CN113194296A - 一种用于农业气象监测的无人机综合遥感平台和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于农业气象监测的无人机综合遥感平台和方法。其包括电源模块、数据采集模块、数据处理模块、数据存储模块和数据传输/飞行控制模块装置。数据采集模块包括高光谱成像仪和L波段被动微波辐射计；数据处理模块包括DSP图像处理模块、AD转换模块、第一单片机和第二单片机；数据存储模块包括第三单片机和SD存储卡。数据传输/飞行控制模块主要包括北斗导航定位装置、通讯装置和无人机平台，主要用于将采集数据片段无线发送至电脑控制终端，以及实时控制飞行方案。本发明可以快速实现指定区域农田病虫害、微生物、作物生长情况以及土壤湿度信息的采集，提高农作物区域病虫害和土壤湿度信息采集的效率。
Description
技术领域
本发明属于遥感技术领域，具体的说，涉及一种用于农业气象监测的无人机综合遥感平台和方法。
背景技术
土壤湿度动态监测作为精准农业高效运行的关键因素，是灌溉、降水、日照、蒸发等要素的综合体现，直接与农作物生长相关，是农业生产基本的气象要素之一。对土壤湿度的测量通常用单位体积内的含水量体积百分比表示（cm3/cm3）。目前使用的土壤湿度测量仪器主要是固定站点的深埋式土壤湿度探头，该类探头以测量土壤的电导率或时频变化为主，只能完成单点的观测，无法移动，布置和维护所需专业知识较高，代表范围往往只有几十米，对大面积地块无法观测。现在的科研装备中有一类基于被动微波遥感技术反演土壤湿度的辐射计，但其成本极高，体积大，难以维护和移动，且目前没有针对这类被动遥感反演土壤湿度的计量标准，仅限于科研使用，还没有实现业务化。现行业务所用干旱（土壤湿度）监测，采用的无人机载多光谱成像仪无法穿透植被，只能通过观测叶表和裸土温度，估算蒸散发进而获得土壤湿度。估算结果精度差，无法定量反演土壤湿度，特别是无法获得与农作物生长相关的根系深度（5-20厘米）的土壤湿度。
无人机农业气象应用中，与土壤湿度相关的包含农作物生长和病虫害监测两部分。无人机高光谱遥感凭借其较高的空间分辨率和机动、灵活的特征，可以有效获取作物在关键生育期的光谱信息，便于对产量进行有效反演。不仅如此，无人机高光谱成像仪可实现对地块尺度产量的精准估测，较适合小尺度田块的估产工作。
农业气象监测需要对植被生长和土壤湿度有同步观测，市场上还没有一种无人机平台可以将二者结合，同步高效完成地块级别的农业气象观测。
发明内容
针对上述现有技术的不足，本发明提出一种专门用于农业气象监测的无人机综合遥感平台和方法。本发明的无人机综合遥感平台将高光谱成像仪和L波段被动微波辐射计搭载于多旋翼无人机平台，成本低、体积小，响应快，使用门槛低，使用方式灵活，功能多样，同时实现地块级别农作物产量估算，病虫害监测和土壤湿度观测功能，从而解决植被与土壤湿度监测不同步的问题。本发明的技术方案具体介绍如下。
一种用于农业气象监测的无人机综合遥感平台，其包括电源模块、数据采集模块、数据处理模块、数据存储模块和数据传输/飞行控制模块；
数据采集模块包括高光谱成像仪和L波段被动微波辐射计；高光谱成像仪用于采集下垫面高光谱数据，L波段被动微波辐射计用于采集亮度温度数据；数据处理模块包括DSP图像处理模块、AD转换模块、第一单片机和第二单片机；数据存储模块包括第三单片机和SD存储卡； 数据传输/飞行控制模块包括北斗导航定位装置、通讯装置和无人机平台；其中：
