CN112098275A - 一种航空撒播作业质量的快速检测系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种航空撒播作业质量的快速检测系统及方法，该快速检测系统包括多个用于承接航空撒播下来的颗粒物的颗粒承接装置和用于对落在承接装置上的颗粒物进行图像处理的图像处理单元，所述图像处理单元包括用于采集图像的图像采集器和用于对采集到的图像进行处理分析的处理模块；所述颗粒承接装置布置在航空器的航线下方，该颗粒承接装置包括承接箱，该承接箱的顶部设有多个均匀分布的承接分格；所述图像采集器设置在承接箱内，该图像采集器的采集端往上朝向承接分格；所述承接分格的底部由透明材质制成。本发明不仅能够自动对撒播作业质量进行检测和计算，而且具有快速、实时和精准的优点。

Description

一种航空撒播作业质量的快速检测系统及方法
技术领域
本发明涉及航空撒播作业的检测设备及方法，具体涉及一种航空撒播作业质量的快速检测系统及方法。
背景技术
在飞播造林、牧草种子、水稻(小麦、油菜等)种子的航空撒播作业以及航空播撒颗粒肥料、颗粒药剂等作业中，对种子、肥料等颗粒物播撒的均匀性、颗粒物分布密度(撒播量)等指标均有相应的要求，尤其是在水稻、小麦和油菜等农作物撒播作业中，不仅要求颗粒物分布均匀，还要保证撒播的密度在适当的范围内。
进一步，根据撒播的相关标准，航空撒播作业的撒播质量参数主要包括：撒播密度、颗粒物分布均匀性、漏播率、实际落种量误差等。其中，对于上述的撒播质量参数，传统的检测方式主要是采用人工清点方法，在飞机航线下方布置接种样方(一个平方米)或撒播带(宽1米，长若干米)，通过人工清点样方中的颗粒物个数(或称量其质量)来计算撒播质量参数，需要投入大量的人力和物力，且效率低、速度慢、劳动强度大。
为了降低人工劳动强度，提高作业效率，现有技术中提出一些自动检测装置，例如授权公告号为CN205209908U的实用新型专利公开了一种航空播撒颗粒物分布模式现场检测装置，该检测装置包括设置于中心的固定架、在固定架的外围沿周向均匀分布的多个支撑杆、承载器和安装于固定架内部的计量器。虽然上述检测装置实现了自动化检测，在一定程度上减轻了人力劳动，以及提高航空播撒颗粒物现场检测的效率，但是同时存在以下的问题：
1、上述检测装置中的检测单元是“样方”，即以一个平方米上的颗粒物为基准数来进行计算(撒播密度、变异系数和漏播率等)，当一个样方(一个平方米)上的颗粒物数为零时，才认为存在漏播(漏播率等于没有颗粒物的样方数除以总的样方个数)。由此可知，上述的计算和判断方式适合飞播造林等颗粒物分布密度较小的航空作业，而不适合水稻(小麦、油菜等农作物)等颗粒物分布密度较大的撒播作业，
2、通过承载器将颗粒物统一收集到托盘中，再通过称重器对收集到的颗粒物集中称量，获得的重量代表整个收集区的总重量，只能表明该收集区的总的撒播情况，不能精确地检测到收集区内的具体分布情况。
3、要获得整个播区的撒播情况需要将全部承载器收集的颗粒物重量由人工相加后，再计算整体撒播质量参数。
发明内容
本发明的目的在于克服上述存在的问题，提供一种航空撒播作业质量的快速检测系统，该快速检测系统不仅能够自动对撒播作业质量进行检测和计算，而且具有快速、实时和精准的优点。
本发明的另一个目的在于提供一种航空撒播作业质量的快速检测方法。
本发明的目的通过以下技术方案实现：
一种航空撒播作业质量的快速检测系统，包括多个用于承接航空撒播下来的颗粒物的颗粒承接装置和用于对落在承接装置上的颗粒物进行图像处理的图像处理单元，所述图像处理单元包括用于采集图像的图像采集器和用于对采集到的图像进行处理分析的处理模块；
所述颗粒承接装置布置在航空器的航线下方，该颗粒承接装置包括承接箱，该承接箱的顶部设有多个均匀分布的承接分格；所述图像采集器设置在承接箱内，该图像采集器的采集端往上朝向承接分格；所述承接分格的底部由透明材质制成。
上述航空撒播作业质量的快速检测系统的工作原理为：
