CN113295572A - 一种农田残膜采集方法、装置及设备 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种农田残膜采集方法、装置及设备，该方法包括：获取农田图像，并将农田图像划分为若干图像单元；根据图像灰度区分阈值，将若干图像单元分为覆膜区和未覆膜区；并采用分层随机抽样法对覆膜区和非覆膜区的图像单元进行抽样，选定采样区；采用中心四分法，对采样区的土样进行处理，获得典型样品；采用不同年份的残膜尺寸筛子过滤典型样品，确定不同年份残膜质量。本发明创造的分层随机中心四分法在不同地区的采样精度均达到90％以上，精度较高，且方便、快捷、成本低。
Description
技术领域
本发明涉及农田残膜采集技术领域，更具体的涉及一种农田残膜采集方法、装置及设备。
背景技术
目前，农田残膜的常用采集方法为农田调查法。该技术主要包括6个步骤，分别为地块基础信息调查、样点选择、样点数确定、样点规格、样方深度和样品采集、其中样点选择又包括对角线法、梅花点法、棋盘点法和蛇形线法，而样点数又被限制为3个以上。此外，该技术还需要确定地块经纬度，调查地块户主，种植作物、种植方式、覆膜年限、地膜类型等。总体上，该技术费事费力，在实际农田用利用效率低下，且精度不高。因此，当前亟需提出一种方便快速的农田残膜采样方法。
对于上述问题，可以利用无人机和卫星技术，通过采集高分辨率图像，经过二值化处理和相关代码运算后，估算出表层农田残膜量，再利用表层农田残膜量与耕层农田残膜量的关系，最终快速估算出农田残膜量。然而，该方法经济成本较高，对于以小农户经济为主体的农村难以真正实用。另外，由于无人机和卫星拍摄的图像分辨率有限，且该方法属于间接估算农田实际残膜量，故该方法估算精度也难以满足要求。
发明内容
本发明实施例提供一种农田残膜检测方法、装置及设备，用以解决上述背景技术中提出的农田残膜采样步骤复杂、成本高、精度低的问题。
本发明实施例提供一种农田残膜采集方法，包括：
获取农田图像，并将农田图像划分为若干图像单元；
根据图像灰度区分阈值，将若干图像单元分为覆膜区和未覆膜区；并采用分层随机抽样法对覆膜区和非覆膜区的图像单元进行抽样，选定采样区；
采用中心四分法，对采样区的土样进行处理，获得典型样品；
采用不同年份的残膜尺寸筛子过滤典型样品，确定不同年份残膜质量。
进一步地，所述获取农田图像，包括：
利用带有焦距为2.8，像素为1200万高清摄像头的手机，以水平倾角45°连续对收获后的农田进行拍摄，获取采集图片；
将采集图片传输到计算机图片处理器中，并进行几何校正和背景化处理，获得农田图像。
进一步地，本发明实施例提供的农田残膜采集方法，还包括：
根据地膜反光率，设置图像灰度区分阈值。
进一步地，本发明实施例提供的农田残膜采集方法，还包括：
根据农田图像和实际农田的面积比例关系1:100cm，将实际农田划分成若干100cm×100cm单元。
进一步地，所述采用分层随机抽样法对覆膜区和非覆膜区的图像单元进行抽样，选定采样区，包括：
利用分层随机抽样法对覆膜区和非覆膜区的图像单元进行3次抽样，选定采样区；且随机数R生成公式如下：
R＝A+RAND()*(B-A)
式中，A为单元变化下限值；B为单元变化上限值；RAND()为产生随机数函数。
进一步地，所述采用中心四分法，对采样区的土样进行处理，获得典型样品，包括：
将采样区0～15cm表层土样作为原土样倒入中心四分法采样装置内，混合均匀；
将混合均匀的土样平均分为四份，并抛弃相对放置的两份土样；
将保留下的1/2土样倒入中心四分法采样装置内，再次混合均匀；
将混合均匀的1/2土样平均分为四份，并抛弃相对的两份土样；
重复操作，直至保留下的土样体积为原土样体积的1/8，将保留下的土样作为典型样品。。
进一步地，所述中心四分法采样装置包括：
箱体；
十字框架，设于所述箱体内，且高度为所述箱体高度的1/3；将所述箱体分割为四个等体积空间，每个空间中的底板为独立底板；
