CN113920474B - 一种智能监管柑橘种植态势的物联网系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种智能监管柑橘种植态势的物联网系统及方法,首先,多源传感器实现对柑橘环境的温度、湿度及生长状况信息进行采集,利用嵌入式系统处理数据,然后,通过NB‑IoT无线模块发送至服务器,再将数据实时显示在云平台界面;使用卷积神经网络对图像信息进行学习和训练,构建柑橘生长态势模型,尤其对害虫种类和概率的检测,并将监测结果传至客户端。当害虫数量达到一定数量比例时,利用无人机携带农药喷洒装置对指定区域进行自动喷洒。当柑橘即将成熟时,利用无人机获取的图像信息对柑橘产量进行预估。整个系统在无人机与物联网技术支撑下,有效服务于智慧农业的高效、精细化管控需求。
Description
技术领域
本发明涉及智慧农业装备技术领域,具体的说,涉及一种智能监管柑橘种植态势的物联网系统及方法。
背景技术
柑橘是世界第一大水果,中国是主产国家之一,且柑橘产量呈逐年增加的趋势。全球约有130个国家生产柑橘,120个国家开展柑橘贸易,全球柑橘贸易排名前五的国家分别是西班牙、南非、土耳其中国和埃及。根据联合国贸易组织数据显示,全球柑橘出口贸易总量从2010年1486.37万吨缓慢增长到2015年1537.56万吨,出口总额从2010年113亿美元增加到2015年124.51亿元。柑橘已经成为农民增收、农业增效的主要途径,也是乡村振兴的支柱产业。西南地区气候条件适宜,是我国唯一的柑橘非疫区和“长江中下游柑橘优势产业带”核心区,在全国的柑橘产业发展中占据重要位置。
当前柑橘种植监管中,仍然存在大量人力劳动,依靠手工操作,机械化、自动化、信息化程度低、人工投入多、劳动强度大、监管不足、生产效率低。虽然科研人员对智能化设备研制进行了一些探索,但是应用上基本处于省力型半自动阶段,对柑橘生长的温湿度、光照、施肥和农药喷洒等无法自主智能调控,导致柑橘品质与产量受到影响。
发明内容
本发明的目的在于提供一种智能监管柑橘种植态势的物联网系统及方法,以柑橘这一类不适合大规模机械化种植的作物为切入点,利用无人机的广阔视野优势,搭建一套基于无人机和物联网的柑橘种植监测管理系统,建立环境评估模型,实现柑橘生长态势监测、病虫害自动检测及农药喷洒与产量估计系统。通过本项目的开展,形成一套高效率,高覆盖,智能化的柑橘种植服务体系,对于农业的智能化和无人机技术的进一步发展具有重要的意义。
本发明的具体技术方案如下:
本发明的一个方面,提供了一种智能监管柑橘种植态势的方法,包括以下步骤:
获取环境数据;
获取第一柑橘生长态势图像,提取所述第一柑橘生长态势图像的颜色空间特征、纹理特征,根据所述第一柑橘生长态势图像的颜色空间特征、纹理特征,建立柑橘识别模型;
获取第二柑橘生长态势图像,通过所述柑橘识别模型对所述第二柑橘生长态势图像进行监测,获得柑橘树龄和柑橘生长态势;
构建虫害监测模型,获取柑橘种植园的图像数据,并将所述柑橘种植园的图像数据传输至所述虫害监测模型中进行虫害识别与监测,根据虫害识别与监测结果,控制无人机作业。
本发明的另一方面,提供了一种智能监管柑橘种植态势的物联网系统,包括环境数据采集单元、处理器、摄像单元、无人机;
所述环境数据采集单元、所述摄像单元、所述无人机分别与所述处理器建立信号连接;
所述环境数据采集单元,用于采集环境数据;
所述摄像单元用于采集第二柑橘生长态势图像以及柑橘种植园的图像数据;
所述处理器配置为:
获取环境数据;
获取第一柑橘生长态势图像,提取所述第一柑橘生长态势图像的颜色空间特征、纹理特征,根据所述第一柑橘生长态势图像的颜色空间特征、纹理特征,建立柑橘识别模型;
获取第二柑橘生长态势图像,通过所述柑橘识别模型对所述第二柑橘生长态势图像进行监测,获得柑橘树龄和柑橘生长态势;
构建虫害监测模型,获取柑橘种植园的图像数据,并将所述柑橘种植园的图像数据传输至所述虫害监测模型中进行虫害识别与监测,根据虫害识别与监测结果,控制无人机作业。
有益效果在于:
