CN113093188A - 一种基于无人机遥感的农作物种类识别系统 - Google Patents

一种基于无人机遥感的农作物种类识别系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于无人机遥感的农作物种类识别系统，包括无人机和处理数据的地面站，无人机包括设在可升降吊舱上的光学采集设备和合成孔径雷达，还包括容纳可升降吊舱的容纳舱室和喷气装置，容纳舱室的底部设有一对导风板，一对导风板的受风方向的前端之间留有一定空隙，导风板后端向外侧倾斜延伸让导风板在可升降吊舱降下后挡在可升降吊舱受风方向的左右两侧，喷气装置吸入空气后加压通过自身具有的中空喷气件喷出，喷气方向向后喷向导风板外侧面，中空喷气件设于导风板的前方外侧。本方案没有产生更大的风阻，同时能将前方大部分雨水吸入导风通道排出，并挡住侧面的雨水，克服了现有技术中加强防雨的同时风阻明显增大的问题。

Description

一种基于无人机遥感的农作物种类识别系统
技术领域
本发明属于航空遥感领域，涉及一种基于无人机遥感的农作物种类识别系统。
背景技术
目前农作物分类系统常采用无人机进行航空遥感采集图像数据，然后发送到地面站进行处理完成农作物分类识别，无人机航空遥感具有成本低，方便操作的优点，但是采用光学拍摄或扫描方式获取光谱图像数据的方法在阴雨天气容易受天气光照环境影响，因此适合阴雨天气较多的地区进行遥感数据采集需要采用合成孔径雷达采集数据进行分析，但单纯使用雷达数据，缺少作物种类因光谱、纹理等方面差异特征的分析，会降低农作物分类效果的准确度和可靠性，所以现有技术还缺少一种通过单一无人机系统同时采集光学遥感数据和雷达遥感数据并将二者结合实现对农作物分析的分类系统。
另一方面为了能保证在阴雨天气较多的地区和时节也能让无人机采集到足够多且误差较小的遥感数据，本系统还需要对无人机及采集模块的设置结构进行改进，以适应在天气不太恶劣的情况下在风雨环境中持续采集光学遥感数据和雷达遥感数据，否则难以保持遥感数据采集的连续性和可靠性，导致数据缺失或部分数据可靠性不足，从而影响分析结果的精确性和可靠性。
目前无人机抗风主要依靠无人机自身飞控系统的飞行调节能力，而防雨主要依靠在上部设置防雨罩阻挡雨水，但是飞控调节能力有限，而位于无人机机体外的采集装置由于是独立设置在无人机下方，因此受风后会受到不稳定的阻力，导致无人机不稳定摆动，造成采集到的图像模糊。另一方面靠上方的防雨罩对于受风力影响横向飘飞的雨水阻挡效果较差，仍会导致镜头被雨水影响，采集的图像也随之产生变形。而侧面设置的防雨罩则会加大该处所受风阻，令无人机摇晃更加频繁和剧烈。上述因素导致获得的现有无人机用于分类系统采集到的遥感图像质量较差，大大影响农作物分类结果的可靠性和稳定性。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于无人机遥感的农作物种类识别系统，以解决现有技术中采集图像的无人机在风雨天气中无法同时兼顾防止镜头被横向飘飞的雨水影响和减少采集装置受风阻力，导致采集的图像容易因上述原因而出现模糊变形，造成处理后分类结果受天气影响降低精确性和可靠性的技术问题。
所述的一种基于无人机遥感的农作物种类识别系统，包括设有图像采集模块的无人机和设有数据处理系统的地面站，所述图像采集模块包括光学采集设备和合成孔径雷达，所述光学采集设备和所述合成孔径雷达均装载可升降吊舱上，所述无人机包括容纳收起后的所述可升降吊舱的容纳舱室和喷气装置，所述容纳舱室底部设有供所述可升降吊舱伸出的底部舱门，所述容纳舱室的底部设有一对导风板，一对导风板的受风方向的前端之间留有一定空隙，所述导风板后端向外侧倾斜延伸让所述导风板在所述可升降吊舱降下后挡在所述可升降吊舱受风方向的左右两侧，所述喷气装置吸入空气后加压通过自身具有的中空喷气件喷出，所述中空喷气件的前端设有出气狭缝，所述出气狭缝至所述中空喷气件的后端之间为具有一定倾角的导流面，所述导流面引导后的喷气方向向后喷向所述导风板外侧面，所述中空喷气件设于所述导风板的前方外侧并与所述导风板之间形成进风口大于出风口的导风通道。
