CN113175956A - 一种作物长势监测的多光谱及光学相机传感器装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种作物长势监测的多光谱及光学相机传感器装置，包括多光谱探测模块、光学相机模块、姿态传感模块、微控制器、微型计算机模块和网络通信模块。所述多光谱探测模块包括多光谱入射光探测模块、多光谱反射光探测模块和传感器控制主板；多光谱入射光探测模块、多光谱反射光探测模块平行设置，通过SPI总线连接到微控制器；姿态传感模块安装于传感器控制主板上，通过IIC总线连接到微控制器；微控制器、光学相机模块与网络通信模块通过USB总线连接到微型计算机模块。本发明结构简单，能实现作物冠层多波段反射光谱光照条件自适应测量，并获取作物冠层真彩色图像信息，从而实现作物营养状况、长势信息实时采集与动态监测。

Description

一种作物长势监测的多光谱及光学相机传感器装置

技术领域

本发明属于农业无损检测与探测技术领域(植物生理仪器领域)，具体涉及一种用于作物长势监测的非成像多光谱及光学相机传感器装置。

背景技术

作物长势是当前和近期作物生长状况及其变化快慢和均匀程度的综合体现，可通过形态指标和营养指标来进行表征。其中形态指标反映了近期作物生长发育情况，包括，如叶面积、覆盖度、高度等信息，而营养指标反映了当前作物营养健康状况，包括，如色素含量、氮素含量、水分含量等信息。作物长势状况总体反应了作物生长状况与受外界条件胁迫情况，是对作物进行水肥调控、估产的重要依据。遥感探测技术在农作物生长状况监测、评估、研究与应用方面发挥了重要作用。作物形成不同的长势状况主要是由于形态与营养指标的变化引起，而二者指标的变化会在不同波段形成特定吸收和散射特性，从而在反射光谱波段形成较明显的差异。因此，可通过光谱仪等设备对光谱信息进行探测，结合模型反演作物形态与营养指标的含量特征，从而用于反映作物总体长势状况。

目前，许多研究虽基于卫星高光谱遥感、无人机高光谱遥感、地物光谱仪实测等技术获取了作物长势状况相关的高光谱信息，然而这些技术手段获取的高光谱数据成本较高，而且数据冗余性强、处理复杂，导致获取的作物长势信息实时性较差。为减少获取光谱数据的冗余性、降低数据处理难度，一些研究提出了选取若干特定波段用于反映作物长势信息。而且目前也有学者基于多光谱技术研发了一些传感器，包括成像光谱仪及非成像光谱仪。例如，申请专利号【201610015206.0】采用相机与窄带滤光片组合的成像光谱方式。这些装置虽能以较低成本获取光谱和图像信息，但没有入射光探测装置，对天气条件要求较高。在天气条件稳定的环境精度较高，但对多云、阴天等天气的适应能力较差。另外，此类装置可扩展性较差，各相机之间的图像标定、匹配算法较为复杂、后期数据处理也相对复杂，故目前此类装置所能提供的波段数量较少，导致获取的光谱信息不完整。申请专利号【200410074311.9】为代表的设备为非成像光谱设备，能够使用较低成本的光电传感器获取光谱信息，但丢失了大量反应作物冠层结构的图像信息，且大都是采用人工手持方式进行数据采集，这种采集方式无法满足现代智慧农业的自动化发展需求。申请专利号【201920791243.X】为代表的农田环境采集装置虽然能实现自动化数据采集，但传感器探测对象以传统气象要素为主，虽然有部分装置搭载RGB相机，但仍以监测农田安全为目的。虽然气象要素对作物的生长具有很大的影响作用，但无法反应土壤中营养物质以及水肥因素对作物生长的影响，也就无法真正反映作物长势状况。

目前作物长势监测研究大多基于静态图像或光谱数据，且数据获取和处理时效性差，分析结果具有一定滞后性，少有学者研究作物生长过程连续动态的光谱变化特征。而且，针对作物生长过程中光谱、叶片及冠层形状、生育期等信息进行连续动态观测的图谱采集传感器的研究还鲜有报道。