本发明使用卷积神经网络对图像信息进行学习和训练,构建柑橘生长态势模型,尤其对害虫种类和概率的检测,并将监测结果传至客户端。当害虫数量达到一定数量比例时,利用无人机携带农药喷洒装置对指定区域进行自动喷洒。当柑橘即将成熟时,利用无人机获取的图像信息对柑橘产量进行预估。整个系统在无人机与物联网技术支撑下,有效服务于智慧农业的高效、精细化管控需求。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案,下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中,类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中,各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。
图1为根据本发明的实施例的整体逻辑框图;
图2为根据本发明的实施例的柑橘高精度识别建模框图;
图3为根据本发明的实施例的无人机喷洒框架图;
图4为根据本发明的实施例的柑橘果园产量估计系统硬件图。
具体实施方式
下面将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的一部分实施例,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。
需要说明的是,本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等,如果该特定姿态发生改变时,则该方向性指示也相应地随之改变。
另外,在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的,而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此,限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中,“多个”的含义是至少两个,例如两个,三个等,除非另有明确具体的限定。
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白,以下结合附图及实施例,对本发明进行进一步的详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明,并不用于限定发明。
现在结合说明书附图对本发明做进一步的说明。
如图1所示,本发明实施例是利用传感器、窄带物联网(Narrow Band Internet ofThings,NB-IoT)技术、无人机技术、深度学习等技术对柑橘进行温湿度、生长态势及虫害监测系统的设计。
首先,获取环境数据。
在一些实施例中,使用嵌入式系统为主控,通过外接DHT11温湿度传感器来采集温度、湿度信息,在通过NB-IoT板块将信息传回NB-IoT服务器,进而通过互联网在OneNET云平台将采集的温湿度数据,同时也可以通过云平台下发指令,通过反向的传输过程,可以使MCU完成相应的指令动作。当返回数据温湿度低于设定值,将利用反向传输向无人机传输,使无人机自主进行喷洒水。
随后,获取第一柑橘生长态势图像,提取所述第一柑橘生长态势图像的颜色空间特征、纹理特征,根据所述第一柑橘生长态势图像的颜色空间特征、纹理特征,建立柑橘识别模型。
具体来说,请参考图2所示,首先分析柑橘和背景特征,例如,分析的特征有颜色空间特征、纹理特征等;在此基础上,涉及特征的数据表达形式,再建立相应的识别模型。本发明实施例考虑时效性及检测精度,采用Yolo v5识别模型,最后以大量数据进行测试,根据测试结果再修正相应的算法,直到获得高精度识别结果。
接着,获取第二柑橘生长态势图像,通过所述柑橘识别模型对所述第二柑橘生长态势图像进行监测,获得柑橘树龄和柑橘生长态势。
构建虫害监测模型,获取柑橘种植园的图像数据,并将所述柑橘种植园的图像数据传输至所述虫害监测模型中进行虫害识别与监测,根据虫害识别与监测结果,控制无人机作业。