转动装置，设于所述十字框架的交合处，用于通过所述转动装置中的三相定子绕组产生的旋转磁场、带动所述十字框架转动以实现土样的均匀混合；
电磁连接装置，包括：
侧部电磁连接装置，设于所述箱体的侧板上；底部电磁连接装置，设于靠近所述侧部电磁连接装置的所述箱体的底板上；用于当所述侧部电磁连接装置和所述底部电磁连接装置断开时，使所述独立底板的另一侧下沉以抛弃土样。
进一步地，所述采用不同年份的残膜尺寸筛子过滤典型样品，确定不同年份残膜质量，包括：
采用不同年份的残膜尺寸筛子过滤典型样品；
将过滤后的残膜风干至恒重；
采用称重法计算残膜质量，其表达式为：
式中，ARF为农田残膜面积，ms为土样中残膜质量，ds为地膜表观密度。
本发明实施例还提供一种农田残膜采集装置，包括：
单元划分模块，用于获取农田图像，并将农田图像划分为若干图像单元；
采样区选定模块，用于根据图像灰度区分阈值，将若干图像单元分为覆膜区和未覆膜区；并采用分层随机抽样法对覆膜区和非覆膜区的图像单元进行抽样，选定采样区；
典型样品获取模块，用于采用中心四分法，对采样区的土样进行处理，获得典型样品；
残膜获取模块，用于采用不同年份的残膜尺寸筛子过滤典型样品，确定不同年份残膜质量。
本发明实施例还提供一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器内存储有程序，所述处理器执行程序时实现上述所述方法的步骤。
本发明实施例提供一种农田残膜采集方法、装置及设备，与现有技术相比，其有益效果如下：
本发明利用带有焦距为2.8，像素为1200万高清摄像头的手机，以水平倾角45°连续对收获后的农田进行拍摄；将采集图片通过网络输入到计算机图片处理器中，经几何校正和背景化处理，按1:100cm比例，将实际农田划分成若干100cm×100cm单元；根据地膜反光率，设置图片灰度区分阈值，将若干单元分为覆膜区域和未覆膜区域，并利用分层随机抽样法对覆膜区和非覆膜区包含单元进行3次抽样，选定采样区使用带有十字框架的自制中心四分法采样装置混合选择典型样品；利用称重法计算不同年份残膜质量。即本发明创造的分层随机中心四分法在不同地区的采样精度均达到90％以上，精度较高，且方便、快捷、成本低。
附图说明
图1为本发明实施例提供的农田残膜的快速采集与检测方法流程图；
图2为本发明实施例提供的中心四分法流程图；
图3为本发明实施例提供的分层随机抽样效果图；
图4为本发明实施例提供的中心四分法装置。
具体实施方式
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，所描述的实施例仅仅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做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。
参见图1～4，本发明实施例提供一种农田残膜采集方法，该方法包括：
步骤1，农田残膜图像采集，利用携带高清摄像头的手机对收获后的采样区进行拍摄。所述高清摄像头焦距为2.8，像素为1200万，拍摄角度为倾斜45°，采集图片格式为JPEG或TIFF。
步骤2，图像预处理，将采集图片通过网络输入到计算机图片处理器中，经几何校正和背景化处理，按1:100cm比例，将实际农田划分成若干100cm×100cm单元。
步骤3，选定采样区，根据地膜反光率，设置图片灰度区分阈值，将若干单元分为覆膜区域和未覆膜区域，并利用分层随机抽样法对覆膜区和非覆膜区包含单元进行3次抽样，最终选定采样区。
随机数生成公式如下：
R＝A+RAND()*(B-A)
式中A为单元变化下限值，B为单元变化上限值。
