)，X_i、Y_i、Z_i分别表示第i点在直角坐标系X-Y-Z下的坐标值，所述直角坐标系的X-Y平面为水平面，Z轴对应的方向是垂直于水平面的，i＝1,2,……,m，m为深度点云数据中点的总数，并将集合D发送到GIS处理单元210；

所述GIS处理单元210，用于接收定位单元110发送的无人机100当前位置并显示在GIS地图上，还用于接收深度摄像机120发送的集合D，提取集合D内第i点的Z_i，根据Z_i区分第i点的对应的位置是否有种植农作物，若第i点对应的位置有种植农作物，则将di放置在集合A中，提取集合A内第k点的X_k、Y_k，根据(X_k，Y_k)将第k点显示在GIS地图上，k＝1,2,……,n，n为集合A中点的总数；

所述控制模式切换单元240，用于从GIS处理单元210中获取GIS地图，根据GIS地图上各个点的布局在手动控制模式和自动控制模式之间切换；

当切换为手动控制模式时，所述手动控制单元220用于接收操控人员发出的飞行控制指令并发送到飞行执行单元140；

当切换为自动控制模式时，所述自动控制单元230用于从GIS处理单元210获取X_k、Y_k并根据X_k、Y_k规划无人机100飞行路线，根据无人机100飞行路线形成飞行控制指令并发送到飞行执行单元140；

所述飞行执行单元140，用于接收手动控制单元220和/或自动控制单元230发送的飞行控制命令，根据飞行控制命令控制无人机100对农田进行植保。

当无人机100在农田中飞行时，深度摄像机120采集农田的深度点云数据，深度点云数据被存储为集合D，集合D内的每个元素代表每一个点，每个元素都存储了每一个点在三维的直角坐标系X-Y-Z下的坐标值，也即集合D内第i个元素d_i存储了第i点的X_i、Y_i、Z_i。直角坐标系的X-Y平面为水平面，Z轴对应的方向是垂直于水平面的。

在农田中有种植农作物的位置和没有种植农作物的位置在高度上有明显区别的，用深度摄像机120所采集的Z_i是不同的，因此在GIS处理单元210中可以根据第i点的Z_i区分第i点对应的位置是否有种植农作物。因为有种植农作物的位置需要无人机100去植保，该位置必须包含在无人机100的飞行路径上，所以GIS处理单元210将根据Z_i判断为对应的位置有种植农作物的点均放置在集合A中。

根据集合A内各个点在水平面上的坐标(X_k，Y_k)，GIS处理单元210将集合A内各个点绘制在GIS地图上，在GIS地图上即显示无人机100需要进行植保的区域。

控制模式切换单元240会根据GIS地图各个点的布局选择切换为手动控制模式还是切换为自动控制模式。

如果控制模式切换单元240将当前控制模式切换为手动控制模式时，操控人员可以根据GIS地图上所显示的需要植保的区域以及GIS地图上所显示的无人机100当前位置，向手动控制单元220发出飞行控制命令，让手动控制单元220将飞行控制命令发送到飞行执行单元140中，从而实现手动控制无人机100在需要植保区域进行精准且不遗漏地植保。

如果控制模式切换单元240将当前控制模式切换为自动控制模式时，自动控制单元230根据集合A内各个点在水平面上的坐标(X_k，Y_k)形成飞行控制命令发送到飞行执行单元140中，从而实现自动控制无人机100在需要植保区域进行精准且不遗漏地植保。

在本实施例中，所述控制模式切换单元240包括距离计算模块241、离散度计算模块242、切换决策模块243；

所述距离计算模块241，用于计算出显示在GIS地图上相距最远的两点之间的植保距离和/或显示在GIS地图上距离无人机100操控地点最远的点与无人机100操控地点之间的操控距离，并将植保距离和/或操控距离发送到切换判断模块；

所述离散度计算模块242，用于计算出显示在GIS地图上所有点的离散度，并将离散度发送到切换决策单元；根据离散度的高低决定切换为自动控制模式或手动控制模式。

所述切换决策模块243，用于接收距离计算模块241发送的植保距离和/或操控距离，并接收离散度计算模块242发送的离散度，根据植保距离和/或操控距离的大小和/或离散度的高低决定切换为自动控制模式或手动控制模式。