在一些实施例中,首先构造图像分类处理神经网络,神经网络由多层卷积、最大池化、线性层等关键特征提取层构成,然后准备柑橘寄生的各种虫害的数据集,并做好分类,方便加载进神经网络进行训练。神经网络模型训练好后,保存正确率最高的网络模型,以便后面对图像的分析处理。通过安装的双目视觉识别系统对柑橘种植园进行拍照采集图像数据,然后传入已经搭好并完成训练的模型中进行虫害识别与监测,以便无人机对柑橘园进行自主喷洒农药。
在一些实施例中,利用温湿度传感器、气流传感器、光照传感器等获得柑橘环境参数,同时结合柑橘生长态势监测数据,采用多元分析法、主成分分析等方法建立柑橘生长态势及环境耦合算法,通过机器学习求解参数,获得柑橘树龄、柑橘生长状态与最佳环境参数的关系。当视觉系统获得柑橘当前生长态势时,可利用模型得到当前柑橘所需的环境参数并传递给主控系统,主控系统对当前温湿度、光照及空气成分等环境影响因素进行分析与评估。
本发明实施例提供一种具体的无人机自主路径规划与作业任务操控方式,具体是无人机自主航行规划以及无人机智能喷洒。
首先是无人机自主航行规划,航点信息通过全球定位系统(Global PositionSystem,GPS)进行标定、无线传输进行采集;通过改进蚁群算法对航点进行排序;通过萤火虫算法进行航迹规划;数据融合利用深度学习框架,前网络导入配送目标点和可能有障碍的实际环境信息,实现所有目标点的全局最优;形成一个航点顺序表,并实现全局优化,再由地面站传输给无人机,由无人机执行任务,实现路线规划自主航行。
然后是无人机智能喷洒,参考图3所示,设计智能监测模块,进行CPU监测、飞行数据采集、喷洒数据采集、外部环境信息采集以及智能算法,通过智能算法分析后对飞机喷洒系统进行实时反馈处理和实时修正。监测CPU采集飞行数据、喷洒数据和外部环境信息数据,再通过算法进行数据处理和分析,再将数据传至喷洒CPU模块,对飞机喷洒系统进行实时的优化处理和飞行姿态及速度修正。
本发明实施例还提供一种具体的柑橘产量估计方法。
具体的,所有柑橘质量由单个柑橘质量相加获得。为获得单个柑橘质量,将在检测出的单个柑橘上表面检测出若干个特征点(如SIFT匹配点),利用双目立体视觉原理,计算出每个特征点对应的三维坐标。假定特征点的个数为n,同时假定柑橘为球形,则可根据此n个特征点的三维坐标拟合出球的方程,进而估算出单个柑橘的直径。根据不同柑橘的密度,可进一步的获得当前品种单个柑橘的质量。
本发明实施例研制柑橘果园产量估计系统硬件如图4所示。在硬件上采用商用的双目相机,将双目相机架设于果园内,通过处理器远程触发相机采集图像,再通过无线传输将现场图像传输回处理器,实时计算出当前视角柑橘的产量。并通过果园果树的数量,估计出整个果园柑橘产量。同时结合无人机巡检数据信息,综合判定。
以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案,而非对其限制;尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明,本领域的普通技术人员应当理解:其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改,或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换;而这些修改或者替换,并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围,其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。
Claims (6)
1.一种智能监管柑橘种植态势的方法,其特征在于,包括以下步骤:
获取环境数据;
获取第一柑橘生长态势图像,提取所述第一柑橘生长态势图像的颜色空间特征、纹理特征,根据所述第一柑橘生长态势图像的颜色空间特征、纹理特征,建立柑橘识别模型;
获取第二柑橘生长态势图像,通过所述柑橘识别模型对所述第二柑橘生长态势图像进行监测,获得柑橘树龄和柑橘生长态势;