发明内容

本发明针对现有的农田环境作物长势监测传感器数据处理难度高、实时性低、获取图像和光谱数据不完整、光谱波段针对性低、可扩展性差、自动化程度低等问题，在能同时获取反映作物长势生化参量的光谱信息和作物结构的图像信息的前提下，发明了一种针对作物长势监测的特定光谱波段与图像采集、处理及监测的传感器装置，利用光电传感器以及无线传输技术对作物冠层多波段反射光谱以及真彩色图像进行实时采集与传输，成本低廉、使用便捷。

本发明采用的技术方案是：一种作物长势监测的多光谱及光学相机传感器装置，包括多光谱探测模块、光学相机模块、姿态传感模块、微控制器、微型计算机模块和网络通信模块。

所述多光谱探测模块由多光谱入射光探测模块、多光谱反射光探测模块、传感器控制主板三部分构成；所述多光谱入射光探测模块、多光谱反射光探测模块平行安装；所述多光谱入射光探测模块提供自适应光照功能，所述多光谱反射光探测模块使用反射光窄带滤光片获取设定波长的反射光谱信息；所述多光谱入射光探测模块、多光谱反射光探测模块通过SPI总线与微控制器相连接。

所述光学相机模块安装于多光谱反射光探测模块中部，用于同步采集作物冠层图像信息。

所述姿态传感模块固定安装于多光谱入射光探测模块和多光谱反射光探测模块之间的传感器控制主板上，通过IIC总线与微控制器相连接。

所述微型计算机模块通过USB通信与微控制器相连接，与所述网络通信模块共同放置于防水箱中，用于信息的处理与存储。

所述多光谱探测模块使用窄带滤光片产生530nm、570nm、680nm、700nm、740nm、780nm六个特征波长。

所述光学相机模块由RGB相机、相机支架和镜头保护玻璃构成，安装于所述多光谱反射光探测模块中心部位，用于实现冠层图像的采集。

所述多光谱入射光探测模块包括六个入射光探测器，所述多光谱反射光探测模块包括六个反射光探测器，共同构成六个光谱探测通道，用于测量冠层入射光辐亮度以及反射光辐亮度。

所述六个反射光探测器，以摄像头安装孔为中心，在三个方向上采用每组两个反射光探测器相邻平行安装的方式排布，与所述RGB相机、光谱探测通道之间获取最小化的视场差距。

所述姿态传感模块与多光谱入射光探测模块平行安装，由x、y、z三轴加速度计与x、y、z三轴陀螺仪的集成芯片及外围电路构成，使用卡尔曼滤波方式计算姿态数据，实现本监测传感器整体姿态检测。

所述微型计算机模块由嵌入式单板微型计算机、散热装置、保护外壳组成，所述嵌入式单板微型计算机运行linux系统，用于各传感器采集信息的汇总处理。

所述网络通信模块采用高性能网桥模块进行网络中继，使用4G、5G网卡模块通过USB、RJ45、串口、共享热点方式为微型计算机模块提供网络连接。

本发明的有益效果是：

针对反映作物长势信息的特征波段进行光谱探测模块设计，并通过多光谱探测模块和图像采集分开设计的方式，使用较低成本同时获取用于作物长势监测的光谱和图像信息，提高了传感器的可扩展性，并通过微型计算机自动完成信息采集，实现作物长势不同生育期长时间连续监测，提高作物长势监测的自动化程度。

本发明的非成像多光谱传感器获取的多光谱反射率可用于反演作物生理及生化组分含量信息，其光学相机获取的真彩色图片可用于提取作物覆盖度及生育期等信息。上述信息可用于作物长势快速无损监测，对于作物生长状况监测以及后续产量估算意义重大。

附图说明

图1为本发明的系统框图；

图2为本发明的多光谱及光学相机传感器主视图；

图3为入射光探测器结构图；

图4为反射光探测器结构图；

图5为多光谱入射光探测模块布局图；

图6为多光谱反射光探测模块布局图；

图7为滤光片透射率曲线与典型植物反射率光谱曲线；

图8为本发明的安装示意图；

图9为本发明的白板标定(校正)示意图。

图中：1、入射光探测器；2、多光谱入射光探测模块；3、传感器控制主板；4、姿态传感模块；5、微控制器；6、光学相机模块；7、多光谱反射光探测模块；8、反射光探测器；9、弥散玻璃；10、弥散玻璃安装窗口；11、光圈；12、入射光窄带滤光片；13、第一光电传感器；14、入射光探测器安装孔；15、外壳镜筒；16、反射光窄带滤光片；17、第二光电传感器；18、反射光探测器安装孔；19、摄像头安装孔；20、多光谱及光学相机传感器；21、安装支架；22、防水箱；23、漫反射白板。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