优选的，所述导风板为所述底部舱门的门板，所述容纳舱室的底部通过垂直于自身的转轴转动连接有铰链结构，所述铰链结构通过电动转轴与所述底部舱门的门板相连，所述喷气装置包括高速喷气组件，所述高速喷气组件包括转动连接在所述容纳舱室的底部的喷气件安装板和所述中空喷气件，所述中空喷气件安装于喷气件安装板下面，所述铰链结构的外壳与所述喷气件安装板通过传动连杆相连，所述喷气件安装板通过所述无人机的机体内的电机驱动旋转。
优选的，所述喷气装置还包括吸风口、风机和风道，所述中空喷气件内的空腔经所述风道连通所述吸风口，所述风机设于所述吸风口处。
优选的，所述容纳舱室还设有容纳所述中空喷气件的喷气件腔室，所述喷气件腔室底部与所述喷气件安装板上都设有供所述中空喷气件通过的空槽，所述中空喷气件的顶部与所述喷气件腔室内的升降机构的升降端相连，所述升降机构的固定端通过支架连接到所述喷气件安装板上。
优选的，所述安装板包括内板、外板和连接轴，所述内板设于所述喷气件腔室内，所述外板设于所述容纳舱室的底部，所述外板与所述传动连杆连接，所述内板与所述支架固定连接，所述外板与所述内板通过所述连接轴固定连接，所述连接轴与所述容纳舱室的底部转动连接。
优选的，所述容纳舱室的底部设有转动连接在所述容纳舱室的侧壁下面的可转动底板，所述可升降吊舱和所述底部舱门均设于所述可转动底板的中心处，所述容纳舱室的侧壁内侧安装有转动电机，所述转动电机通过齿轮机构驱动所述可转动底板旋转，所述齿轮机构包括固定在所述可转动底板上的齿圈和固定在所述转动电机的输出轴上的齿轮，所述转动电机驱动所述可转动底板转动令所述导风板之间的空隙朝向受风方向。
优选的，所述导风板朝向所述可升降吊舱的表面为平滑面而另一侧为具有弧形隆起的导风面，所述导风面沿风向方向的延伸长度大于所述导流面。
优选的，本农作物分离系统采用的农作物分类方法包括下列步骤：
S1、在选定的农作物样区中通过无人机携带图像采集模块连续采集的光学遥感数据和雷达遥感数据，并适时发送到地面站储存；
S2、分别从光学遥感数据和雷达遥感数据中提取对应的特征数据并进行时间序列化，由此得到光学时序特征数据和雷达时序特征数据；
S3、将光学时序特征数据和雷达时序特征数据融合为多维特征数据集；
S4、构建用于农作物分类的神经网络模型，将从农作物样区获得多维特征数据集作为输入，以事先调查得到的农作物样区中分类结果验证输出，对神经网络模型进行训练得到对应的分类模型；
S5、对待调查区中按一定频率利用无人机进行航空遥感采集光学遥感数据和雷达遥感数据；
S6、依据步骤S2-S3的方式处理后得到的待调查区的多维特征数据集，并将其输入到训练后的分类模型，从而得到待调查区的农作物分类结果。
本发明的技术效果：1、本方案通过导风板和高速喷气件阻挡受风方向两侧的雨水避免对镜头造成影响，同时高速喷气件喷出的高速气流经导流面后利用伯努利原理将导风通道中的空气一同高速朝后部喷出，这样产生负压从而将前端受风方向进入的大部分空气和雨水从两侧风道吸入再喷出，这样就大大减少了镜头部分可能受到的雨水影响，同时由于风经由导风通道引导喷出，因此这种防雨结构没有产生更大的风阻，导风通道从导风面喷出的风速明显高于内侧平滑面方向的风速，因此同样根据伯努利原理，导风板会受到内侧产生向外侧的推力作用，由于导风板是对称倾斜设置，反而受到了朝前的作用力，并且受力左右均衡并能通过喷出气流的速度控制，而喷出气流的速度可以通过喷气装置控制，因此本方案同时能还能对无人机下部受力效果进控制，有助于保持稳定。