手动控制模式与自动控制模式相比，手动控制模式可以让操控人员灵活地根据实际农田情况控制在植保作业区域内各个点无人机100停留的时间，从而控制各个点的植保时间。

当植保距离或操控距离太远时，通过操控人员的手动控制可能会无法远距离地操控无人机100进行植保作业。因此，距离计算模块241可以计算出显示在GIS地图上相距最远的两点之间的植保距离和/或显示在GIS地图上距离无人机100操控地点最远的点与无人机100操控地点之间的操控距离，当植保距离和/或操控距离太大时，控制模式切换单元240切换为自动控制模式。

当离散度较大时表明需要植保作业区域跨度很大，植保作业时间也会相应的很长，为了避免操控人员进行长时间的植保操控，离散度计算模块242可以计算出显示在GIS地图上所有点的离散度，当离散度较高时，控制模式切换单元240切换为自动控制模式。

具体地，离散度计算模块242获取GIS地图上所有点在水平面上的坐标(X_k，Y_k)，计算这些坐标的方差或者标准差，用方差或者标准差来衡量显示在GIS地图上所有点的离散度，并且设置一预定的方差阈值或者标准差阈值，当计算出来的方差或者标准差大于预定的方差阈值或者标准差阈值时，说明离散度大，此时可以切换为自动控制模式。当计算出来的方差或者标准差小于或等于预定的方差阈值或者标准差阈值时，说明离散度小，此时可以切换为手动控制模式。

在本实施例中，所述无人机100还设有彩色摄像机130；

所述彩色摄像机130，用于采集农田的彩色点云数据并将彩色点云数据添加在集合D中，d_i＝(X_i,Y_i,Z_i,R_i,G_i,B_i)，R_i、G_i、B_i分别表示第i点三个颜色通道的值，并将集合D发送到GIS处理单元210；

所述GIS处理单元210还用于接收彩色摄像机130发送的集合D，提取集合D内第i点的R_i、G_i、B_i，根据R_i、G_i、B_i区分第i点对应的位置是否有种植农作物，若第i点对应的位置有种植农作物，则将d_i放置在集合B中，将集合B、集合A与集合B的交集或者集合A与集合B的并集作为集合A。

当无人机在农田中飞行时，彩色摄像机采集农田的彩色点云数据，彩色点云数据添加在集合D中，集合D内的每个元素除了存储每一个点的三维坐标以外，还存储了每一个点三个颜色通道的值，也即集合D内第i个元素d_i存储了第i点的X_i、Y_i、Z_i、R_i、G_i、B_i。

在农田中有种植农作物的位置和没有种植农作物的位置在颜色上是有明显区别的，用彩色摄像机所采集的R_i、G_i、B_i是不同的，因此可以根据第i点的R_i、G_i、B_i区分第i点对应的位置是否有种植农作物，将根据R_i、G_i、B_i判断为对应的位置有种植农作物的点均放置在集合B中。

不同农作物在农田中的高度、颜色是不同的。有一些农作物生长高度较高，根据Z_i去判断第i点对应的位置是否有种植农作物较为准确；有一些农作物颜色较有辨识度，根据R_i、G_i、B_i去判断第i点对应的位置是否有种植农作物较为准确。因此，在实际中根据农田所种植农作物的特点，可以单独根据Z_i去判断，也可以单独根据R_i、G_i、B_i去判断，将集合B作为集合A，还可以结合Z_i、R_i、G_i、B_i综合去判断，将集合A和集合B的交集或并集作为集合A。

根据集合A内各个点在水平面上的坐标(X_k，Y_k)，GIS处理单元210将集合A内各个点绘制在GIS地图上，在GIS地图上即显示无人机100需要进行植保的区域，提高在GIS地图上所显示的需要植保区域的精准度，无论是在手动控制模式下还是在自动控制模式下，都可以实现更加精准的植保。

优选地，所述GIS处理单元210还用于将集合A内各个点根据X_k、Y_k的大小排列顺序，并按照该顺序对集合A内各个点在GIS地图上进行连线。

根据X_k、Y_k的大小顺序将显示在GIS地图上的各个点进行连线，所连成的线即为无人机100的飞行路径。

在手动控制模式下，操控人员可以方便、直观地确定无人机100的飞行路径，根据该连线可以控制无人机100精准植保，且保证每一个种植农作物的位置都被植保了。

在本实施例中，所述GIS处理单元210还用于提取集合A内第k点的Z_k，根据Z_k计算第k点的飞行高度h_k＝Z_k+c，c为无人机100与农作物的距离，将h_k显示在GIS地图上并发送到自动控制单元230；