本发明的作物长势监测的多光谱及光学相机传感器装置，如图1和图2所示，包括多光谱探测模块、姿态传感模块4、微控制器5、光学相机模块6、微型计算机模块和网络通信模块。

所述多光谱探测模块由多光谱入射光探测模块2、多光谱反射光探测模块7、传感器控制主板3三部分构成；其中，多光谱入射光探测模块2包括六个入射光探测器1，多光谱反射光探测模块7包括六个反射光探测器8。

所述入射光探测器1提供自适应光照功能，所述反射光探测器8使用反射光窄带滤光片16获取特定波长的反射光谱信息。

所述光学相机模块6用于同步采集作物冠层图像信息；所述姿态传感模块4用于监测所述多光谱探测模块姿态状况；所述微型计算机模块和网络通信模块用于各传感器模块信息的汇总、处理、存储与传输。

多光谱入射光探测模块2、多光谱反射光探测模块7、光学相机模块6、姿态传感模块4、微控制器5、微型计算机模块、网络通信模块的连接关系和安装方式如图1和图2所示。多光谱入射光探测模块2、多光谱反射光探测模块7上下平行设置，通过SPI总线连接到微控制器5。所述微控制器5和姿态传感模块4固定安装于多光谱入射光探测模块2和多光谱反射光探测模块7之间的传感器控制主板3上。所述多光谱入射光探测模块2包括六个入射光探测器1，多光谱反射光探测模块7包括六个反射光探测器8。姿态传感模块4与多光谱入射光探测模块2、多光谱反射光探测模块7保持平行且通过IIC总线连接到微控制器5。所述光学相机模块6与多光谱探测模块平行设置，固定安装于多光谱反射光探测模块7正中心位置并向下拍摄。微型计算机模块由嵌入式单板微型计算机、散热装置和保护外壳组成，通过外接方式放置于防水箱中，通过USB总线连接光学相机模块和网络通信模块，通过USB连接微控制器5。所述网络通信模块与微型计算机模块共同放置于图8的防水箱22中。

如图3所示，入射光探测器1由入射光窄带滤光片12、光圈11、弥散玻璃9(余弦特性玻璃)、第一光电传感器13、镜筒、模数转换芯片等构成，入射光探测器1的功能是探测作物冠层的入射太阳光，装置通过弥散玻璃9对入射光进行余弦校正，以减少太阳高度角对测量结果的影响，入射光探测器1具有半球视野。入射光探测器1共六个，并与六个反射光探测器8构成六个光谱探测通道。

其中，所述弥散玻璃9为直径10mm的圆形乳白玻璃，用于余弦校正，以减少太阳光角度变化对光照度测量的影响。

所述镜筒，底部为两个螺丝安装的入射光探测器安装孔14，顶部为弥散玻璃安装窗口10，直径为11mm，弥散玻璃9使用UV胶从内部进行黏贴，安装好后与弥散玻璃安装窗口10平齐，以保证入射光探测器具有半球视野。

所述光圈11为尺寸外径8mm、内径4mm的环形挡光片，安装在弥散玻璃9下方，保证最大太阳高度角时太阳光强度不会超出传感器最大量程。

所述入射光窄带滤光片12安装在光圈11下方，直径为8mm，截止深度OD4(阻带透过率为0.0001)，FWHM为10nm，裸片厚度2.2mm，透过率T>80％。中心波段分别为530nm、570nm、680nm、700nm、740nm、780nm。所述入射光探测器的探测范围需覆盖400-1000nm可见光以及近红外光谱段，且输出电压与输入光辐照度成线性关系。

所述模数转换芯片为美国德州仪器公司生产的24位delta-sigma型高精度模数转换芯片，型号为ADS1256，该芯片内置低噪声可编程增益放大器，选取合适的量程以保证高测量精度，芯片使用SPI总线与微控制器通信。

如图4所示，反射光探测器8由反射光窄带滤光片16、外壳镜筒15、石英玻璃、第二光电传感器17、模数转换芯片等构成，石英玻璃要求350-1000nm波段光透射率不能低于99％且厚度均一，反射光探测器功能是收集探测器下方25°视场角内作物冠层反射多光谱信息。