电源模块和高光谱成像仪、L波段被动微波辐射计、DSP图像处理模块、AD转换模块、第一单片机、第二单片机、第三单片机、北斗导航定位装置、通讯装置和无人机平台之间电气连接；DSP图像处理模块的输入端和高光谱成像仪相连，输出端和第一单片机相连；AD转换模块的输入端和L波段被动微波辐射计相连，输出端和第一单片机相连，第一单片机基于L波段被动微波辐射计采集的亮度温度反演或同化气象模式获得土壤湿度数据；第一单片机的输出端和第三单片机的输入端连接，第三单片机的输出端和SD存储卡连接，第三单片机和SD存储卡存储第一单片机中的处理的下垫面高光谱数据、亮度温度数据和反演的土壤湿度数据；无人机平台的输出端、北斗导航定位装置的输出端分别和第二单片机的输入端连接，第二单片机分别和第三单片机、通讯装置双向连接，第三单片机和SD存储卡存储第二单片机中设计和接收处理的无人机平台飞行控制数据、通讯数据和北斗导航定位装置采集的定位数据，第二单片机将接收处理的无人机平台飞行控制数据、北斗导航定位装置采集的定位数据进行打包，并且监控第三单片机的数据质量信息，然后储存并选择通过通讯装置传送到地面终端。
本发明中，第一单片机判断AD转换模块及DSP图像处理模块的工作状态，当AD转换模块或DSP图像处理模块不能正常工作时，将信息发送给第三单片机。
本发明中，无人机平台采用多旋翼可编程飞行无人机，无人机平台中的无人机起落架采用具有收放功能的双H型支架；L波段被动微波辐射计采用合成孔径天线，高光谱成像仪和L波段被动微波辐射计分别通过皮卡汀尼导轨下挂在无人机平台的下方；第一单片机、第二单片机、第三单片机、存储模块，北斗导航定位模块、通讯模块和电源模块置于挂载箱内，挂载箱通过皮卡汀尼导轨搭载在无人机平台上。
本发明还提供一种利用上述无人机综合遥感平台对农业气象保障进行测量的方法，具体步骤如下：
（1）根据对农作物、病虫害和土壤湿度的具体观测要求，第二单片机设计飞行路线和飞行高度，确定高光谱成像仪和L波段被动微波辐射计的观测角度、采样时间间隔，确定观测期时长；
（2）将上述步骤中的参数，在第一单片机、第二单片机、第三单片机中编程为可执行文件；
（3）在第一单片机、第二单片机和第三单片机的协调下，综合遥感平台按计划完成飞行路径上第一单片机高光谱数据和微波辐射计亮度温度数据的采集，第三单片机完成数据的存储和初步质量控制，第二单片机同时记录北斗坐标信号和时间等并发送给第三单片机用于存储；
（4）高光谱数据，微波辐射计和北斗模块将数据统一储存在SD存储卡上，同时第二单片机将数据按照需要通过通讯模块传输给地面操作终端；
（5）若第一单片机发现高光谱数据和微波辐射计亮度温度数据有异常，将通过第三单片机、第二单片机和通讯装置将错误信息发送地面操作终端，地面操作终端回馈飞行控制通过通讯装置和第二单片机结束飞行，并通过第三单片机停止数据处理和存储；
（6）根据农作物、病虫害的高光谱特征获得关于植被生长和病虫害信息，根据L波段被动微波辐射计的亮度反演或同化气象模式获得土壤湿度信息。
本发明提出了一种采用集成式数控组件，同步搭载高光谱成像仪和L波段微波辐射计的一款专门用于解决土壤湿度及其同步农作物生长、病虫害监测的无人机综合遥感平台，和现有技术相比，本发明的有益效果在于：
第一：体积小，便于移动。传统的L波段辐射计体积大，比如真孔径辐射计天线长轴可达4米，直径0.7米，重0.4吨，无法移动观测。该无人机综合遥感平台所搭载的辐射计天线采用合成孔径天线，尺寸可以为厘米级，重量小于4公斤，因此可以搭载在多旋翼无人机，灵活布置，同时满足了土壤湿度高时空分辨率和大范围监测的需要。
第二：集成程度高。该综合遥感平台将高光谱成像仪和L波段微波辐射计搭载在同一平台，可同步完成对植被和病虫害，以及植被根系深度土壤湿度的监测。平台还集成了北斗和飞行控制系统，可以在同一端口完成对飞行方案和观测计划的设定。集成后极大地拓展了对农业生产和灾害监测方面的使用功能。
第三：自动化程度高。高光谱成像仪和L波段微波辐射计，采用统一的数控设备协调和控制多光谱传感器和L波段微波辐射计的采样、曝光时间。集中存储、管理和传输各子系统的遥感数据，具有同角度，同时间，自动化，可编程快速采样的能力。数控设备还加载了北斗定位设备，实时记录观测方位和时间，便于后期数据处理和解读。
附图说明
图1是无人机综合遥感平台总体结构。
图2是无人机综合遥感平台工作流程。
图3是无人机综合遥感平台挂载方案示意图。
图4是无人机综合遥感平台工作流程图。