2、本方案将门板设置为导风板，这样在不使用采集装置时将采集装置收入容纳舱室并将导风板作为门板受到底部舱门处，能减小风阻令飞行稳定。同样，通过升降机构将不使用状态下的中空喷气件收入喷气件腔室也有减少风阻的效果。喷气件安装板通过转动连杆与控制门板开合的铰链结构相连则能让二者在门板打开移动到倾斜状态的过程中协同运动避免二者发生干涉碰撞。
3、本方案中容纳舱室底部设置可转动底板让上述导风板和中空喷气件的位置能根据感应装置检测到的风向变化进行改变，有效保证无人机受到不同方向的风力影响时都能有效起到减小风阻和遮挡雨水的效果。
4、本方案即使在天气不太恶劣的风雨环境也能同时采集光学遥感数据和合成孔径雷达的雷达遥感数据，后者基本不受风雨天气影响，而前者则通过上述结构改进减少天气环境造成的误差，因此能提供一定量的光学特征数据，二者结合能获得风雨环境下具有使用价值的遥感图像，并能从中提取融合得到多维特征数据集，因此即使是在多阴雨的地区或时节也能保持用于分析农作物种类的遥感数据在时间上的连续性，因此有利于减小天气因素对遥感数据的影响，提高对农作物分类的精确性和可靠性。
附图说明
图1为本发明一种基于无人机遥感的农作物种类识别系统中无人机的结构示意图。
图2为图1所示结构中喷气装置的结构示意图。
图3为图1所示结构的主视图。
图4为图1所示结构中可转动底板下面中空喷气件和导风板布置的结构示意图，其中实线箭头表示自然风向，虚线箭头表示伯努利效应产生的力的方向，点划线表示出气狭缝喷出气流的流动方向。
图5为图4所示结构在门板打开时的结构示意图。
图6为图4所示结构在门板关闭时的结构示意图。
图7为图1所示结构中容纳舱室内部的结构示意图。
图8为图1所示结构中容纳舱室内部的剖视图。
图9为图4所示结构中中空喷气件和导风板的放大图。
附图中的标记为：1、容纳舱室，11、可转动底板，12、底部舱门，2、喷气装置，21、进风口，22、风机，23、风道，24、中空喷气件，241、出气狭缝，242、导流面，25、外板，26、内板，3、导风板，31、导风面，32、平滑面，33、导风通道，34、铰链结构，35、传动连杆，4、图像采集模块，41、光学采集设备，42、合成孔径雷达，43、可升降吊舱，5、升降机构，6、转动电机，7、喷气件腔室，8、自转电机，9、齿轮机构。
具体实施方式
下面对照附图，通过对实施例的描述，对本发明具体实施方式作进一步详细的说明，以帮助本领域的技术人员对本发明的发明构思、技术方案有更完整、准确和深入的理解。
如图1-9所示，本发明提供了一种基于无人机遥感的农作物种类识别系统，包括设有图像采集模块4的无人机和设有数据处理系统的地面站、所述无人机通过无线网络与地面站通信，所述图像采集模块4包括光学采集设备41和合成孔径雷达42，所述光学采集设备41装载可升降吊舱43中，合成孔径雷达42也安装在可升降吊舱43上随之升降。地面站与无人机采用无线通信方式传输数据，数据处理系统包括数据存储模块和利用神经网络模型进行农作物分类识别的农作物分类模块。所述无人机包括容纳舱室1和喷气装置2，所述可升降吊舱43收起后收纳在所述容纳舱室1中，所述容纳舱室1底部设有供所述可升降吊舱43伸出的底部舱门12，所述容纳舱室1的底部设有一对导风板3，一对导风板3的受风方向的前端之间留有一定空隙，所述导风板3后端向外侧倾斜延伸让所述导风板3在所述可升降吊舱43降下后挡在所述可升降吊舱43受风方向的左右两侧，所述喷气装置2吸入空气后加压通过自身具有的中空喷气件24喷出，所述中空喷气件24的前端设有出气狭缝241，所述出气狭缝241至所述中空喷气件24的后端之间为具有一定倾角的导流面242，所述导流面242引导后的喷气方向向后喷向所述导风板3外侧面，所述中空喷气件24设于所述导风板3的前方外侧并与所述导风板3之间形成进风口21大于出风口的导风通道33。