所述自动控制单元230还用于从GIS处理单元210获取h_k并根据h_k规划无人机100飞行高度，根据无人机100飞行路线、无人机100飞行高度形成飞行控制指令并发送到飞行执行单元140。

无人机100在植保作业时，为了保证植保的质量，需要与农作物叶尖保持一定距离，既要保证对农作物的有效植保，又要避免无人机100旋翼所造成的强气流对农作物造成伤害。因此，通过GIS处理单元210计算无人机100的飞行高度，在GIS地图上绘制集合A内各个点的同时，将各个点的飞行高度也显示出来，在手动操控模式下操控人员可以根据所显示的飞行高度精准地控制无人机100对农作物进行植保时的高度。将GIS处理单元210计算出的飞行高度发送到自动控制单元230，在自动操控模式下也可以精准地控制无人机100对农作物进行植保时的高度。

在本实施例的具体实施过程中，GIS处理单元210将h_k以标签的形式显示在GIS地图上第k点对应的位置，可以呈现出增强现实的效果，操控人员可以方便、直观地确定无人机100的飞行高度。

优选地，c的取值为0.5m～1.5m。

无人机100在植保作业时，无人机100一般在距离农作物叶尖以上1m左右，因此，c的取值优选为0.5m～1.5m。

优选地，h_k≥2m。

对于低矮农作物，无人机100需要在距离地面以上2m左右。因此，无人机100的飞行高度不能小于2m。

一种基于GIS的无人机植保方法，包括以下步骤：

S1.获取无人机的当前位置并显示在GIS地图上；

S2.采集农田的深度点云数据，将深度点云数据存储为集合D＝{d₁,d₂,……,d_m}，其中d_i＝(X_i,Y_i,Z_i)，X_i、Y_i、Z_i分别表示第i点在直角坐标系X-Y-Z下的坐标值，所述直角坐标系的X-Y平面为水平面，i＝1,2,……,m，m为深度点云数据中点的总数，提取集合D内第i点的Z_i，根据Z_i区分第i点的对应的位置是否有种植农作物，若第i点对应的位置有种植农作物，则将d_i放置在集合A中；

S3.提取集合A内第k点的X_k、Y_k，根据(X_k，Y_k)将第k点显示在GIS地图上，k＝1,2,……,n，n为集合A中点的总数；

S4.根据GIS地图上各个点的布局在手动控制模式和自动控制模式之间切换；

S5.当切换为手动控制模式时，接收操控人员发出的飞行控制指令；当切换为自动控制模式时，根据X_k、Y_k规划无人机飞行路线，根据无人机飞行路线形成飞行控制指令；

S6.根据飞行控制命令控制无人机对农田进行植保。

当无人机在农田中飞行时，采集农田的深度点云数据并将深度点云数据存储为集合D，集合D内的每个元素代表每一个点，每个元素都存储了每一个点在三维的直角坐标系X-Y-Z下的坐标值，也即集合D内第i个元素d_i存储了第i点的X_i、Y_i、Z_i。直角坐标系的X-Y平面为水平面，Z轴对应的方向是垂直于水平面的。

在农田中有种植农作物的位置和没有种植农作物的位置在高度上有明显区别的，所采集的Z_i是不同的，因此可以根据第i点的Z_i区分第i点对应的位置是否有种植农作物。因为有种植农作物的位置需要无人机去植保，该位置必须包含在无人机的飞行路径上，所以将根据Z_i判断为对应的位置有种植农作物的点均放置在集合A中。

根据集合A内各个点在水平面上的坐标(X_k，Y_k)，将集合A内各个点绘制在GIS地图上，在GIS地图上即显示无人机需要进行植保的区域。

根据GIS地图各个点的布局选择切换为手动控制模式还是切换为自动控制模式。

如果当前控制模式切换为手动控制模式时，操控人员可以根据GIS地图上所显示的需要植保的区域以及GIS地图上所显示的无人机当前位置，发出飞行控制命令，从而实现手动控制无人机在需要植保区域进行精准且不遗漏地植保。

如果当前控制模式切换为自动控制模式时，根据集合A内各个点在水平面上的坐标(X_k，Y_k)形成飞行控制命令，从而实现自动控制无人机在需要植保区域进行精准且不遗漏地植保。