图中标号：1-数据采集模块，2-数据处理模块，3-数据存储模块，4-数据传输/飞行控制模块，5-L波段被动微波辐射计，6-高光谱成像仪，7-AD转换模块，8-DSP图像处理模块，9-第一单片机，10-无人机平台，11-北斗导航定位装置，12-通讯装置，13-第二单片机，14-第三单片机，15-SD存储卡。
具体实施方式
本发明公开了一种专门用于农业气象监测的无人机综合遥感平台，整个遥感平台包括电源模块、数据采集模块1、数据处理模块2、数据存储模块3和数据传输/飞行控制模块4。数据采集模块1包括高光谱成像仪6和L波段被动微波辐射计5；高光谱成像仪6用于采集下垫面高光谱数据，L波段被动微波辐射计5用于采集亮度温度数据；数据处理模块2包括DSP图像处理模块8、AD转换模块7、第一单片机9和第二单片机13；数据存储模块3包括第三单片机14和SD存储卡15； 数据传输/飞行控制模块4包括北斗导航定位装置11、通讯装置12和无人机平台10；电源模块、L波段被动微波辐射计5、高光谱成像仪6、AD转换模块7、DSP图像处理模块8、第一单片机9、第二单片机13、北斗导航定位装置11、通讯装置12和无人机平台10和第三单片机14电气连接。下面结合附图和实施例对本发明的技术方案进行详细阐述。
实施例1
实施例中，L波段被动微波辐射计5通过AD转换模块7与第一单片机9进行电气连接并实现数据传输；高光谱成像仪6通过DSP图像处理模块8与第一单片机9进行电气连接并实现数据传输（图2）。通过L波段被动微波辐射计5测得的亮度温度进一步求得植被根部的土壤湿度；通过高光谱成像仪6获得光谱数据在后期中获得植被生长以及病虫害信息。第一单片机9获得的少量亮温数据可以通过第三单片机14、第二单片机13和通讯装置12发送至地面控制终端进行显示，也可以通过第三单片机14存储在SD存储卡15中，并在观测结束后集中下载。
L波段被动微波辐射计5的工作原理是土壤在L波段发射电磁波的能力，是受土壤介电性质影响，干土和湿土因为土壤湿度的变化而导致介电性质有巨大差异进而体现为亮度温度的差异。土壤湿度大，发射率底，亮度温度低；土壤干燥，发射率高，亮度温度高。L波段的穿透能力较强，大气、植被的影响小，可以穿透农作物而观测到植被根系深度（5-20厘米）的土壤湿度。依靠此特性，可以用来反演土壤湿度大小。实施例中，L波段被动微波辐射计可选用TerraRad公司生产的L波段微波辐射计，其矫正后的绝对精度在5K（相当于土壤湿度0.03cm3/cm3）。设备自重不超过4公斤，微波辐射计功率约为4瓦。
L波段被动微波辐射计5可以使用真孔径天线，但是L波段真孔径天线尺寸在米级，无法搭载在无人机平台10上。本发明使用的L波段微波辐射计5使用合成孔径天线。它具有将亮度温度转化为数字信号的能力。合成孔径的L波段被动微波辐射计5不仅具有动态响应灵敏、结构小等特点，而且可以通过改装载具平台，实现较高时空分辨率的观测。天线面板是辐射计的核心部件，合成孔径天线，尺寸约50×25 cm。因为天线面板成一定夹角置于无人机平台10下方，无人机起落架采用70公分的轻质细长双H型支架，并在无人机平台10飞行时收起，以避免对辐射计信号产生干扰。合成孔径天线的缺点是增益不够，但是本发明使用目的是服务于农业气象，设计中使用的无人机平台10因为飞行高度低，目标物大，可以有效避免增益不足对观测精度的影响。本发明采用了可拆卸式皮卡汀尼导轨。皮卡汀尼导轨是由一系列具有Ｔ型横截面、中间穿插了平滑的“间距凹槽”缺口的凸脊所成。该导轨结构牢固，方便拆装，使用标准化，便于后期改装和标准化生产。L波段被动微波辐射计5通过皮卡汀尼导轨与无人机平台10固定。
高光谱成像仪6一方面可以有效获取作物在关键生育期的光谱信息，便于对产量进行有效反演，实现对地块尺度产量的精准估测，较适合小尺度田块的估产工作。另一方面，可以监测作物病虫害信息的研究多集中在影像光谱特征，并建立与病虫害发生程度间的关系。
