CN111122777B - 一种植株冠层生物量测量系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种植株冠层生物量测量系统及方法，该系统包括：含有多个送风口的送风装置、点阵风速采集器以及数据处理器，送风装置和点阵风速采集器设置于待测植株冠层的相对侧，点阵风速采集器与数据处理器通信连接；送风装置用于匀速向待测植株冠层送风；点阵风速采集器用于采集经过待测植株冠层后不同点阵位置风速；数据处理器用于根据不同点阵位置风速，反推出待测植株冠层的生物量特征。本发明实施例提供的植株冠层生物量测量系统及方法，通过采集送风口送风穿过植物冠层之后的有效风速来反推树冠生物量特征，以优化喷施药量与冠层特征匹配，最大程度地降低农药喷施不合理造成的负面影响，提高农药有限利用率，减少环境污染。
Description
技术领域
本发明涉及农业施灌技术领域，尤其涉及一种植株冠层生物量测量系统及方法。
背景技术
风送喷雾是当前农业施药最常用的技术。风送式喷雾机已完全替代喷枪及背负式喷雾机，喷头将药液雾化后，依靠风机产生的强大气流向靶标作物运动，气流到达树冠之后，使叶片发生翻转，大大提高了雾滴附着率与穿透性。
传统风送式喷雾方式，由于在没有果树的位置也进行喷雾，造成大量药剂浪费和环境污染。或者在此基础上做出改进，利用喷雾机施药时，在行驶路径上采用光学传感器或超声传感器探测树冠、利用激光图像或光电传感器探测树干，根据靶标有无进行喷雾开关控制，用于降低果树间隙药液沉积。上述方法虽然较前种方法有所改善，但是在果园中，对于每棵树，冠层茂密区需较大的风量和喷雾量提高雾滴穿透性；对于冠层稀疏区，则需较小的风量和喷雾量以降低雾滴飘移。其施药作业参数不能根据果树冠层结构(如树冠体积、叶面积、树高、树龄和生产季节等)自动调节，进而造成沉积在单位叶片面积上的药液极不均匀，导致局部过量施药和局部防效不理想并存的现象，严重影响果品品质。
在面对上述问题时，变量喷雾成了提高农药有效利用率、提升果品品质的重要手段之一。果园喷雾控制对象主要为喷施药量和风力供给量，二者需要协同精准调控，其按需调控的前提是对果园靶标精准探测。目前树冠结构参数检测主要方法有微波雷达法、高清X射线扫描法、光学传感法超、声波传感法、(立体)视觉法、LIDAR传感法等。
微博雷达法，利用微波的电磁辐射原理，测量电磁波脉冲在发射器与靶标间的时间。其使用环境不受气候条件影响，可测量大尺度的冠层结构，但是其空间分辨率低(最高为1～3m)，不能精确测量冠层的空间结构，如树高、树宽、体积等。
高清X射线扫描法为薄层扫描及高分辨率算法重建图像的检查技术。虽然可以准确重构各种复杂冠层三维结构，且不仅可以输出3D图像，还可以显示精确的定量数据。但缺点是只能测量直径和高度小于1m的冠层，设备价格高、不适合田间使用，而且HRCT的高电压对作业人的健康造成极大的威胁。
光学传感法是监测地面光传感网格系统中冠层的光投影，采用图像处理技术分析不同光位置所得到的投影图像来得到冠层参数。由于传感器价格便宜，使得测试装置适应性强，可以测量冠层尺寸、轮廓、背阴及向阳面积比例。但其存在如下缺陷：要求晴天、光线强、风速低，地植被表面光滑，耗时长、不适合在线使用，需要算法后处理才可以得到冠层3D模型。
超声波传感法，根据激光从发射点到经靶标反射回到接收点的飞行时间。其优势为：价格低，鲁棒性能好，容易执行，适应性好，但也存在超声波束扩散角度大，分辨率和测量精度低的不足。
立体视觉法，通过数码图像传感器接收物体表面的光后，利用CCD或CMOS图像传感器将光信号转换为电信号。立体视觉采用双目数码相机获取两个视野的图像，通过算法将图像坐标转化为实际坐标而，将两个图像融合成一个3D点云图像。冠层结构(树高、体积、LAI)测量精度较微波雷达和光学法高，虽然可以直观地获取包括冠层结构尺寸的3D图像，获得作物的光谱信息，图像同时支持GIS信息提取。但是需要校准，精度没有LIDAR高，对环境光照要求高，不能适用于密闭果园，在线使用过程中3D数据的存贮和处理量大。