所述导风板3为所述底部舱门12的门板，所述容纳舱室1的底部通过垂直于自身的转轴转动连接有铰链结构34，所述铰链结构34通过电动转轴与所述底部舱门12的门板相连，所述喷气装置2包括高速喷气组件，所述高速喷气组件包括转动连接在所述容纳舱室1的底部的喷气件安装板和所述中空喷气件24，所述中空喷气件24安装于喷气件安装板下面，所述铰链结构34的外壳与所述喷气件安装板通过传动连杆35相连，所述喷气件安装板通过所述无人机的机体内的转动电机6驱动旋转。
所述喷气装置2还包括吸风口、风机22和风道23，所述中空喷气件24内的空腔经所述风道23连通所述吸风口，所述风机22设于所述吸风口处。风道23包括设于容纳腔室中的环形通道，所述环形通道由上下两层可转动相连的通道壳体组成，通道壳体之间通过密封件保持转动过程中的密封，下层通道壳体设有与进风管滑动套接并保持密封的连接口。
所述容纳舱室1还设有容纳所述中空喷气件24的喷气件腔室7，所述喷气件腔室7底部与所述喷气件安装板上都设有供所述中空喷气件24通过的空槽，所述中空喷气件24的顶部与所述喷气件腔室7内的升降机构5的升降端相连，所述升降机构5的固定端通过支架连接到所述喷气件安装板上。
所述安装板包括内板26、外板25和连接轴，所述内板26设于所述喷气件腔室7内，所述外板25设于所述容纳舱室1的底部，所述外板25与所述传动连杆35连接，所述内板26与所述支架固定连接，所述外板25与所述内板26通过所述连接轴固定连接，所述连接轴与所述容纳舱室1的底部转动连接。这里中空喷气件24降下时与外板25的空槽之间保持插接关系，中空喷气件24的进气管通过可转动底板11上的导槽可随外板25的转动而移动。
所述容纳舱室1的底部设有转动连接在所述容纳舱室1的侧壁下面的可转动底板11，所述可升降吊舱43和所述底部舱门12均设于所述可转动底板11的中心处，所述容纳舱室1的侧壁内侧安装有自转电机8，所述自转电机8通过齿轮机构9驱动所述可转动底板11旋转，所述齿轮机构9包括固定在所述可转动底板11上的齿圈和固定在所述自转电机8的输出轴上的齿轮，所述自转电机8驱动所述可转动底板11转动令所述导风板3之间的空隙朝向受风方向。
所述导风板3朝向所述可升降吊舱43的表面为平滑面32而另一侧为具有弧形隆起的导风面31，所述导风面31沿风向方向的延伸长度大于所述导流面242。
本方案中无人机能在不太恶劣的风雨环境下采集数据，当需要将采集设备放出进行采集时，首先通过感应装置检测当前风向，自转电机8通过齿轮机构9驱动可转动底板11转动从而令导风板3的前端朝向受风方向。然后铰链机构中的电动转轴启动，向下打开作为导风板3的门板，同时升降机构5将中空喷气件24降下，这时滑动套接在转动电机6的输出轴上的驱动连杆随之下降。当中空喷气件24到达最低点后，转动电机6启动，通过驱动连杆带动内板26以转动，从而通过升降机构5的升降端带动中空喷气件24一同转动，同时外板25也随之转动，通过转动连杆带动铰链结构34旋转，最终将导风板3转到采集设备在雨中运行时所处的防雨状态。
在雨中导风板3和中空喷气件24处于防雨状态下，启动喷气装置2，将外界空气吸入后加压从中空喷气件24的出气狭缝241喷出。此时一对导风板3的受风方向的前端之间留有一定空隙，所述导风板3后端向外侧倾斜延伸让所述导风板3在所述可升降吊舱43降下后挡在所述可升降吊舱43受风方向的左右两侧，所述中空喷气件24的导流面242引导后的喷气方向向后喷向所述导风板3外侧面，所述中空喷气件24与所述导风板3之间形成进风口21大于出风口的导风通道33。这样导风通道33在中空喷气件24喷气时产生负压从而将前端受风方向进入的大部分空气和雨水从两侧风道23吸入再喷出，大大减少了镜头部分可能受到的雨水影响，同时由于风经由导风通道33引导喷出，因此这种防雨结构没有产生更大的风阻，导风通道33从导风面31喷出的风速明显高于内侧平滑面32方向的风速，因此同样根据伯努利原理，导风板3会受到内侧产生向外侧的推力作用，由于导风板3是对称倾斜设置，反而受到了朝前的作用力。