在本实施例中，所述步骤S4具体可以包括以下步骤：

S41.计算出显示在GIS地图上相距最远的两点之间的植保距离和/或显示在GIS地图上距离无人机操控地点最远的点与无人机操控地点之间的操控距离；

S42.根据植保距离和/或操控距离的大小决定切换为自动控制模式或手动控制模式。

手动控制模式与自动控制模式相比，手动控制模式可以让操控人员灵活地根据实际农田情况控制在植保作业区域内各个点无人机停留的时间，从而控制各个点的植保时间。

当植保距离或操控距离太远时，通过操控人员的手动控制可能会无法远距离地操控无人机进行植保作业。因此，计算出显示在GIS地图上相距最远的两点之间的植保距离和/或显示在GIS地图上距离无人机操控地点最远的点与无人机操控地点之间的操控距离，当植保距离和/或操控距离太大时，将当前控制模式切换为自动控制模式。

在本实施例中，所述步骤S4具体也可以包括以下步骤：

S41.计算出显示在GIS地图上所有点的离散度；

S42.根据离散度的高低决定切换为自动控制模式或手动控制模式。

当离散度较大时表明需要植保作业区域跨度很大，植保作业时间也会相应的很长，为了避免操控人员进行长时间的植保操控，计算出显示在GIS地图上所有点的离散度，当离散度较高时，将当前控制模式切换为自动控制模式。

具体地，可以获取GIS地图上所有点在水平面上的坐标(X_k，Y_k)，计算这些坐标的方差或者标准差，用方差或者标准差来衡量显示在GIS地图上所有点的离散度。并且设置一预定的方差阈值或者标准差阈值，当计算出来的方差或者标准差大于预定的方差阈值或者标准差阈值时，说明离散度大，此时可以切换为自动控制模式。当计算出来的方差或者标准差小于或等于预定的方差阈值或者标准差阈值时，说明离散度小，此时可以切换为手动控制模式。

在本实施例中，所述步骤S2中，还采集农田的彩色点云数据并将彩色点云数据添加在集合D中，d_i＝(X_i,Y_i,Z_i,R_i,G_i,B_i)，R_i、G_i、B_i分别表示第i点三个颜色通道的值，提取集合D内第i点的R_i、G_i、B_i，根据R_i、G_i、B_i区分第i点对应的位置是否有种植农作物，若第i点对应的位置有种植农作物，则将d_i放置在集合B中，将集合B、集合A与集合B的交集或者集合A与集合B的并集作为集合A。

当无人机在农田中飞行时，彩色摄像机采集农田的彩色点云数据，彩色点云数据添加在集合D中，集合D内的每个元素除了存储每一个点的三维坐标以外，还存储了每一个点三个颜色通道的值，也即集合D内第i个元素d_i存储了第i点的X_i、Y_i、Z_i、R_i、G_i、B_i。

在农田中有种植农作物的位置和没有种植农作物的位置在颜色上是有明显区别的，用彩色摄像机所采集的R_i、G_i、B_i是不同的，因此可以根据第i点的R_i、G_i、B_i区分第i点对应的位置是否有种植农作物，将根据R_i、G_i、B_i判断为对应的位置有种植农作物的点均放置在集合B中。

不同农作物在农田中的高度、颜色是不同的。有一些农作物生长高度较高，根据Z_i去判断第i点对应的位置是否有种植农作物较为准确；有一些农作物颜色较有辨识度，根据R_i、G_i、B_i去判断第i点对应的位置是否有种植农作物较为准确。因此，在实际中根据农田所种植农作物的特点，可以单独根据Z_i去判断，也可以单独根据R_i、G_i、B_i去判断，将集合B作为集合A，还可以结合Z_i、R_i、G_i、B_i综合去判断，将集合A和集合B的交集或并集作为集合A。

根据集合A内各个点在水平面上的坐标(X_k，Y_k)，将集合A内各个点绘制在GIS地图上，在GIS地图上即显示无人机需要进行植保的区域，提高在GIS地图上所显示的需要植保区域的精准度，无论是在手动控制模式下还是在自动控制模式下，都可以实现更加精准的植保。

优选地，所述步骤S3中，还将集合A内各个点根据X_k、Y_k的大小排列顺序，并按照该顺序对集合A内各个点在GIS地图上进行连线。

根据X_k、Y_k的大小顺序将显示在GIS地图上的各个点进行连线，所连成的线即为无人机的飞行路径。

在手动控制模式下，操控人员可以方便、直观地确定无人机的飞行路径，根据该连线可以控制无人机精准植保，且保证每一个种植农作物的位置都被植保了。

在本实施例中，还包括以下步骤：所述步骤S3中，还提取集合A内第k点的Z_k，根据Z_k计算第k点的飞行高度h_k＝Z_k+c，c为无人机与农作物的距离，将h_k显示在GIS地图上；