LIDAR传感法，主要包括时间飞行LIDAR和相移LIDAR两种方法。其中，时间飞行LIDAR法主要测量激光脉冲在传感器和靶标之间飞行的时间，而相移LIDAR法是测量发射和反射激光束间的相位差。两者的优点是：与视觉法相比，后处理速度快，可以快速获取冠层的3D点云，通过运用适当的算法可以快速准确重构冠层结构图；精度高，与其它现有方法相比，在时间和空间上可以定量描述冠层，比如可以获取冠层3D图像，包括高度、宽度、体积、LAI和叶面积体密度等。但两者均不适合多尘、多雾和潮湿环境，并且存在传感器价格高，冠层体积测量误差与传感器和树冠中心距离、传感器方位角度直接相关，需辅助设备或方法解决这误差，在线使用过程中3D数据的存贮和处理量大等缺陷。
发明内容
为了解决目前农药喷施不合理的问题，本发明实施例提供一种植株冠层生物量测量系统及方法，可以简单直接检测获取植物冠层大小、密度等生物量特，以优化现有的农药施喷方式。
一方面，本发明实施例提供一种植株冠层生物量测量系统，包括：含有多个送风口的送风装置、点阵风速采集器以及数据处理器，送风装置和点阵风速采集器设置于待测植株冠层的相对侧，点阵风速采集器与数据处理器通信连接；送风装置用于匀速向待测植株冠层送风；点阵风速采集器用于采集经过待测植株冠层后不同点阵位置风速；数据处理器用于根据不同点阵位置风速，反推出待测植株冠层的生物量特征。
进一步地，上述点阵风速采集器上设置有多个皮托管，所有皮托管构成二维平面点阵；每个皮托管独立采集所在位置的点阵位置风速。
进一步地，相邻两个所述皮托管之间通过可调节支架连接。
进一步地，皮托管中设置有包括压敏元件，点阵风速采集器还包括模数转换元件和通信元件；压敏元件用于将采集的点阵位置风速转换成电信号；模数转换元件用于将电信号转换成对应的数字量信号；通信元件用于将数字量信号发送至数据处理器。
本发明实施例提供一种基于任一如上所述的植株冠层生物量测量系统的植株冠层生物量测量方法，包括：从待测植株冠层的一侧进行送风，从待测植株冠层的相对侧进行不同点阵位置风速的采集；根据不同点阵位置风速，反推出待测植株冠层的生物量特征。
进一步地，上述从待测植株冠层的相对侧进行不同点阵位置风速的采集，包括：分别测量待测植株冠层的相对侧的不同点阵位置的风力静压和风力动压；基于伯努利定理，根据风力静压和风力动压的压差，获取不同点阵位置风速。
进一步地，上述根据不同点阵位置风速，反推出待测植株冠层的生物量特征，包括：先将不同点阵位置风速转换成电信号；对电信号进行信号放大及滤波处理；将经过信号放大及滤波处理后的电信号转换成数字量信号；利用风压与风速换算模型，根据数字量信号获取不同点阵位置风速；根据不同点阵位置风速，获取各送风口的当前实际风速；根据各送风口的当前实际风速，反推出待测植株冠层的生物量特征。
进一步地，上述根据各送风口的当前实际风速，反推出待测植株冠层的生物量特征，包括：以当前实际风速、生物量特征向量、综合影响变量为自变量，以雾滴穿透比例为因变量，构建风速指数衰减模型；
基于所述风速指数衰减模型，获取生物量特征向量与所述当前实际风速相关的表达函数；根据各送风口的当前实际风速，获取生物量特征向量；根据不同点阵位置的生物量特征向量，建立生物量特征向量矩阵；根据生物量特征向量矩阵中的三维坐标，使用Matlab内部函数griddata拟合出生物量特征曲面图形。
进一步地，上述风速指数衰减模型为：
Pxy为风量穿透比例，且
k(t)为综合影响变量函数，当只考虑风速的影响，其可视为常数；zx′y为当前坐标点(x，y)位置上树冠生物量特征的表示值；vx’y为采集到的第y个送风口，在第x个送风点上的有效风速。x是送风点编号，y是送风口编号；A、a、b均为树冠特征参数，为常数；Q穿为树冠内单位竖直面上平均风量；Q初为刚进入树冠前边缘单位竖直面上平均风量；其中，生物量特征向量与所述当前实际风速相关的表达函数为：