当停止采集图像时，首先由可升降吊舱43将采集设备收入容纳舱室1，然后转动电机6逆转让中空喷气件24和导风板3恢复到转动前位置，接着升降机构5和电动转轴同时逆转实现中空喷气件24和导风板3的最终复位，从而都收入无人机内，避免造成额外风阻。
本农作物分离系统采用的农作物分类方法包括下列步骤：
S1、在选定的农作物样区中通过无人机携带图像采集模块4连续采集的光学遥感数据和雷达遥感数据，并适时发送到地面站储存；
S2、分别从光学遥感数据和雷达遥感数据中提取对应的特征数据并进行时间序列化，由此得到光学时序特征数据和雷达时序特征数据；
S3、将光学时序特征数据和雷达时序特征数据融合为多维特征数据集；
S4、构建用于农作物分类的神经网络模型，将从农作物样区获得多维特征数据集作为输入，以事先调查得到的农作物样区中分类结果验证输出，对神经网络模型进行训练得到对应的分类模型；
S5、对待调查区中按一定频率利用无人机进行航空遥感采集光学遥感数据和雷达遥感数据；
S6、依据步骤S2-S3的方式处理后得到的待调查区的多维特征数据集，并将其输入到训练后的分类模型，从而得到待调查区的农作物分类结果。
雷达遥感数据基本不受风雨天气影响，而无人机和图像采集模块4的结构改进减少天气环境造成的误差，因此能提供一定量的光学特征数据，二者结合能获得风雨环境下具有使用价值的遥感图像，并能从中提取融合得到多维特征数据集，因此即使是在多阴雨的地区或时节也能保持用于分析农作物种类的遥感数据在时间上的连续性，因此有利于减小天气因素对遥感数据的影响，提高对农作物分类的精确性和可靠性。
上面结合附图对本发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的发明构思和技术方案进行的各种非实质性的改进，或未经改进将本发明构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于无人机遥感的农作物种类识别系统，包括设有图像采集模块(4)的无人机和设有数据处理系统的地面站，所述图像采集模块(4)包括光学采集设备(41)和合成孔径雷达(42)，所述光学采集设备(41)和所述合成孔径雷达(42)均装载在可升降吊舱(43)上，其特征在于：所述无人机包括容纳所述可升降吊舱(43)的容纳舱室(1)和喷气装置(2)，所述容纳舱室(1)底部设有供所述可升降吊舱(43)伸出的底部舱门(12)，所述容纳舱室(1)的底部设有一对导风板(3)，一对导风板(3)的受风方向的前端之间留有一定空隙，所述导风板(3)后端向外侧倾斜延伸让所述导风板(3)在所述可升降吊舱(43)降下后挡在所述可升降吊舱(43)受风方向的左右两侧，所述喷气装置(2)吸入空气后加压通过自身具有的中空喷气件(24)喷出，所述中空喷气件(24)的前端设有出气狭缝(241)，所述出气狭缝(241)至所述中空喷气件(24)的后端之间为具有一定倾角的导流面(242)，所述导流面(242)引导后的喷气方向向后喷向所述导风板(3)外侧面，所述中空喷气件(24)设于所述导风板(3)的前方外侧并与所述导风板(3)之间形成进风口(21)大于出风口的导风通道(33)。