其中，所述反射光窄带滤光片16直径为8mm截止深度OD4(阻带透过率为0.0001)，FWHM(半峰全宽)为10nm，裸片厚度2.2mm，透过率T>80％。中心波段分别为530nm、570nm、680nm、700nm、740nm、780nm；所述外壳镜筒15的顶部为空心薄壁圆筒，中部为反射光窄带滤光片16安装区域，底部为两个反射光探测器安装孔18，为螺丝固定孔。

外壳镜筒15的长度l和圆筒半径r需满足：

其中θ为反射光探测器8设计的视场角，以保证反射光探测器8只能接收到视场角θ＝25°的冠层反射光信号。

所述石英玻璃要求350-1000nm波段光透射率不能低于99％且厚度均一，直径大于外壳镜筒15以避免石英玻璃边缘反光对光路的干扰。在外壳镜筒的开窗处，通过安装石英玻璃来防止灰尘或水汽进入光路，为防止石英玻璃的边缘对光线传输造成影响，石英玻璃直径大于外壳镜筒开窗直径一倍以上，使用环状支架固定在外壳镜筒上，并使用UV胶进行黏结。

所述第二光电传感器17、模数转换芯片与入射光探测器1的第一光电传感器13、模数转换芯片参数一致。

多光谱入射光探测模块2、多光谱反射光探测模块7以黑色PCB(双面敷铜)为基板，遮光良好，避免杂乱光线从背面照向光电传感器。在第一和第二光电传感器安装位置两侧留有直径2.3mm的安装通孔，两孔相距20mm。入射光探测器1的镜筒由黑色不透光塑料构成，不同通道镜筒规格相同。所述入射光探测器1按照如图5所示，在三个方向上采用每组两个入射光探测器1相邻平行安装的方式安装，镜筒内部直径略微大于入射光窄带滤光片直径，使入射光窄带滤光片能恰好安装进镜筒，且入射光窄带滤光片能平放不发生倾斜，以保证不影响入射光窄带滤光片光学性能。入射光窄带滤光片上安装环形光圈进行减光，最外窗口的弥散玻璃使用UV胶从内部进行黏贴，防止外部胶水凸起阴影，影响测量精度。

反射光探测器8的安装排布方式如图6所示。所述六个反射光探测器8，以摄像头安装孔19为中心，在三个方向上采用每组两个反射光探测器8相邻平行安装的方式排布，与所述光学相机模块6的RGB相机、光谱探测通道之间获取最小化的视场差距。反射光探测器8的外壳镜筒15内部的反射光窄带滤光片16安装要求与入射光探测器1要求一致，反射光探测器通过空心圆柱形长镜筒限制探测的视场角为25°。

多光谱探测模块按照敏感波段设置共有6路光谱通道，其中入射光探测器和反射光探测器使用同一种中心波长窄带滤光片的为一组光谱通道。

所述入射光和反射光窄带滤光片中心波段的波段设置为530nm、570nm、680nm、700nm、740nm、780nm，所用滤光片透射率曲线以及典型植物光谱如图7所示，所选波段主要可用于计算以下植被指数：PRI(Photochemical reflectance index，光化学植被指数)、CIred-edge(Red-edge chlorophyll index，红边波段叶绿素植被指数)、CIgreen(Greenchlorophyll index，绿波段叶绿素植被指数)、NDVI(Normalized difference vegetationindex，归一化差值植被指数)、SR705(Simple ratio red edge，红边比值指数)、ND705(Normalized difference red edge，归一化红边植被指数)。

其中，PRI可估算作物叶片光能利用率(Light use efficiency，LUE)、研究表明，PRI指数与作物的光合作用、叶黄质循环、类胡萝卜素与叶绿素比值、受胁迫水平具有很高相关性，具有很高的研究价值。CIred-edge、CIgreen、SR705和ND705均与作物叶绿素含量以及氮素含量具有较相关性。NDVI与叶面积指数、生物量、覆盖度等具有较高相关性。各指数计算公式以及对应的波段如下表1，其中，Ri指的是波长为i波段的反射率。