步骤4，典型样品，选定抽样区后，使用土样采集器取回抽样区0～15cm表层土样，倒入中心四分法采样装置内，通过按动转动开关，启动转动装置，混合均匀土样，利用固定在装置底板上高度为箱体总高1/3的十字框架，将混合均匀土样平均分为四份，通过按动电磁开关，启动电磁连接装置，抛弃相对放置的两份土样，仅保留原土样1/2的样品，将保留土样再次混合均匀。重复上述操作3次后，得到体积为原土样1/8的试验土样，即为典型样品。
其中，中心四分法采样装置，具体包括：
箱体。
十字框架，设于所述箱体内，高度为箱体总高的1/3，将所述箱体分割为四个等体积空间。
四个电磁开关，1号板电磁开关位于2号板电磁开关左侧，3号板电磁开关上方；2号板电磁开关位于1号板电磁开关右侧，4号板电磁开关上方；3号板电磁开关位于14号板电磁开关左侧，1号板电磁开关下方；4号板电磁开关位于3号板电磁开关右侧，2号板电磁开关下方。装置开关与控制中枢相连接。电磁开关工作原理：当电磁开关断开时，固定在中心四分装置外侧板的电磁连接装置中的电磁铁线圈处于通电状态，产生电磁吸力，使带有电磁铁线圈一侧电磁连接装置与固定在电磁板底部的电磁连接装置闭合，从而使电磁板固定在中心四分装置底部；而当电磁开关闭合后，电磁铁线圈处于断电状态，带有电磁铁线圈一侧电磁连接装置与固定在电磁板底部的电磁连接装置分离，从而实现抛弃土样的目的。
转动开关，转动开关位于电磁开关群下方。装置开关与控制中枢相连接。转动开关原理：当转动开关闭合后，转动装置中的三相定子绕组将产生一个旋转磁场，从而带动中心四分装置转动，实现均匀混合土样的目的。当转动开关断开后，三相定子绕组处于断电状态，可进行填装土样或检查维修工作。
控制中枢，控制中枢位于装置上方中央位置处，并在控制中枢下方设有绝缘层。控制中枢与装置开关、电磁连接装置和转动装置连接。控制中枢起到调控转动装置和电子连接装置电压的功能。
转动装置，位于控制中枢下方，与控制中枢相连接。转动装置中安装有三相定子绕组，可根据控制中枢命令，呈周期性转动。
电磁连接装置，分别位于1，2，3，4号电磁板外侧。电磁连接装置中带有电磁铁线圈的一侧板固定在中心四分装置的外侧板上，电磁连接装置中的另一侧板固定在电磁板底部。当电磁连接装置中电磁铁线圈处于通电状态，会产生电磁吸力，使带有电磁铁线圈一侧电磁连接装置与固定在电磁板底部的电磁连接装置闭合，从而使电磁板固定在中心四分装置底部；而当电磁铁线圈处于断电状态，带有电磁铁线圈一侧电磁连接装置与固定在电磁板底部的电磁连接装置分离。
步骤5，残膜面积测量与计算，采用对应不同年份残留农膜尺寸的筛子过滤土样，将得到的残膜带到实验室风干至恒重。土样中残膜面积可采用称重法计算得到：
式中ARF为农田残膜面积，ms为土样中残膜质量，ds为地膜表观密度。
实施例1
针对内蒙古河套灌区磴口县和临河区分别开展地膜采样工作。采样方法主要包括图像识别法、对角线法、梅花点法、棋盘点法和蛇形线法，采样面积为100cm×100cm，深度为0～30cm。另外，选择典型区，对农田进行全面积采样作为真实值对照。采样后，将样品经去杂，清洗，晾干等预处理后，利用称重法计算农田残膜量。
对比例1，分别采用全面积采样法、图像识别法、对角线法、梅花点法、棋盘点法、蛇形线法对相同农田采样。
如表1所示，本发明创造的分层随机中心四分法在不同地区的采样精度均达到90％以上，精度较高。其中分层随机中心四分法在磴口县的采样精度可较图像识别法、对角线法、梅花点法、棋盘法和蛇形线法分别提高35.7％，18.8％，14.5％，9.2％和11.8％；在临河区的采样精度分别提高了31.9％，23.4％，11.8％，10.5％和17.3％。可见，与现有技术相比，本技术具有计算方便，成本低，精度高等优点，可以更好地应用于农业面源污染防控措施中。
表1不同残膜采样方法精度对比
以上公开的仅为本发明的几个具体实施例，本领域的技术人员可以对本发明实施例进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围，但是，本发明实施例并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化都应落入本发明的保护范围内。