其中，
G(vx′y)为关于vx’y的函数；v0为送风口的初速度；m为送风口的个数。
进一步地，在上述以当前实际风速、生物量特征向量、综合影响变量为自变量，以雾滴穿透比例为因变量，构建风速指数衰减模型之前，还包括：
建立风速采集器二维坐标系，并在每个坐标点上设置一个皮托管；其中风速采集器二维坐标系的x轴以预设距离为单位距离设置n个点，并与送风口之间的距离相对应；y轴均匀设置有m个点，并与送风口的个数相对应；利用每个皮托管采集预设时间内的平均风速；基于风速采集器二维坐标系和每个皮托管采集的平均风速，建立与每个送风点对应的送风口三维坐标；根据送风口三维坐标获取送风口有效坐标；根据送风口有效坐标构建有效风速矩阵，有效风速矩阵用于表征不同点阵位置的当前实际风速。
本发明实施例提供的植株冠层生物量测量系统及方法，通过采集送风口送风穿过植物冠层之后的有效风速来反推树冠生物量特征，以优化喷施药量与冠层特征匹配，最大程度地降低农药喷施不合理造成的负面影响，提高农药有限利用率，减少环境污染。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种植株冠层生物量测量系统的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的一种植株冠层生物量测量系统中点阵风速采集器的结构示意图；
图3为本发明实施例提供的一种对采集的风压进行数据处理的方法示意图；
图4为本发明实施例提供的一种植株冠层生物量测量方法的流程示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例提供一种植株冠层生物量测量系统，如图1所示，主要包括但不限于：含有多个送风口的送风装置、点阵风速采集器以及数据处理器。其中，送风装置和点阵风速采集器设置于待测植株冠层的相对侧，点阵风速采集器与数据处理器通信连接。
其中，送风装置用于匀速向待测植株冠层送风；
其中，点阵风速采集器用于采集经过待测植株冠层后不同点阵位置风速；
其中，数据处理器用于根据不同点阵位置风速，反推出待测植株冠层的生物量特征。
具体地，在本实施例中，图1的左侧为送风装置，包括有4个送风口。在进行风速采集时，送风口以匀速v0想待测植株冠层方向送风。图1的右侧为点阵风速采集器，在实际运用过程中，可根据具体施药对象的大小，增大或减小点阵。
可以在点阵风速采集器上均匀设置多个风速采样单元，用于采集其所在位置的风速v。采集到的风速越大说明冠层越薄、枝叶越稀，风速越小说明冠层越厚、枝叶越密。所以，可以根据所测得的风速，反推出冠层枝叶密度、薄厚等生物量特征。在本实施例中通过设置参数Z，以Z的大小来表示冠层枝叶密度、薄厚等生物量特征，即在点阵风速采集器上某个风速采样单元所测得的v越大，则z越小；v越小，则z越大。最后可以将不同点阵位置设置的风速采样单元所获取到的多组风速v，输入至数据处理器，以反推出整个待测植株冠层的生物量特征。
进一步地，数据处理器可以根据所采集到的多组风速v，拟合出能表示树冠大小、形状以及枝叶密度的冠层模型。
进一步地，由于在果园等园林内，植株的种植一般较为规律，且一般采取统一管理，树的长势相似，树冠大小相似，所以可以通过相同方法，采样定量的树冠样本，来近似代替整个园林的树冠特征。
进一步地，在本发明实施例中送风装置可以采用轴流风机等常用的匀速风机，可以通过风机参数获取标准电压下的送风口；该送风装置也可以采用能调节喷头风速的风送式喷雾机
进一步地，在本发明实施例中送风装置可以呈固定阵列排布设置，并与所述点阵风速采集器相对应，即每个送风口对应一个风速采集单元；该也可以设置为列状结构，所述列状结构垂直于地面，并设置于可移动装置上，比如喷雾小车上，该喷雾小车可往返于相邻植株之间。