实施例中，高光谱成像仪6可选用S185型高光谱传感器，其采用的画幅式高光谱成像技术，通过第一单片机9实现能够以快照式的速度进行所有光谱通道同步成像。第一单片机9融合了高光谱数据的精确性和快照成像的高速性，能够瞬间获得整个视场范围内精确的高光谱图像，所有光谱通道同步成像的特点更适合机载移动式快速测量，数据真实可靠无伪影。为适应高光谱成像仪6的1/1000秒内获得整个高光谱立方体数据，第一单片机9具有简单的测量及数据处理软件，不需要其它软件即可快速实现影像拼接。实施例中，S185型高光谱传感器重量约0.5公斤，结构设计适合搭载在多旋翼无人机进行大面积快速测量。第一单片机9、第三单片机14结合数据存储模块3可批量进行光谱数据存储功能和采样功能。为配合L波段辐射计进行同点同步观测，需要对高光谱成像仪6加装具备斜视能力的支架。高光谱成像仪6通过皮卡汀尼导轨与无人机平台6成斜视角度固定。
尽管选型高光谱成像仪6和L波段被动微波辐射计5允许在匀速飞行时进行观测，但是其所允许的飞行速度受曝光时间和传感器扫描方式限制，需要具有低速巡航和悬停的功能。不仅如此，辐射计尺寸相较于高光谱成像仪6尺寸较大，且安装在无人机载具下方，因此需要无人机具有较长且稳固的起落架，并具有收放功能，从而避免起降时对辐射计造成损坏和干扰辐射计观测信号。因此，采用多旋翼可编程飞行无人机最为合适。
实施例中选用A660 长航时六旋翼无人机系统， 起落架采用可收放的无人机平台机型H型双支架，其可收放以避免影响天线工作，L波段被动微波辐射计5和高光谱成像仪6分别通过两具皮卡汀尼导轨挂载在起落架上。另行加装一具皮卡汀尼导轨及挂载箱，用于存放第一单片机9、第二单片机13、第三单片机14、数据存储模块3，北斗导航定位装置11、通讯模块12和电源模块。各部分电器连接具有此挂载箱进行电器连接（图3）。
实施例中，第一单片机9完成对DSP图像处理模块8、AD转换模块7的控制，如控制遥感传感器的通断电、拍摄方式、拍摄控制，并且接收高光谱成像仪6的快视图数据、微波辐射计的亮度温度数据。第三单片机14完成对数据初步处理和质量监控。高光谱成像仪6和L波段被动微波辐射计5的数据量较大，一般不在飞行过程中进行传输。但是为了实现飞行中对观测数据的实时监控，在数据的下传时，在第三单片机14集成了压缩和解压缩子程序，主要由数据压缩软件组成。地面电脑终端通过地面解压缩模块能及时准确地将机上下传的快视图压缩数据解压。第二单片机13完成拍摄时刻的姿态经纬度等数据进行打包，并且监控第三单片机14的数据质量信息，然后储存并可选择通过通讯装置12传送到地面终端。在无人机飞行中，根据转发的遥感快视图数据和其他辅助数据(如北斗定位数据、辅助导航定位数据、无人机飞行姿态、航拍时刻等)，对飞行和航摄过程进行实时监控和粗略评估，给地面作业人员提供必要的修正参考数据。
综合以上内容，本发明对农业气象保障进行测量的步骤为：
（1）根据对农作物、病虫害和土壤湿度的具体观测要求，第二单片机13设计飞行路线和飞行高度，确定高光谱成像仪6和L波段被动微波辐射计5的观测角度，采样时间间隔，确定观测期时长。
（2）将上述步骤中的参数，在第一单片机9、第二单片机13、第三单片机14编程为可执行文件。
（3）在第一单片机9、第二单片机13、第三单片机14协调下，综合遥感平台按计划完成飞行路径上第一单片机9高光谱数据和微波辐射计亮度温度数据的采集，第三单片机14完成数据的存储和初步质量控制，第二单片机13同时记录北斗坐标信号和时间等并发送给第三单片机14用于存储。
（4）高光谱数据，微波辐射计和北斗模块将数据统一储存在数控模块的SD存储卡15上，同时第二单片机13将数据按照需要通过通讯模块12传输给地面操作终端。
（5）若第一单片机9发现高光谱数据和微波辐射计亮度温度数据有异常，将通过第三单片机14、第二单片机13和通讯装置将错误信息发送地面终端。地面终端回馈飞行控制通过通讯装置和第二单片机13结束飞行，并通过第三单片机14停止数据处理和存储。
（6）根据农作物、病虫害的高光谱特征获得关于植被生长和病虫害信息，根据微波辐射计的亮度反演或同化气象模式获得土壤湿度信息。
Claims (4)
1.一种用于农业气象监测的无人机综合遥感平台，其特征在于，其包括电源模块、数据采集模块、数据处理模块、数据存储模块和数据传输/飞行控制模块；