表1

通过反射光谱信息计算上述植被指数，传感器具备估算植被光合作用、作物受胁迫水平、叶绿素含量(氮元素含量)、生物量、叶面积指数以及覆盖度的能力。传感器RGB相机可捕获冠层真彩色合成影像，可通过微型计算机运行图像处理算法，推测判断作物当前生育期信息。

所述光学相机模块6，包括RGB相机、相机支架、镜头保护玻璃，用于实现冠层图像的采集。所述RGB相机的分辨率为1920*1080，相机视场角为100°，相机模块尺寸为38mm*38mm,镜头直径12mm，焦距4mm，100度视场角，手动调焦。正常工作时RGB相机距冠层顶部的高度为1m。RGB相机输出的高清彩色图像通过USB总线与微型计算机进行通信，微型计算机运行图像处理算法。所述光学相机模块安装在反射光探测模块正中间，采集的图像通过微型计算机处理、绘制圆形区域，框选出和反射光探测模块视场范围一致的圆形区域，为后期光谱和图像的分析提供位置参照。

本发明采用相机成像单元与光谱采集模块相分离的形式，相比于传统的相机与窄带滤光片组合的方式，具有波段扩展性强、数据量小、处理于传输速度快、标定方便等优点。光学相机模块结合计算机视觉可提供如叶面积、覆盖度、芽叶数量、芽种类(例如茶树的一芽一叶、一芽两叶)、果实大小、果实颜色、果实数量、生育期等信息的监测。

所述姿态传感模块4，由姿态传感器组成。所述姿态传感器采用MPU6050芯片，芯片内置x、y、z三轴加速度计以及x、y、z三轴陀螺仪，安装在传感器控制主板3上，对入射光探测模块进行姿态检测，同时也能实现对整体装置的姿态检测。姿态传感器与入射光探测器须保证平行，以保证姿态传感器能正确测量多光谱入射光探测模块的水平状态，以保证入射光探测器的半球视野全部为天空，并实现长期的装置直立状态检测。

所述微型计算机模块，由嵌入式单板微型计算机、散热装置、保护外壳组成。所述嵌入式单板微型计算机采用主控为1.5GHz 4核心64位ARM Cortex-A72CPU，控制USB相机采集图像、运行图像压缩、处理算法，提取冠层轮廓、病斑、以及芽、叶数量、果实轮廓提取、果实计数、果实大小等信息，控制和接收多光谱探测模块监测到的光谱数据，控制整机的网络通信。微型计算机模块独立放置于防水箱22中，如图8所示。所述散热装置为被动式散热器，为微型计算机模块进行散热。

所述网络通信模块采用高性能网桥模块进行网络中继，使用4G、5G网卡模块通过USB、RJ45、串口、共享热点方式为微型计算机模块提供网络连接。本发明采集以及处理后的全部数据通过网络通信模块(4G模块或WIFI模块)发送给云服务器，装置主要程序可以通过网络进行更新。网络通信模块与微型计算机模块共同放置于防水箱中。

使用本发明的多光谱及光学相机传感器装置进行光谱反射率标定、计算比值型以及归一化型植被指数的方法如下：

(1)传感器光谱反射率标定

传感器标定按照三步进行，分别是暗电流(直流偏置，下同)采集、白板采集、反射率标定。

1)暗电流采集：将传感器置于暗室，使用数据线连接微控制器，微控制器将采集到的12个传感器(6个入射光探测器、6个反射光探测器)的原始数据发送到微型计算机模块上位机软件，连续采集5分钟，将获取的12个通道的数据分别计算平均值，求得12个均值即分别为传感12个通道的暗电流，按照入射光和反射光信号分别记为

(n为波段中心带宽)。

2)白板采集：选取天气晴朗、光线稳定的正午进行，将传感器固定在支架上，视野范围内水平放置一块反射率为99％的漫反射白板(Labsphere，SRT-99-10)，实验人员应穿着深色服装，减少服装反光对标定干扰。使用计算机获取当前各光谱通道反射光和入射光的辐亮度值，数据采集时，漫反射白板保持水平稳定放置状态，如图9所示。累计多组数据，计算取得平均值，入射光和反射光的辐亮度信号平均值分别记为