进一步地，在本发明实施例中，每个送风装置上设置有电磁开关，用于控制是否喷药以及具体地喷药量，具体包括一个差分定位系统，根据数据处理器反馈的待测植株冠层的生物量特征，控制电磁开关的开闭，再通过调节风机的转速调节送风口的风速，实现精准变量喷雾。
进一步地，在本发明实施例中所述点阵风速采集器均匀设置有多个流速仪，分别用于检测不同点阵位置风速。
本发明实施例提供的植株冠层生物量测量系统，通过设置相互对应的送风装置和点阵风速采集器，采集送风口的送风穿过植物冠层之后的有效风速来反推树冠生物量特征，以优化喷施药量与冠层特征匹配，最大程度地降低农药喷施不合理造成的负面影响，提高农药有限利用率，减少环境污染。
基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，如图1所示，点阵风速采集器上设置有多个皮托管，所有皮托管构成二维平面点阵；每个皮托管独立采集所在位置的点阵位置风速。
具体地，在本发明实施例中，点阵风速采集器中的皮托管可以选取RK-PT皮托管流速仪。其中，RK-PT-101皮托管流速仪是基于传统皮托管的差压测量原理而一体化设计的，操作直观简单。其流速测量范围为0-30m/s，测量精度为≤±5％FS，温度量程为(0-300)℃，压力量程为(-10至10)kPa或(-5至5)kPa或(-2至2)kPa，介质温度范围为(0-300)℃，环境温度要求为(-20-50)℃，相对湿度要求为：≤90％，而上述参数及要求均符合果园等园林的施药条件。
基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，如图2所示，在相邻两个所述皮托管之间通过可调节支架连接。
具体地，在本发明实施例中利用可调节支架固定皮托管，能够最大限度减少支架对采集风速的影响。其中，可调节支架的长度由采集点的多少和其之间的距离决定，可以根据树冠大小增多或减少。支架高度由送风装置的送风口决定。如图2建立坐标系，支架每个交点(x，y)处安装有一个皮托管，每个皮托管均连接数据处理器。支架的所有设置有皮托管的交点构成点阵。
在实际施药过程中，可以将风速采集器距离树冠最厚处30cm，使用皮托管分别测量所在位置，由送风装置的送风穿过冠层后的点阵位置风速。
具体地，可调节支架可以使用316L不锈钢材质，皮托管插入长度1500mm。
基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，皮托管中设置有包括压敏元件；点阵风速采集器还包括模数转换元件和通信元件，其中：压敏元件用于将采集的点阵位置风速转换成电信号；模数转换元件用于将电信号转换成对应的数字量信号；通信元件用于将数字量信号发送至数据处理器。
具体地，上述风压的转换方式可以在硬件电路上进行处理，即通过硬件电路对每个皮托管采集的点阵位置风速，利用压敏元件进行压力值的检测，以转换成对应的电信号；并利用A-D模拟转换电路，将电信号转换为数字量信号，最后可以利用数据处理器中预先存储的实际试验数据和风压与风速换算模型，计算获得当前的实际风速，实现将多个皮托管检测的数据传输至数据处理器，并完成数据转换，获取到点阵风速采集器上综合风速数据的采集。
基于上述实施例中提供的植株冠层生物量测量系统，本发明实施例提供一种植株冠层生物量测量方法，如图4所示，包括但不限于以下步骤：
从待测植株冠层的一侧进行送风，从待测植株冠层的相对侧进行不同点阵位置风速的采集；根据不同点阵位置风速，反推出待测植株冠层的生物量特征。
具体地，在本实施例中即利用上述任一实施例中提供的植株冠层生物量测量系统，即将送风装置与点阵风速采集器相对于待测植株进行对称设置，这样能够最大限度的保证经过待测冠层的送风被完整的输送至点阵风速采集器。并进一步地，通过对点阵风速采集器采集的不同点阵位置风速，反推获取待测植株冠层的生物量特征。上述方法的执行过程在上述实施例中对于植株冠层生物量测量系统的描述中已经给予介绍，在此处不作赘述。