所述步骤S5中，当切换为自动控制模式时，还根据h_k规划无人机飞行高度，根据无人机飞行路线、无人机飞行高度形成飞行控制指令。

无人机在植保作业时，为了保证植保的质量，需要与农作物叶尖保持一定距离，既要保证对农作物的有效植保，又要避免无人机旋翼所造成的强气流对农作物造成伤害。因此，通过计算无人机的飞行高度，在GIS地图上绘制集合A内各个点的同时，将各个点的飞行高度也显示出来，在手动操控模式下操控人员可以根据所显示的飞行高度精准地控制无人机对农作物进行植保时的高度。计算出的飞行高度，使得在自动操控模式下也可以精准地控制无人机对农作物进行植保时的高度。

在本实施例的具体实施过程中，将h_k以标签的形式显示在GIS地图上第k点对应的位置，可以呈现出增强现实的效果，操控人员可以方便、直观地确定无人机的飞行高度。

优选地，c的取值为0.5m～1.5m。

无人机在植保作业时，无人机一般在距离农作物叶尖以上1m左右，因此，c的取值优选为0.5m～1.5m。

优选地，h_k≥2m。

对于低矮农作物，无人机需要在距离地面以上2m左右。因此，无人机的飞行高度不能小于2m。

相同或相似的标号对应相同或相似的部件；

附图中描述位置关系的仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于GIS的无人机植保系统，包括无人机，其特征在于，还包括监控终端，所述无人机设有定位单元、深度摄像机、飞行执行单元，所述监控终端包括GIS处理单元、手动控制单元、自动控制单元以及控制模式切换单元；所述定位单元，用于获取无人机当前位置并发送到GIS处理单元；

所述深度摄像机，用于采集农田的深度点云数据，将深度点云数据存储为集合D＝{d₁,d₂,……,d_m}，其中d_i＝(X_i,Y_i,Z_i)，X_i、Y_i、Z_i分别表示第i点在直角坐标系X-Y-Z下的坐标值，所述直角坐标系的X-Y平面为水平面，Z轴对应的方向是垂直于水平面的，i＝1,2,……,m，m为深度点云数据中点的总数，并将集合D发送到GIS处理单元；

所述GIS处理单元，用于接收定位单元发送的无人机当前位置并显示在GIS地图上，还用于接收深度摄像机发送的集合D，提取集合D内第i点的Z_i，根据Z_i区分第i点的对应的位置是否有种植农作物，若第i点对应的位置有种植农作物，则将d_i放置在集合A中，提取集合A内第k点的X_k、Y_k，根据(X_k，Y_k)将第k点显示在GIS地图上，k＝1,2,……,n，n为集合A中点的总数；

所述控制模式切换单元，用于从GIS处理单元中获取GIS地图，根据GIS地图上各个点的布局在手动控制模式和自动控制模式之间切换；

当切换为手动控制模式时，所述手动控制单元用于接收操控人员发出的飞行控制指令并发送到飞行执行单元；

当切换为自动控制模式时，所述自动控制单元用于从GIS处理单元获取X_k、Y_k并根据X_k、Y_k规划无人机飞行路线，根据无人机飞行路线形成飞行控制指令并发送到飞行执行单元；

所述飞行执行单元，用于接收手动控制单元和/或自动控制单元发送的飞行控制命令，根据飞行控制命令控制无人机对农田进行植保。

2.根据权利要求2所述的基于GIS的无人机植保系统，其特征在于，所述控制模式切换单元包括距离计算模块、切换决策模块；

所述距离计算模块，用于计算出显示在GIS地图上相距最远的两点之间的植保距离和/或显示在GIS地图上距离无人机操控地点最远的点与无人机操控地点之间的操控距离，并将植保距离和/或操控距离发送到切换判断模块；