(n为波段中心带宽)。

3)传感器反射率标定：不同通道由于选用的窄带滤光片透过率(图7)、通带宽度、光电传感器光谱响应、光路、放大电路增益不同等因素特性不完全相同，会造成各通道DN(Digital Number)值不同，为获取正确的辐亮度，必须通过此步骤将不同通道测量的反射率通过白板已知反射率标定到同一水平。将反射光、入射光通道的辐亮度分别记为

辐亮度值与传感器输出信号有如下关系：

按照反射率定义：

将上式代入

记

得到的反射率计算公式如下：

式中R_n为标定板反射率，为已知量，k_n为反射率修正系数，为唯一未知数。由公式(2.5)可知，成对的通道只需要确定一个公共系数k_n即可，而不需要对入射光和反射光传感器做复杂定标，k_n可以由下述公式直接求得。

在使用本传感器进行测量时，将入射光和反射光测量值分别记为

并将k_n代入公式(2.5)，即可测量任意地物反射率R_n。由于选用的光电探测器对光照和输出电压具有极好的线性关系，故只需要进行一次白板标定，即可对本传感器完成辐射定标。

(2)比值型植被指数计算方法

本装置比值型植被指数计算过程如下：

比值型植被指数定义式：

其中R₁为波段1的反射率，R₂为波段2的反射率。使用式(2.5)反射率替换为传感器输出，代入式(2.7)得到：

整理得：

根据之前的标定结果k₁、k₂已知，便可直接求得比值植被指数。

(3)归一化型植被指数计算方法

归一化型植被指数定义为：

其中R₁为波段1的反射率，R₂为波段2的反射率。使用式(2.5)反射率替换为传感器输出，代入式(3.1)得到：

代入参数即可获取测量值。

以上计算过程均由微控制器自动完成，除定标外，使用人员无需干预便可直接输出结果。

本发明的安装实施方法：

本发明的多光谱及光学相机传感器装置安装与标定选择在晴朗少云的天气条件开展，以避免定标过程中光线快速变化。将多光谱及光学相机传感器20安装在倒L形的安装支架21上，如图8所示，安装在距离作物冠层顶部上方约1m处；安装支架位于传感器北方，以防止传感器的安装支架阴影落入探测器视野范围内对观测结果造成影响。

多光谱入射光探测模块上方区域不能被高大物体遮挡，安装时应该避开高大树木。

操作人员通过无线网络或数据线连接微型计算机模块与多光谱及光学相机传感器，通过控制界面操作设备进行定标工作。

查看传感器的姿态信息，姿态信息是通过姿态传感器经过微控制器将陀螺仪和加速度计进行卡尔曼滤波，计算出的角度信息，通过USB总线，将数据信息传输到微型计算机模块并显示给安装人员。安装人员根据姿态传感器的信息调整好多光谱及光学相机传感器后即可开展定标工作。

安装人员手持标准漫反射白板(参考型号：美国Labsphere公司，SRT-99-100),将漫反射白板23放置在反射光探测器下方，如图9所示。漫反射白板的放置原则为：漫反射白板须充满整个反射光探测器视场，漫反射白板必须保持水平，在整个定标过程中避免较大晃动，避免其他物体阴影遮挡白板。

本发明的多光谱探测模块的工作流程为：

入射光探测器水平状态下采集入射太阳光，第一光电传感器将采集到的照度信息转换为电信号，此时的电信号为微弱电信号，所述微弱电信号经过运算放大器进行放大以及增大输出阻抗，并输送给高精度AD(模拟数字)转换电路，AD电路在微控制器的控制下进行有序的数据采集。反射光探测器通过长度和开口直径经过计算的镜筒，以25°的视场角对作物冠层的反射光进行探测，第二光电传感器将探测到的辐亮度信息转换为微弱的电信号，与入射光探测器同理，但反射光相比于入射光的能量更为微弱，运算放大器需要设置更大的放大增益倍数以保证AD模块获得足够高的输入信号。微控制器控制入射光探测模块和反射光探测模块的AD转换以及读取，将数据滤波后传送给微型计算机模块。

在微型计算机模块上点击白板校准按钮，通过USB发送指令给微控制器，微控制器会开始自动采集5秒，并将这5s内的数据进行滤波，滤波后的各通道数据会被自动存入内部FLASH中永久保存，成为今后设备的测量标准，直至下次手动校正。