Claims (10)
1.一种农田残膜采集方法，其特征在于，包括：
获取农田图像，并将农田图像划分为若干图像单元；
根据图像灰度区分阈值，将若干图像单元分为覆膜区和未覆膜区；并采用分层随机抽样法对覆膜区和非覆膜区的图像单元进行抽样，选定采样区；
采用中心四分法，对采样区的土样进行处理，获得典型样品；
采用不同年份的残膜尺寸筛子过滤典型样品，确定不同年份残膜质量。
2.如权利要求1所述的农田残膜采集方法，其特征在于，所述获取农田图像，包括：
利用带有焦距为2.8，像素为1200万高清摄像头的手机，以水平倾角45°连续对收获后的农田进行拍摄，获取采集图片；
将采集图片传输到计算机图片处理器中，并进行几何校正和背景化处理，获得农田图像。
3.如权利要求1所述的农田残膜采集方法，其特征在于，还包括：
根据地膜反光率，设置图像灰度区分阈值。
4.如权利要求1所述的农田残膜采集方法，其特征在于，还包括：
根据农田图像和实际农田的面积比例关系1:100cm，将实际农田划分成若干100cm×100cm单元。
5.如权利要求1所述的农田残膜采集方法，其特征在于，所述采用分层随机抽样法对覆膜区和非覆膜区的图像单元进行抽样，选定采样区，包括：
利用分层随机抽样法对覆膜区和非覆膜区的图像单元进行3次抽样，选定采样区；且随机数R生成公式如下：
R＝A+RAND()*(B-A)
式中，A为单元变化下限值；B为单元变化上限值；RAND()为产生随机数函数。
6.如权利要求1所述的农田残膜采集方法，其特征在于，所述采用中心四分法，对采样区的土样进行处理，获得典型样品，包括：
将采样区0～15cm表层土样作为原土样倒入中心四分法采样装置内，混合均匀；
将混合均匀的土样平均分为四份，并抛弃相对放置的两份土样；
将保留下的1/2土样倒入中心四分法采样装置内，再次混合均匀；
将混合均匀的1/2土样平均分为四份，并抛弃相对的两份土样；
重复操作，直至保留下的土样体积为原土样体积的1/8，将保留下的土样作为典型样品。
7.如权利要求6所述的农田残膜采集方法，其特征在于，所述中心四分法采样装置包括：
箱体；
十字框架，设于所述箱体内，且高度为所述箱体高度的1/3；将所述箱体分割为四个等体积空间，每个空间中的底板为独立底板；
转动装置，设于所述十字框架的交合处，用于通过所述转动装置中的三相定子绕组产生的旋转磁场、带动所述十字框架转动以实现土样的均匀混合；
电磁连接装置，包括：
侧部电磁连接装置，设于所述箱体的侧板上；底部电磁连接装置，设于靠近所述侧部电磁连接装置的所述箱体的底板上；用于当所述侧部电磁连接装置和所述底部电磁连接装置断开时，使所述独立底板的另一侧下沉以抛弃土样。
8.如权利要求1所述的农田残膜采集方法，其特征在于，所述采用不同年份的残膜尺寸筛子过滤典型样品，确定不同年份残膜质量，包括：
采用不同年份的残膜尺寸筛子过滤典型样品；
将过滤后的残膜风干至恒重；
采用称重法计算残膜质量，其表达式为：
式中，ARF为农田残膜面积，ms为土样中残膜质量，ds为地膜表观密度。
9.一种农田残膜采集装置，其特征在于，包括：
单元划分模块，用于获取农田图像，并将农田图像划分为若干图像单元；
采样区选定模块，用于根据图像灰度区分阈值，将若干图像单元分为覆膜区和未覆膜区；并采用分层随机抽样法对覆膜区和非覆膜区的图像单元进行抽样，选定采样区；
典型样品获取模块，用于采用中心四分法，对采样区的土样进行处理，获得典型样品；
残膜获取模块，用于采用不同年份的残膜尺寸筛子过滤典型样品，确定不同年份残膜质量。
10.一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器内存储有程序，其特征在于，所述处理器执行程序时实现权利要求1～8任一项所述方法的步骤。
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