工作时，将颗粒承接装置布置在航空器(无人机)的航线下方，航空器搭载颗粒物(例如农作物的种子)在设定的航线上进行飞行作业，并往下撒播颗粒物。其中，部分颗粒物落在承接箱上，分别位于多个承接分格中；然后启动图像采集器往上获取颗粒物分布的图像，并将图像传送至处理模块中，由处理模块对图像进行处理(预处理、图像分割和二值化处理等)。其中，由于承接分格的底部为透明材质，进行二值化处理以后，有颗粒物部分为黑色，其他区域为白色，利用图像识别算法经特征提取即可得到颗粒物在多个承接分格的分布情况(包括分布的位置、分布的数量等)，再根据承接箱上表面及各个承接分格的面积计算出当前承接箱上表面区域中的局部撒播质量参数(包括颗粒数量和局部散播密度)。再结合全部颗粒承接装置的撒播质量参数，计算整个撒播区的整体撒播质量参数(包括平均散播密度、颗粒分布均匀性和漏播率)。
本发明的一个优选方案，其中，所述处理模块包括终端处理模块和后台综合处理模块，所述终端处理模块设置在承接箱内，且与图像采集器电连接；所述图像处理单元还包括无线传输模块，该无线传输模块设置在承接箱内；所述终端处理模块通过所述无线传输模块与后台综合处理模块连接。
优选地，所述图像处理单元还包括用于为图像采集器、无线传输模块以及终端处理模块提供电能的电源模块。
本发明的一个优选方案，其中，所述承接箱的上表面上设有栅格板，该栅格板包括多个纵向和横向分布的隔板，多个纵向和横向分布的隔板之间构成多个所述承接分格；所述承接箱的上表面由透明的板材构成。通过上述结构，形成多个独立的小格子，当颗粒物落下后，可以防止颗粒物弹跳以及滚落至其他位置，使得颗粒物停留在落地时的位置上。
优选地，多个纵向和横向分布的隔板通过可拆卸的结构拼接在承接箱的顶部，这样可以根据实际需要，拼接出不同大小的承接分格。
一种航空撒播作业质量的快速检测方法，包括以下步骤：
(1)将颗粒承接装置布置在航空器的航线下方；
(2)航空器搭载颗粒物在设定的航线上进行飞行作业，并往下撒播颗粒物；
(3)颗粒物往下掉落至在颗粒承接装置上，颗粒物随机分布在多个承接分格中；
(4)启动图像采集器，图像采集器往上获取颗粒物分布的图像，并将图像传送至处理模块中；
(5)由处理模块对图像进行处理，得到该图像中的颗粒物分布情况，再计算出当前颗粒承接装置上的局部撒播质量参数；
(6)处理模块再结合全部颗粒承接装置上的局部撒播质量参数，计算整个撒播区的整体撒播质量参数。
本发明的一个优选方案，其中，当图像采集器获取到图像后，将图像传送至终端处理模块，终端处理模块进行处理和分析，得到在当前颗粒承接装置上采集到的局部撒播质量参数后，通过无线传输模块将该颗粒承接装置上的局部撒播质量参数传送至后台综合处理模块中；后台综合处理模块中结合全部颗粒承接装置上的局部撒播质量参数，计算整个撒播区的整体撒播质量参数。
本发明的一个优选方案，其中，所述局部撒播质量参数包括颗粒数量和局部散播密度；
所述整体撒播质量参数包括平均散播密度、颗粒分布均匀性和漏播率。
本发明与现有技术相比具有以下有益效果：
1、本发明中采用图像识别的方式对撒播作业质量(撒播密度、分布均匀性、漏播率、实际落种量误差等)进行检测和计算，具有快速以及实时优点。
2、通过在颗粒承接装置上设置多个承接分格，可以防止颗粒物弹跳以及滚落至其他位置，使颗粒物停留在落地时的位置上，还原颗粒物落到土地时的真实场景，从而得到比较真实且精确的颗粒物分布参数。
3、本发明能实现在不同尺度下对撒播质量参数的检测计算，既符合相关国家标准及行业标准的要求(以“平方米/样方”为尺度来计算撒播密度、变异系数和漏播率等)，又能提高对撒播质量参数描述的准确性(以更小的尺度，如“平方分米”等为基准计算变异系数和漏播率等)。
4、本发明在承接到颗粒物之后，可以自动完成撒播质量参数的检测以及计算，无需人工参与。
附图说明
图1为本发明中的航空撒播作业质量的快速检测系统的作业布局图。
图2为本发明中的颗粒承接装置的立体结构示意图。
图3为本发明中的颗粒承接装置的剖视图。
具体实施方式
为了使本领域的技术人员很好地理解本发明的技术方案，下面结合实施例和附图对本发明作进一步描述，但本发明的实施方式不仅限于此。
参见图1-图3，本实施例中的航空撒播作业质量的快速检测系统，包括多个用于承接航空撒播下来的颗粒物的颗粒承接装置和用于对落在承接装置上的颗粒物进行图像处理的图像处理单元，所述图像处理单元包括用于采集图像的图像采集器和用于对采集到的图像进行处理分析的处理模块。具体地，本实施例中的图像采集器为CMOS摄像头1。