给予上述实施例的内容，作为一种可选实施例，上述从待测植株冠层的相对侧进行不同点阵位置风速的采集，包括：分别测量待测植株冠层的相对侧的不同点阵位置的风力静压和风力动压；基于伯努利定理，根据风力静压和风力动压的压差，获取不同点阵位置风速。
在本发明实施例提供的植株冠层生物量测量方法中，可以在进行施药之前，先进行点阵风速采集器的标定，即预先获取到点阵风速采集器上各个风速采样单元的风力静压。在施药过程中，仅需收集点阵风速采集器上各风速采样单元的风力动压，则可以直接计算获取到不同点阵位置风速。
具体地，由于皮托管结构简单、制造使用方便、价格低廉，而且只要精心制造并经过严格标定和适当修正，即可在一定的速度范围内达到较高的测量精度，因此在本发明实施例中可以使用皮托管进行风速的测量。
皮托管测量流速的原理是：分别测量测量风力动压和风力静压，根据动静压力差，再应用伯努利定理算出气流的速度。其中静压为皮托管在没有外界干扰(包括外力、风等)时的初始压力；而风力动压则是在接收到外界风力时所产生的对应的风力。其中伯努利定理算出气流的速度的公式为：
其中，V为被测介质流速(m/s)；p为皮托管压差值(Pa)；ρ为流体密度(g/m3)；k为皮托管系数，由皮托管的设计和结构决定，直接影响测量精确度。
进一步地，在本发明实施例提供的植株冠层生物量测量方法，可根据目的要测的量程，订制不同的数字测风压风速仪，以适应不同的环境。若选用皮托管测流体速度在具有很高的精度的同时，还具有简单低价、高分辨率、高精度、高稳定性的特点。
基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，上述根据不同点阵位置风速，反推出待测植株冠层的生物量特征，包括但不限于以下步骤：先将不同点阵位置风速转换成电信号；对电信号进行信号放大及滤波处理；将经过信号放大及滤波处理后的电信号转换成数字量信号；利用风压与风速换算模型，根据数字量信号获取不同点阵位置风速；根据不同点阵位置风速，获取各送风口的当前实际风速；根据各送风口的当前实际风速，反推出待测植株冠层的生物量特征。
其中，如图3所示，一方面，在使用皮托管实际测量中，若风速比较小，其传导给压力元件的压值很小，极易受到外界其它信号的干扰。另一方面，在对风压信号的转换中，一些特定干扰信号会不可避免的被引入到AD采集，因此，在对电信号进行处理以及传输时，需要加入放大电路和滤波处理，以得到更准确的风速数据。
其中，根据不同点阵位置风速，获取各送风口的当前实际风速，包括但不限于以下步骤：
建立风速采集器二维坐标系，并在每个坐标点上设置一个皮托管；其中所述风速采集器二维坐标系的x轴以预设距离为单位距离设置n个点，并与所述送风口之间的距离相对应；y轴均匀设置有m个点，并与送风口的个数及间距相对应，即y轴上的各点之间的间距由送风口间距决定。利用每个皮托管采集预设时间内的平均风速；基于风速采集器二维坐标系和所述每个所述皮托管采集的平均风速，建立与每个送风点对应的送风口三维坐标；根据送风口三维坐标获取送风口有效坐标；根据送风口有效坐标构建有效风速矩阵，所述有效风速矩阵用于表征所述不同点阵位置的当前实际风速。
在本实施例中以图1为例进行说明，具体如下：
在采集风速时，送风装置的各送风口方向呈水平，送风口离树冠距离为50cm，以匀速v0送风，时间持续3s。其中，考虑到不同植株树冠大小不一，若树冠很小，可定一个位置；若树冠大，则可采取在送风装置的移动方向上，每30cm设置一个送风点，依次记为(a，b，c，d，e……)，每个送风点对应30cm长的有效面积。根据树冠大小，设置不同个数的送风点。右侧为点阵风速采集器，可根据具体对象增大或减小点阵，其与数据处理器通信连接。如图1所示，可以将点阵风速采集器，建立为一个二维坐标系，x轴以30cm为单位距离，和左侧送风点距离相对应，y轴有m个点，和送风口的个数及间距相对应。点阵风速采集器中每个坐标点(x，y)上设置一个皮托管，用于采集当前坐标的3s内平均风速(vxy)，采集到的vxy越大，说明冠层越薄、生物量越少；vxy越小，说明冠层越厚、生物量越多。