构建虫害监测模型,获取柑橘种植园的图像数据,并将所述柑橘种植园的图像数据传输至所述虫害监测模型中进行虫害识别与监测,根据虫害识别与监测结果,控制无人机作业;
所述控制无人机作业,具体包括:
通过全球定位系统进行标定、无线传输进行采集获得航点信息;
通过改进蚁群算法对所述航点信息进行排序;
通过萤火虫算法进行航迹规划;
基于深度学习框架,导入配送目标点和可能有障碍的实际环境信息,实现所有目标点的全局最优,形成一个航点信息顺序表;
将所述航点信息顺序表传输给无人机,由无人机执行任务,实现路线规划自主航行;
还包括步骤:
基于所述第二柑橘生长态势图像,获得若干单个柑橘图像特征;
提取单个柑橘图像特征中的若干个特征点,计算出每个特征点对应的三维坐标;
根据每个特征点对应的三维坐标拟合出球的方程;
根据所述球的方程估算出单个柑橘的直径;
根据柑橘的密度,获得单个柑橘的质量。
2.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,还包括步骤:
根据环境数据以及所述柑橘识别模型的监测数据,采用多元分析法或主成分分析建立柑橘生长态势及环境耦合算法,通过机器学习求解参数,分别获得柑橘树龄与最佳环境参数以及柑橘生长状态与最佳环境参数的关系。
3.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述构建虫害监测模型,具体包括:
构造图像分类处理神经网络;
获取柑橘寄生的各种虫害的数据集,并做好分类;
将分类后的柑橘寄生的各种虫害的数据集加载进神经网络进行训练;
神经网络模型训练好后,保存正确率最高的网络模型,作为虫害监测模型。
4.一种智能监管柑橘种植态势的物联网系统,其特征在于,包括环境数据采集单元、处理器、摄像单元、无人机;
所述环境数据采集单元、所述摄像单元、所述无人机分别与所述处理器建立信号连接;
所述环境数据采集单元,用于采集环境数据;
所述摄像单元用于采集第二柑橘生长态势图像以及柑橘种植园的图像数据;
所述处理器配置为:
获取环境数据;
获取第一柑橘生长态势图像,提取所述第一柑橘生长态势图像的颜色空间特征、纹理特征,根据所述第一柑橘生长态势图像的颜色空间特征、纹理特征,建立柑橘识别模型;
获取第二柑橘生长态势图像,通过所述柑橘识别模型对所述第二柑橘生长态势图像进行监测,获得柑橘树龄和柑橘生长态势;
构建虫害监测模型,获取柑橘种植园的图像数据,并将所述柑橘种植园的图像数据传输至所述虫害监测模型中进行虫害识别与监测,根据虫害识别与监测结果,控制无人机作业;
通过全球定位系统进行标定、无线传输进行采集获得航点信息;
通过改进蚁群算法对所述航点信息进行排序;
通过萤火虫算法进行航迹规划;
基于深度学习框架,导入配送目标点和可能有障碍的实际环境信息,实现所有目标点的全局最优,形成一个航点信息顺序表;
将所述航点信息顺序表传输给无人机,由无人机执行任务,实现路线规划自主航行;
基于所述第二柑橘生长态势图像,获得若干单个柑橘图像特征;
提取单个柑橘图像特征中的若干个特征点,计算出每个特征点对应的三维坐标;
根据每个特征点对应的三维坐标拟合出球的方程;
根据所述球的方程估算出单个柑橘的直径;
根据柑橘的密度,获得单个柑橘的质量。
5.根据权利要求4所述的物联网系统,其特征在于,所述处理器进一步配置为:
根据环境数据以及所述柑橘识别模型的监测数据,采用多元分析法或主成分分析建立柑橘生长态势及环境耦合算法,通过机器学习求解参数,分别获得柑橘树龄与最佳环境参数以及柑橘生长状态与最佳环境参数的关系。
6.根据权利要求4所述的物联网系统,其特征在于,所述处理器进一步配置为:
构建虫害监测模型,具体包括:
构造图像分类处理神经网络;
获取柑橘寄生的各种虫害的数据集,并做好分类;
将分类后的柑橘寄生的各种虫害的数据集加载进神经网络进行训练;
神经网络模型训练好后,保存正确率最高的网络模型,作为虫害监测模型。
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