其中，所述处理模块包括终端处理模块和后台综合处理模块，所述终端处理模块设置在承接箱2内，且与CMOS摄像头1电连接；所述图像处理单元还包括无线传输模块，具体为无线网络模块，可参考现有技术的传输模块；所述无线传输模块设置在承接箱2内；所述终端处理模块通过所述无线传输模块与后台综合处理模块连接。具体地，本实施例中的终端处理模块为中央处理器(CPU)；所述后台综合处理模块集成在后台计算机中，在实际检测工作中，终端处理模块将处理好的数据无线传输至后台计算机。
所述图像处理单元还包括用于为CMOS摄像头1、无线传输模块以及终端处理模块提供电能的电源模块，具体结构可参考现有技术中的电池。
参见图1-图3，所述颗粒承接装置布置在航空器的航线下方，该颗粒承接装置包括承接箱2，该承接箱2的顶部设有多个均匀分布的承接分格3；所述CMOS摄像头1设置在承接箱2内，该CMOS摄像头1的采集端往上朝向承接分格3；所述承接分格3的底部由透明材质制成。
进一步，所述承接箱2的上表面上设有栅格板，该栅格板包括多个纵向和横向分布的隔板4，多个纵向和横向分布的隔板4之间构成多个所述承接分格3；所述承接箱2的上表面由透明的板材(例如透明玻璃板、或透明有机材料)构成。通过上述结构，形成多个独立的小格子，当种子落下后，可以防止种子弹跳以及滚落至其他位置，使得种子停留在落地时的位置上。
进一步，多个纵向和横向分布的隔板4通过可拆卸的结构拼接在承接箱2的顶部，这样可以根据实际需要，拼接出不同大小的承接分格3。具体地，本实施例中的承接分格3可以是一个平方分米(或平分分米的整数倍数)的正方形方格。
参见图1-图3，本实施例中的航空撒播作业质量的快速检测方法，包括以下步骤：
(1)将多个颗粒承接装置布置在航空器的航线下方。
(2)航空器搭载种子(或者颗粒肥料、颗粒药剂等)在设定的航线上进行飞行作业，并往下撒撒播子。
(3)种子往下掉落至在颗粒承接装置上，并随机分布在多个承接分格3中。
(4)启动CMOS摄像头1，CMOS摄像头1往上获取种子分布的图像，并将图像传送至终端处理模块中。
(5)由终端处理模块进行处理和分析，得到在当前颗粒承接装置上采集到的种子数量、撒播密度后，通过无线传输模块将该颗粒承接装置上的种子数量、撒播密度传送至后台综合处理模块中。
(6)后台综合处理模块结合全部颗粒承接装置上的种子数量、撒播密度，计算整个撒播区的整体撒播质量参数，得到平均散播密度、颗粒分布均匀性和漏播率。
参见图1-图3，本实施例中的航空撒播作业质量的快速检测系统的工作原理为：
工作时，将多个颗粒承接装置布置在航空器(无人机)的航线下方，航空器搭载种子(或者颗粒肥料、颗粒药剂等)在设定的航线上进行飞行作业，并往下撒撒播子。其中，部分种子落在承接箱2上，分别位于多个承接分格3中；然后启动CMOS摄像头1，CMOS摄像头1往上获取种子分布的图像，并将图像传送至处理模块中，由处理模块对图像进行处理(预处理、图像分割和二值化处理等)。
其中，由于承接分3格的底部为透明材质，进行二值化处理以后，有种子部分为黑色，其他区域为白色，利用图像识别算法经特征提取即可得到种子在多个承接分格3的分布情况(包括分布的位置、分布的数量等)，再根据承接箱2上表面及各个承接分格3的面积计算出当前承接箱2上表面区域中的种子数量、撒播密度等参数。再结合全部颗粒承接装置的种子数量、撒播密度，计算整个撒播区的整体撒播质量参数。
进一步，以“样方(m2)”为检测单元和计算尺度的整体撒播质量参数简要计算过程为：
当承接箱2上表面有效面积为S，单位cm2；检测得到的种子数量(各承接分格中的种子数量之和)为A，单位为粒，则承接箱上表面区域中的撒播密度(或撒播量)为：
Figure BDA0002669302190000081
式中，nm为撒播密度，单位粒/m2。
终端处理模块通过无线传输模块将该颗粒承接装置上表面面积S、撒播密度nm等数据传送至后台综合处理模块中，由后台综合处理模块结合全部颗粒承接装置上的撒播密度数据等，计算整个播区的整体撒播质量参数。
假设在全播区中布置了m个颗粒承接装置，则平均撒播密度为：