2.根据权利要求1所述的一种基于无人机遥感的农作物种类识别系统，其特征在于：所述导风板(3)为所述底部舱门(12)的门板，所述容纳舱室(1)的底部通过垂直于自身的转轴转动连接有铰链结构(34)，所述铰链结构(34)通过电动转轴与所述底部舱门(12)的门板相连，所述喷气装置(2)包括高速喷气组件，所述高速喷气组件包括转动连接在所述容纳舱室(1)的底部的喷气件安装板和所述中空喷气件(24)，所述中空喷气件(24)安装于喷气件安装板下面，所述铰链结构(34)的外壳与所述喷气件安装板通过传动连杆(35)相连，所述喷气件安装板通过所述无人机的机体内的转动电机(6)驱动旋转。
3.根据权利要求2所述的一种基于无人机遥感的农作物种类识别系统，其特征在于：所述喷气装置(2)还包括吸风口、风机(22)和风道(23)，所述中空喷气件(24)内的空腔经所述风道(23)连通所述吸风口，所述风机(22)设于所述吸风口处。
4.根据权利要求3所述的一种基于无人机遥感的农作物种类识别系统，其特征在于：所述容纳舱室(1)还设有容纳所述中空喷气件(24)的喷气件腔室(7)，所述喷气件腔室(7)底部与所述喷气件安装板上都设有供所述中空喷气件(24)通过的空槽，所述中空喷气件(24)的顶部与所述喷气件腔室(7)内的升降机构(5)的升降端相连，所述升降机构(5)的固定端通过支架连接到所述喷气件安装板上。
5.根据权利要求4所述的一种基于无人机遥感的农作物种类识别系统，其特征在于：所述安装板包括内板(26)、外板(25)和连接轴，所述内板(26)设于所述喷气件腔室(7)内，所述外板(25)设于所述容纳舱室(1)的底部，所述外板(25)与所述传动连杆(35)连接，所述内板(26)与所述支架固定连接，所述外板(25)与所述内板(26)通过所述连接轴固定连接，所述连接轴与所述容纳舱室(1)的底部转动连接。
6.根据权利要求5所述的一种基于无人机遥感的农作物种类识别系统，其特征在于：所述容纳舱室(1)的底部设有转动连接在所述容纳舱室(1)的侧壁下面的可转动底板(11)，所述可升降吊舱(43)和所述底部舱门(12)均设于所述可转动底板(11)的中心处，所述容纳舱室(1)的侧壁内侧安装有自转电机(8)，所述自转电机(8)通过齿轮机构(9)驱动所述可转动底板(11)旋转，所述齿轮机构(9)包括固定在所述可转动底板(11)上的齿圈和固定在所述自转电机(8)的输出轴上的齿轮，所述自转电机(8)驱动所述可转动底板(11)转动令所述导风板(3)之间的空隙朝向受风方向。
7.根据权利要求1所述的一种基于无人机遥感的农作物种类识别系统，其特征在于：所述导风板(3)朝向所述可升降吊舱(43)的表面为平滑面(32)而另一侧为具有弧形隆起的导风面(31)，所述导风面(31)沿风向方向的延伸长度大于所述导流面(242)。
8.根据权利要求1-7中任一所述的一种基于无人机遥感的农作物种类识别系统，其特征在于：采用的农作物分类方法包括下列步骤：
S1、在选定的农作物样区中通过无人机携带图像采集模块(4)连续采集的光学遥感数据和雷达遥感数据，并适时发送到地面站储存；
S2、分别从光学遥感数据和雷达遥感数据中提取对应的特征数据并进行时间序列化，由此得到光学时序特征数据和雷达时序特征数据；
S3、将光学时序特征数据和雷达时序特征数据融合为多维特征数据集；
S4、构建用于农作物分类的神经网络模型，将从农作物样区获得多维特征数据集作为输入，以事先调查得到的农作物样区中分类结果验证输出，对神经网络模型进行训练得到对应的分类模型；
S5、对待调查区中按一定频率利用无人机进行航空遥感采集光学遥感数据和雷达遥感数据；
S6、依据步骤S2-S3的方式处理后得到的待调查区的多维特征数据集，并将其输入到训练后的分类模型，从而得到待调查区的农作物分类结果。
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