多光谱探测模块仅需进行以上步骤即可完成校正，接下来是光学相机模块的调整。

由于探测器距离冠层的高度恒定(约1m)，光学相机模块的RGB相机是手动调焦，安装人员通过将RGB相机直连计算机可以实时查看相机采集的图像画面，并通过手拧动相机的镜头，调整好相机的焦距。调整焦距的时候需要注意不要用手触摸到镜头的镜片部分。

光谱校正以及相机焦距调整完成后，多光谱及光学相机传感器的安装工作即为完成。

多光谱及光学相机传感器使用方法：多光谱及光学相机传感器通过网络通信模块将实时的光谱数据传输到云服务器，用户可以通过网络查看相应的光谱信息，由于植物的冠层形态变化极其缓慢，基于减少电能消耗和数据量的考虑，图像数据以及基于图像数据分析得到的文本信息在每天的上午和下午各采集一次并回传到服务器。

本发明可大幅降低作物冠层多波段反射光谱和图像信息采集的人力与设备成本，提高作物信息获取的自动化程度、信息实时性以及有效性，对于推动智慧农业的发展、定量水肥控制、产量估算具有指导意义。

本发明实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围的不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也及于本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。

Claims (8)

1.一种作物长势监测的多光谱及光学相机传感器装置，其特征在于：

包括多光谱探测模块、光学相机模块、姿态传感模块、微控制器、微型计算机模块和网络通信模块；

所述多光谱探测模块由多光谱入射光探测模块、多光谱反射光探测模块、传感器控制主板三部分构成；所述多光谱入射光探测模块、多光谱反射光探测模块平行安装；所述多光谱入射光探测模块提供自适应光照功能，所述多光谱反射光探测模块使用反射光窄带滤光片获取设定波长的反射光谱信息；所述多光谱入射光探测模块、多光谱反射光探测模块通过SPI总线与微控制器相连接；

所述光学相机模块安装于多光谱反射光探测模块中部，用于同步采集作物冠层图像信息；

所述姿态传感模块固定安装于多光谱入射光探测模块和多光谱反射光探测模块之间的传感器控制主板上，通过IIC总线与微控制器相连接；

所述微型计算机模块通过USB总线与微控制器相连接，与所述网络通信模块共同放置于防水箱中，用于信息的处理与存储。

2.根据权利要求1所述的一种作物长势监测的多光谱及光学相机传感器装置，其特征在于：

所述多光谱探测模块使用窄带滤光片产生530nm、570nm、680nm、700nm、740nm、780nm六个特征波长。

3.根据权利要求1所述的一种作物长势监测的多光谱及光学相机传感器装置，其特征在于：

所述光学相机模块由RGB相机、相机支架和镜头保护玻璃构成，用于实现冠层图像的采集。

4.根据权利要求1所述的一种作物长势监测的多光谱及光学相机传感器装置，其特征在于：

所述多光谱入射光探测模块包括六个入射光探测器，所述多光谱反射光探测模块包括六个反射光探测器，共同构成六个光谱探测通道，用于测量冠层入射光辐亮度以及反射光辐亮度。

5.根据权利要求4所述的一种作物长势监测的多光谱及光学相机传感器装置，其特征在于：

所述六个反射光探测器，以摄像头安装孔为中心，在三个方向上采用每组两个反射光探测器相邻平行安装的方式排布，与所述RGB相机、光谱探测通道之间获取最小化的视场差距。

6.根据权利要求1所述的一种作物长势监测的多光谱及光学相机传感器装置，其特征在于：

所述姿态传感模块与多光谱入射光探测模块平行安装，由x、y、z三轴加速度计与x、y、z三轴陀螺仪的集成芯片及外围电路构成，使用卡尔曼滤波方式计算姿态数据，实现装置整体姿态检测。

7.根据权利要求1所述的一种作物长势监测的多光谱及光学相机传感器装置，其特征在于：

所述微型计算机模块由嵌入式单板微型计算机、散热装置、保护外壳组成，所述嵌入式单板微型计算机运行linux系统，用于各传感器采集信息的汇总处理。

8.根据权利要求1所述的一种作物长势监测的多光谱及光学相机传感器装置，其特征在于：

所述网络通信模块采用高性能网桥模块进行网络中继，使用4G、5G网卡模块通过USB、RJ45、串口、共享热点方式为微型计算机模块提供网络连接。

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