Figure BDA0002669302190000082
式中，Nm为平均撒播密度，单位粒/m2；nmi为第i个颗粒承接装置上的撒播密度(i＝1,2,…,m)，单位粒/m2；Ai为第i个颗粒承接装置上的种子数量(i＝1,2,…,m)，单位为粒。
分布均匀性(变异系数)为：
Figure BDA0002669302190000083
Figure BDA0002669302190000091
式中，CVm为全播区变异系数；SDm为标准差；ni为第i个样方(可由几个颗粒承接装置布置在一起拼接而成一个平方米的接种面积)上的种子密度，单位粒/m2；q为布置的总的样方个数。
漏播率计算公式为：
Figure BDA0002669302190000092
式中，p为漏播率％；b为没有接到种子颗粒物的样方个数。
上述为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述内容的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所做的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种航空撒播作业质量的快速检测系统，其特征在于，包括多个用于承接航空撒播下来的颗粒物的颗粒承接装置和用于对落在承接装置上的颗粒物进行图像处理的图像处理单元，所述图像处理单元包括用于采集图像的图像采集器和用于对采集到的图像进行处理分析的处理模块；
所述颗粒承接装置布置在航空器的航线下方，该颗粒承接装置包括承接箱，该承接箱的顶部设有多个均匀分布的承接分格；所述图像采集器设置在承接箱内，该图像采集器的采集端往上朝向承接分格；所述承接分格的底部由透明材质制成。
2.根据权利要求1所述的航空撒播作业质量的快速检测系统，其特征在于，所述处理模块包括终端处理模块和后台综合处理模块，所述终端处理模块设置在承接箱内，且与图像采集器电连接；所述图像处理单元还包括无线传输模块，该无线传输模块设置在承接箱内；所述终端处理模块通过所述无线传输模块与后台综合处理模块连接。
3.根据权利要求2所述的航空撒播作业质量的快速检测系统，其特征在于，所述图像处理单元还包括用于为图像采集器、无线传输模块以及终端处理模块提供电能的电源模块。
4.根据权利要求1所述的航空撒播作业质量的快速检测系统，其特征在于，所述承接箱的上表面上设有栅格板，该栅格板包括多个纵向和横向分布的隔板，多个纵向和横向分布的隔板之间构成多个所述承接分格；所述承接箱的上表面由透明的板材构成。
5.根据权利要求4所述的航空撒播作业质量的快速检测系统，其特征在于，多个纵向和横向分布的隔板通过可拆卸的结构拼接在承接箱的顶部。
6.一种航空撒播作业质量的快速检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将颗粒承接装置布置在航空器的航线下方；
(2)航空器搭载颗粒物在设定的航线上进行飞行作业，并往下撒播颗粒物；
(3)颗粒物往下掉落至在颗粒承接装置上，并随机分布在多个承接分格中；
(4)启动图像采集器，图像采集器往上获取颗粒物分布的图像，并将图像传送至处理模块中；
(5)由处理模块对图像进行处理，得到该图像中的颗粒物分布情况，再计算出当前颗粒承接装置上的局部撒播质量参数；
(6)处理模块再结合全部颗粒承接装置上的局部撒播质量参数，计算整个撒播区的整体撒播质量参数。
7.根据权利要求6所述的航空撒播作业质量的快速检测方法，其特征在于，当图像采集器获取到图像后，将图像传送至终端处理模块，终端处理模块进行处理和分析，得到在当前颗粒承接装置上的局部撒播质量参数后，通过无线传输模块将该颗粒承接装置上的局部撒播质量参数传送至后台综合处理模块中；后台综合处理模块中结合全部颗粒承接装置上的局部撒播质量参数，计算整个撒播区的整体撒播质量参数。
8.根据权利要求6和7任一项所述的航空撒播作业质量的快速检测方法，其特征在于，所述局部撒播质量参数包括颗粒数量和局部散播密度；
所述整体撒播质量参数包括平均散播密度、颗粒分布均匀性和漏播率。
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