数据采集模块包括高光谱成像仪和L波段被动微波辐射计；高光谱成像仪用于采集下垫面高光谱数据，L波段被动微波辐射计用于采集下垫面亮度温度数据；数据处理模块包括DSP图像处理模块、AD转换模块、第一单片机和第二单片机；数据存储模块包括第三单片机和SD存储卡； 数据传输/飞行控制模块包括北斗导航定位装置、通讯装置和无人机平台；其中：
电源模块和高光谱成像仪、L波段被动微波辐射计、DSP图像处理模块、AD转换模块、第一单片机、第二单片机、第三单片机、北斗导航定位装置、通讯装置和无人机平台之间电气连接；DSP图像处理模块的输入端和高光谱成像仪相连，输出端和第一单片机相连；AD转换模块的输入端和L波段被动微波辐射计相连，输出端和第一单片机相连，第一单片机基于L波段被动微波辐射计采集的亮度温度反演或同化气象模式获得土壤湿度数据；第一单片机的输出端和第三单片机的输入端连接，第三单片机的输出端和SD存储卡连接，第三单片机和SD存储卡存储第一单片机中的处理的下垫面高光谱数据、亮度温度数据和反演的土壤湿度数据；无人机平台的输出端、北斗导航定位装置的输出端分别和第二单片机的输入端连接，第二单片机分别和第三单片机、通讯装置双向连接，第三单片机和SD存储卡存储第二单片机中设计和接收处理的无人机平台飞行控制数据、通讯数据和北斗导航定位装置采集的定位数据，第二单片机将接收处理的无人机平台飞行控制数据、北斗导航定位装置采集的定位数据进行打包，并且监控第三单片机的数据质量信息，然后储存并选择通过通讯装置传送到地面操作终端。
2.根据权利要求1所述的用于农业气象监测的无人机综合遥感平台，其特征在于，第一单片机判断AD转换模块及DSP图像处理模块的工作状态，当AD转换模块或DSP图像处理模块不能正常工作时，将信息发送给第三单片机。
3.根据权利要求1所述的用于农业气象监测的无人机综合遥感平台，其特征在于，无人机平台采用多旋翼可编程飞行无人机，无人机平台中的无人机起落架采用具有收放功能的双H型支架；L波段被动微波辐射计采用合成孔径天线，高光谱成像仪和L波段被动微波辐射计分别通过皮卡汀尼导轨下挂在无人机平台的下方；第一单片机、第二单片机、第三单片机、存储模块，北斗导航定位模块、通讯模块和电源模块置于挂载箱内，挂载箱通过皮卡汀尼导轨搭载在无人机平台上。
4.一种利用权利要求1所述的无人机综合遥感平台对农业气象保障进行测量的方法，其特征在于，具体步骤如下：
（1）根据对农作物、病虫害和土壤湿度的具体观测要求，第二单片机设计飞行路线和飞行高度，确定高光谱成像仪和L波段被动微波辐射计的观测角度、采样时间间隔，确定观测期时长；
（2）将上述步骤中的参数，在第一单片机、第二单片机、第三单片机中编程为可执行文件；
（3）在第一单片机、第二单片机和第三单片机的协调下，综合遥感平台按计划完成飞行路径上第一单片机高光谱数据和微波辐射计亮度温度数据的采集，第三单片机完成数据的存储和初步质量控制，第二单片机同时记录北斗坐标信号和时间等并发送给第三单片机用于存储；
（4）高光谱数据，微波辐射计和北斗模块将数据统一储存在SD存储卡上，同时第二单片机将数据按照需要通过通讯模块传输给地面操作终端；
（5）若第一单片机发现高光谱数据和微波辐射计亮度温度数据有异常，将通过第三单片机、第二单片机和通讯装置将错误信息发送地面操作终端，地面操作终端回馈飞行控制通过通讯装置和第二单片机结束飞行，并通过第三单片机停止数据处理和存储；
（6）根据农作物、病虫害的高光谱特征获得关于植被生长和病虫害信息，根据L波段被动微波辐射计的亮度反演或同化气象模式获得土壤湿度信息。
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- 2021-04-30 CN CN202110482977.1A patent/CN113194296A/zh active Pending
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