由此，点阵风速采集器在每个送风点可得出一组送风点三维坐标。如a点可得到公式1所示的三维坐标矩阵：
但由于在送风点a的有效坐标是[(1,m,v1m),…(1,3,v13)，(1,2,v12)，(1,1,v11)]T四个点，送风点b的有效坐标是[(2,m,v2m),…(2,3,v23)，(2,2,v22)，(2,1,v21)]T…因此，所有送风点的有效坐标可组成一个新矩阵，即有效风速矩阵V，即公式2：
其中x′表示第x′个送风点，矩阵V表示点阵风速采集器所得到的有效风速，即送风口输出的风穿过植物冠层之后的有效速度，即可以表征不同点阵位置的当前实际风速。
本发明实施例提供的植株冠层生物量测量方法，通过建立送风点三维坐标，构建有效风速矩阵，以表征不同点阵位置的当前实际风速，可最大限度减小测得送风装置送风穿透冠层之后速度的误差。以保证后期反推树冠模型的准确性、可靠性。
基于上述实施例中内容，作为一种可选实施例，上述根据各送风点的当前实际风速，反推出待测植株冠层的生物量特征，包括但不限于以下步骤：
以当前实际风速、生物量特征向量、综合影响变量为自变量，以雾滴穿透比例为因变量，构建风速指数衰减模型；基于风速指数衰减模型，获取生物量特征向量与当前实际风速相关的表达函数；根据各送风口的当前实际风速，获取生物量特征向量；根据不同点阵位置的生物量特征向量，建立生物量特征向量矩阵；根据生物量特征向量矩阵中的三维坐标，使用Matlab内部函数griddata拟合出生物量特征曲面图形。
在本发明实施例中对获取到的各送风点的当前实际风速进行相应的数据处理，拟合出能够表述树冠生物量的模型，具体包括以下步骤：
根据获取的各个送风点的当前实际风速后，构建公式3所述的矩阵M，其中zx′y＝G(vx′y)：
其中zx′y为树冠生物量向量，能够表征当前采样点的枝叶密度、冠层薄厚等树冠生物量特征，其值的大小由采集到的vxy决定，vxy越大，z越小；vxy越小，z越大。
进一步地，以所述当前实际风速vx′y、生物量特征向量zx′y、综合影响变量t为自变量，以雾滴穿透比例P为因变量，构建风速指数衰减模型，如公式4所示：
在本发明实施例中，只考虑风速的影响，所以k(t)可视为常数；A、a、b由所测具体树冠特征决定，对于指定的树冠，在具体运算过程中也可以视为常数。
进一步地结合公式5(为简化计算，公式5中约去截面积、时间等相同的参数)，可以获取到公式6。其中公式5和公式6分别为：
其中，Pxy为风量穿透比例，且
k(t)为综合影响变量函数，当只考虑风速的影响，其可视为常数；zx′y为当前坐标点(x，y)位置上树冠生物量特征的表示值；vx’y为采集到的第y个送风口，在第x个送风点上的有效风速。x是送风点编号，y是送风口编号；A、a、b均为树冠特征参数，为常数；Q穿为树冠内单位竖直面上平均风量；Q初为刚进入树冠前边缘单位竖直面上平均风量；
进一步地，在公式6中，
可视为常数Q，因此可以进一步对公司6进行简化，获取公式7：
zx′y＝G(vx′y)＝-dvx′y+e 公式7
在公式7中，由于只有d、e两个参数，并且d、e均为正数，可以由具体采集到的样本数据进行训练获取，因此建立了由vx′y转化获取zx′y的函数表达式，即可以根据获取到的不同点阵位置的当前实际风速，计算出对应冠层的生物量特征。
进一步地，在本发明实施例中可以根据矩阵M中的三维坐标，可以使用Matlab内部函数griddata拟合出一个能直观表示枝叶密度，冠层薄厚的曲面图形，所获取的生物量特征结果更为直观。
最后，为充分说明以及证明本发明实施例提供的植株冠层生物量测量系统的可行性以及先进性，提供如下实施例：
在果树的变量喷雾中，树冠生物量特征的提取是一个重点。所以本发明实施例选取一个梨树果园为例进行试验。