所述切换决策模块，用于接收距离计算模块发送的植保距离和/或操控距离，根据植保距离和/或操控距离的大小决定切换为自动控制模式或手动控制模式。

3.根据权利要求3所述的基于GIS的无人机植保系统，其特征在于，所述控制模式切换单元还包括离散度计算模块；

所述离散度计算模块，用于计算出显示在GIS地图上所有点的离散度，并将离散度发送到切换决策单元；

所述切换决策单元还用于接收离散度计算模块发送的离散度，根据离散度的高低决定切换为自动控制模式或手动控制模式。

4.根据权利要求1-3任一项所述的基于GIS的无人机植保系统，其特征在于，所述无人机还设有彩色摄像机；

所述彩色摄像机，用于采集农田的彩色点云数据并将彩色点云数据添加在集合D中，d_i＝(X_i,Y_i,Z_i,R_i,G_i,B_i)，R_i、G_i、B_i分别表示第i点三个颜色通道的值，并将集合D发送到GIS处理单元；

所述GIS处理单元还用于接收彩色摄像机发送的集合D，提取集合D内第i点的R_i、G_i、B_i，根据R_i、G_i、B_i区分第i点对应的位置是否有种植农作物，若第i点对应的位置有种植农作物，则将d_i放置在集合B中，将集合B、集合A与集合B的交集或者集合A与集合B的并集作为集合A。

5.根据权利要求2所述的基于GIS的无人机植保系统，其特征在于，所述GIS处理单元还用于提取集合A内第k点的Z_k，根据Z_k计算第k点的飞行高度h_k＝Z_k+c，c为无人机与农作物的距离，并将h_k显示在GIS地图上；

所述自动控制单元还用于从GIS处理单元获取h_k并根据h_k规划无人机飞行高度，根据无人机飞行路线、无人机飞行高度形成飞行控制指令并发送到飞行执行单元。

6.一种基于GIS的无人机植保方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1.获取无人机的当前位置并显示在GIS地图上；

S2.采集农田的深度点云数据，将深度点云数据存储为集合D＝{d₁,d₂,……,d_m}，其中d_i＝(X_i,Y_i,Z_i)，X_i、Y_i、Z_i分别表示第i点在直角坐标系X-Y-Z下的坐标值，所述直角坐标系的X-Y平面为水平面，Z轴对应的方向是垂直于水平面的，i＝1,2,……,m，m为深度点云数据中点的总数，提取集合D内第i点的Z_i，根据Z_i区分第i点的对应的位置是否有种植农作物，若第i点对应的位置有种植农作物，则将d_i放置在集合A中；

S3.提取集合A内第k点的X_k、Y_k，根据(X_k，Y_k)将第k点显示在GIS地图上，k＝1,2,……,n，n为集合A中点的总数；

S4.根据GIS地图上各个点的布局在手动控制模式和自动控制模式之间切换；

S5.当切换为手动控制模式时，接收操控人员发出的飞行控制指令；当切换为自动控制模式时，根据X_k、Y_k规划无人机飞行路线，根据无人机飞行路线形成飞行控制指令；

S6.根据飞行控制命令控制无人机对农田进行植保。

7.根据权利要求6所述的基于GIS的无人机植保方法，其特征在于，所述步骤S4具体包括以下步骤：

S41.计算出显示在GIS地图上相距最远的两点之间的植保距离和/或显示在GIS地图上距离无人机操控地点最远的点与无人机操控地点之间的操控距离；

S42.根据植保距离和/或操控距离的大小决定切换为自动控制模式或手动控制模式。

8.根据权利要求6所述的基于GIS的无人机植保方法，其特征在于，所述步骤S4具体包括以下步骤：

S41.计算出显示在GIS地图上所有点的离散度；

S42.根据离散度的高低决定切换为自动控制模式或手动控制模式。

9.根据权利要求6-8任一项所述的基于GIS的无人机植保方法，其特征在于，所述步骤S2中，还采集农田的彩色点云数据并将彩色点云数据添加在集合D中，d_i＝(X_i,Y_i,Z_i,R_i,G_i,B_i)，R_i、G_i、B_i分别表示第i点三个颜色通道的值，提取集合D内第i点的R_i、G_i、B_i，根据R_i、G_i、B_i区分第i点对应的位置是否有种植农作物，若第i点对应的位置有种植农作物，则将d_i放置在集合B中，将集合B、集合A与集合B的交集或者集合A与集合B的并集作为集合A。

10.根据权利要求9所述的基于GIS的无人机植保方法，其特征在于，所述步骤S3中，还提取集合A内第k点的Z_k，根据Z_k计算第k点的飞行高度h_k＝Z_k+c，c为无人机与农作物的距离，将h_k显示在GIS地图上；

所述步骤S5中，当切换为自动控制模式时，还根据h_k规划无人机飞行高度，根据无人机飞行路线、无人机飞行高度形成飞行控制指令。