送风装置使用一种能调节喷头风速的风送式喷雾机，并选取整个果园数量的1％，同时不少于10棵树，作为样本，样本果树位置在长势相同的区域随机选取。风速采集器中的皮托管选取RK-PT皮托管流速仪，RK-PT-101皮托管流速仪是基于传统皮托管的差压测量原理而设计的。采用一体式设计，操作直观简单，其流速测量范围为0-30m/s，测量精度为≤±5％FS，温度量程为(0-300)℃，压力量程为(-10至10)kPa或(-5至5)kPa或(-2至2)kPa，介质温度范围为(0-300)℃，环境温度要求为(-20-50)℃，相对湿度要求为：≤90％，所有这些参数均符合果园施药条件。
将喷雾机送风口初速度设为v0，采集每个送风点穿过树冠之后的速度vxy。如a点为(此时，设m为1):
得到各个送风点的风速之后，组建对应的三维坐标系，x轴以30cm为单位距离，和左侧送风点距离相对应，y轴有4个点，和送风口相对应，z轴表示树冠特征。并得到式矩阵M，其中zx′y＝G(vx′y)。
以出口风速vx′y、zx′y、其他综合影响变量t为自变量，雾滴穿透比例P为因变量，构建模型为指数衰减模型：
k(t)可视为常数，a，b由所测具体果园决定。再根据公式5可以获取到公式6和7。
至此，在本实施例中可以拟合出能表示果树冠层生物量的模型，同时也可以根据公式8，获取到所需要的喷雾机喷头初速度v0为:
得到所需要喷雾的速度v0,进而控制风机转速来得到所需v0。
进一步地，在本发明实施例中，采用的喷雾机药箱容量为350L，施药时，在施药小车行驶过程中，根据电磁开关部分中的差分定位系统，控制电磁开关的开闭，控制是否喷药。再通过调节风机转速调节喷头风速，实现精准变量喷雾。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (6)
1.一种植株冠层生物量测量系统，其特征在于，包括：
含有多个送风口的送风装置、点阵风速采集器以及数据处理器，所述送风装置和所述点阵风速采集器设置于待测植株冠层的相对侧，所述点阵风速采集器与所述数据处理器通信连接；
所述送风装置用于匀速向所述待测植株冠层送风；
所述点阵风速采集器用于采集经过所述待测植株冠层后不同点阵位置风速；
所述数据处理器用于根据所述不同点阵位置风速，反推出所述待测植株冠层的生物量特征；
所述点阵风速采集器上设置有多个皮托管，所有所述皮托管构成二维平面点阵；每个所述皮托管独立采集所在位置的点阵位置风速；
所述数据处理器根据所述不同点阵位置风速，反推出所述待测植株冠层的生物量特征，具体包括：
先将所述不同点阵位置风速转换成电信号；
对所述电信号进行信号放大及滤波处理；
将经过信号放大及滤波处理后的电信号转换成数字量信号；
利用风压与风速换算模型，根据所述数字量信号获取不同点阵位置风速；
根据所述不同点阵位置风速，获取位于所述点阵风速采集器上的各送风点的当前实际风速；
根据所述各送风点的当前实际风速，反推出所述待测植株冠层的生物量特征；
其中，所述根据所述各送风点的当前实际风速，反推出所述待测植株冠层的生物量特征，具体包括：
以所述当前实际风速、生物量特征向量、综合影响变量为自变量，以风量穿透比例为因变量，构建风速指数衰减模型；
基于所述风速指数衰减模型，获取生物量特征向量与所述当前实际风速相关的表达函数；
根据所述各送风口的当前实际风速，获取所述生物量特征向量；
根据所述不同点阵位置的生物量特征向量，建立生物量特征向量矩阵；
根据所述生物量特征向量矩阵中的三维坐标，使用Matlab内部函数griddata拟合出生物量特征曲面图形；
其中，所述风速指数衰减模型为：
其中，Pxy为风量穿透比例，且
k(t)为综合影响变量函数，当只考虑风速的影响，其可视为常数；zx′y为当前坐标点(x，y)位置上树冠生物量特征的表示值；vx’y为采集到的第y个送风口，在第x个送风点上的有效风速；x是送风点编号，y是送风口编号；A、a、b均为树冠特征参数，为常数；Q穿为树冠内单位竖直面上平均风量；Q初为刚进入树冠前边缘单位竖直面上平均风量；
所述生物量特征向量与所述当前实际风速相关的表达函数为：
其中，G(vx′y)为关于vx’y的函数；v0为送风口的初速度；m为送风口的个数。
2.根据权利要求1所述的植株冠层生物量测量系统，其特征在于，相邻两个所述皮托管之间通过可调节支架连接。
3.根据权利要求2所述的植株冠层生物量测量系统，其特征在于，所述皮托管中设置有包括压敏元件；
所述点阵风速采集器还包括模数转换元件和通信元件；
所述压敏元件用于将采集的点阵位置风速转换成电信号；
所述模数转换元件用于将所述电信号转换成对应的数字量信号；
所述通信元件用于将所述数字量信号发送至所述数据处理器。
4.一种基于权利要求1-3任一所述的植株冠层生物量测量系统的植株冠层生物量测量方法，其特征在于，包括：
从所述待测植株冠层的一侧进行送风，从所述待测植株冠层的相对侧进行不同点阵位置风速的采集；
根据所述不同点阵位置风速，反推出所述待测植株冠层的生物量特征；
所述根据所述不同点阵位置风速，反推出所述待测植株冠层的生物量特征，包括：
先将所述不同点阵位置风速转换成电信号；
对所述电信号进行信号放大及滤波处理；
将经过信号放大及滤波处理后的电信号转换成数字量信号；
利用风压与风速换算模型，根据所述数字量信号获取不同点阵位置风速；
根据所述不同点阵位置风速，获取位于所述点阵风速采集器上的各送风点的当前实际风速；
根据所述各送风点的当前实际风速，反推出所述待测植株冠层的生物量特征；
所述根据所述各送风点的当前实际风速，反推出所述待测植株冠层的生物量特征，包括：
以所述当前实际风速、生物量特征向量、综合影响变量为自变量，以风量穿透比例为因变量，构建风速指数衰减模型；
基于所述风速指数衰减模型，获取生物量特征向量与所述当前实际风速相关的表达函数；
根据所述各送风口的当前实际风速，获取所述生物量特征向量；
根据所述不同点阵位置的生物量特征向量，建立生物量特征向量矩阵；
根据所述生物量特征向量矩阵中的三维坐标，使用Matlab内部函数griddata拟合出生物量特征曲面图形；
所述风速指数衰减模型为：
其中，Pxy为风量穿透比例，且
k(t)为综合影响变量函数，当只考虑风速的影响，其可视为常数；zx′y为当前坐标点(x，y)位置上树冠生物量特征的表示值；vx’y为采集到的第y个送风口，在第x个送风点上的有效风速；x是送风点编号，y是送风口编号；A、a、b均为树冠特征参数，为常数；Q穿为树冠内单位竖直面上平均风量；Q初为刚进入树冠前边缘单位竖直面上平均风量；
所述生物量特征向量与所述当前实际风速相关的表达函数为：
其中，G(vx′y)为关于vx’y的函数；v0为送风口的初速度；m为送风口的个数。
5.根据权利要求4所述的植株冠层生物量测量方法，其特征在于，所述从所述待测植株冠层的相对侧进行不同点阵位置风速的采集，包括：
分别测量所述待测植株冠层的相对侧的不同点阵位置的风力静压和风力动压；
基于伯努利定理，根据所述风力静压和所述风力动压的压差，获取所述不同点阵位置风速。
6.根据权利要求5所述的植株冠层生物量测量方法，其特征在于，所述根据所述不同点阵位置风速，获取各送风点的当前实际风速，包括：
建立风速采集器二维坐标系，并在每个坐标点上设置一个皮托管；其中所述风速采集器二维坐标系的x轴以预设距离为单位距离设置n个点，并与所述送风点之间的距离相对应；y轴均匀设置有m个点，并与送风口的个数相对应；
利用每个所述皮托管采集预设时间内的平均风速；
基于所述风速采集器二维坐标系和所述每个所述皮托管采集的平均风速，建立与每个送风点对应的送风点三维坐标；
根据所述送风点三维坐标获取送风点有效坐标；
根据所述送风点有效坐标构建有效风速矩阵，所述有效风速矩阵用于表征所述不同点阵位置的当前实际风速。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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