CN1424683A

CN1424683A - 一种集成化野外信息采集、定位和处理系统及方法

Info

Publication number: CN1424683A
Application number: CN01144228A
Authority: CN
Inventors: 吴炳方
Original assignee: 吴炳方
Current assignee: Institute of Remote Sensing Applications of CAS
Priority date: 2001-12-13
Filing date: 2001-12-13
Publication date: 2003-06-18
Anticipated expiration: 2021-12-13
Also published as: CN1224929C

Abstract

本发明公开了一种集成化野外信息采集、定位和处理系统和方法，其包括：由中央处理单元控制的定位单元、采集单元、姿态控制单元、传输单元，通过定位单元确定野外待采集的信息在同一时空的位置，通过实时接受GPS信号，并将其转换成相应的坐标，从而把采样点及采样轨迹的信息准确的落到正确的时空位置上；利用采集单元将多重信息进行采集，通过组合多种功能的传感器，并将其设置在定位单元确定的时空位置上获取传感器感应的信号；通过姿态控制单元控制采集单元的运动并进行所述传感器的功能调整，以保证所述采集单元的正常工作；通过传输单元传输采集信息和控制单元的控制信息，由中央处理单元对采集到的信息进行对比分析并将处理结果输出。

Description

一种集成化野外信息采集、定位和处理系统及方法

技术领域

本发明涉及一种野外信息的采集、定位与综合处理分析的系统与方法，集GPS(全球定位系统)、GIS(地理信息系统)、多种传感器和与其相对应的本底标准数据库于一体，特别是可根据用户不同需要，通过简单的组件式的调换软硬件，从而一次性完成用户所需相关信息的采集定位与实时综合分析的系统与方法。

背景技术

遥感技术在野外信息采集方面应用面非常广，现在普遍使用的航空、航天遥感主要是针对大范围、中大尺度的观测手段，其星(卫星)载、机(飞机)载传感器功能日趋多样化、一体化，往往可一次采集多重信息，满足不同用户的需要。然而，在近距离、中小尺度遥感方面却缺少一种方法和设备可对地面多重信息进行一体化快速采样并能帮助使用者分析判别：例如农业领域需要下地采样来判断水肥及作物生长，病虫害等情况——却无法一次性完成；在林业，水利防洪等许多领域都有着类似的需求。

野外信息采集通常是一项十分繁复的工作，而且大部分工作需要多重信息一同分析才能得到结果，由于信息在种类上的差异较大(有图像视频信息采集、光谱数据采集、气体含量数据采集、土壤成份采集等等)，工作人员受到仪器、专业背景等方面的种种限制，往往一次只能采集一类数据，在野外将其保存在磁记录媒体上，待日后处理。即使经过多次采集把相关数据全部采集到，在回到办公室进行分析处理时，也会因为数据在时间上的差距导致研究结果的误差。另外值得注意的一点是，由于以往的数据采集方法没有定位装置(即便有，也是分开人为记录，造成增加工作量大并且在匹配过程中容易出错)，在处理时没有(精确)经纬度坐标，从而无法(精确)判断信息在空间上的一致性。以上提到的在以往野外信息采集过程中提到的数据时空差异问题，不但导致工作效率低下，而且容易在判断问题时片面化(只由一种数据分析)，其主要缺陷是信息的时空差异不能满足现今精确测绘分析的要求。

虽然GPS全球定位系统，现今已在很多领域得到了广泛的应用，如汽车导航，探险辅助测量等等，但它们在地面近距离采样方面却未能和其它设备有效集成，从而降低了工作效率。

另外，随着现今生活节奏的加快，在许多情况下人们需要对现场各种信息做出及时的采集并且在第一时间内做出综合分析和判断，如农作物病虫害一喷药，洪水水位流量——危险程度，道路建设等等，显然现有的方法无法完全满足需要。还有一点值得注意的就是，在很多情况下采样点的露天条件非常恶劣，人们长时间的工作会影响身体健康，还有些需要采样的地方甚至是十分危险的。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种给用户友好的、方便的系统集成装置，它集GPS、多种传感器与其对应的标准本底数据库，综合分析软件于一体，可实时对用户所需要的多重信息进行一体化采集、定位和综合处理系统与方法

为了实现上述目的，本发明提供了一种集成化野外信息采集、定位和处理系统，其特点在于包括：

一定位单元，用于确定野外待采集的信息在同一时空的位置，通过实时接受GPS信号，并将其转换成相应的坐标，从而把采样点及采样轨迹的信息准确的落到正确的时空位置上；

一采集单元，用于对多重信息进行采集，通过组合多种功能的传感器，并将其设置在所述定位单元确定的时空位置上获取所述传感器感应的信号；

一姿态控制单元，用于控制采集单元的运动并进行所述传感器的功能调整，以保证所述采集单元的正常工作；

一传输单元，用于所述采集单元的采集信息和所述控制单元的控制信息的传输。

一中央处理单元，通过计算机硬件和软件平台控制所述定位单元、姿态控制单元和传输单元，并对采集到的信息进行对比分析并将数据处理结果输出。

上述的信息采集、定位和处理系统，其特点在于所述定位单元由GPS卡和外置GPS天线组成，所述GPS卡与所述控制单元集成在一起。

上述的信息采集、定位和处理系统，其特点在于所述姿态控制单元由一可调整姿态的云台和安装在所述云台上的与多种传感器连接的统一硬件接口组成。

上述的信息采集、定位和处理系统，其特点在于所述采集单元由多种组件式传感器组成，所述传感器设置有统一的硬件接口。

上述的信息采集、定位和处理系统，其特点在于所述中央处理单元由工业控制计算机、标准接口及存贮在所述计算机存贮器上的软件控制系统组成；所述标准接口包括一用于与所述定位单元的GPS天线连接的硬件接口，一用于与所述采集单元的云台连接的硬件接口，一用于与所述采集单元的统一输出线相连的硬件接口；所述软件控制系统包括定位模块、传输采集模块、监视控制模块、分析模块以及计算机操作系统模块。

上述的信息采集、定位和处理系统，其特点在于所述传输单元包括定制信号整合器、信号解码器及传输线，用于将各种传感器输入信号统一输出给所述中央处理单元。

上述的信息采集、定位和处理系统，其特点在于所述传感器为视频传感器、温湿度传感器、气体传感器、光谱传感器、植物传感器、植物冠层分析传感器、植物光和作用传感器中任意一种，或者为其中任意组合。

为了更好地实现上述目的，本发明还提供了一种集成化野外信息采集、定位和处理的方法，其特征在于包括如下步骤：

a、在一采样点利用GPS系统接收GPS信号，并将所述信号传输给一计算机控制系统；

b、根据需要设置多种相应的信号采集器采集所述采样点的各种信息，通过一监视控制单元显示所述信息，并根据显示情况相应调整所述信号采集器的采集姿态；

c、在采集信息满足采集者要求时，执行一采集指令，将采样点定位在正确的时空位置上，并将所述采样点定位坐标及采样点运动轨迹信息传输给所述计算机控制系统，并将所述信息以文件形式存贮在所述计算机控制系统上；

d、在所述计算机系统内设立一临时数据库，分类存贮所述采集信息；

e、将所述分类的采集信息按类与一标准数据库内经过所述时空位置的标准数据进行对比分析，再对单独信息进行综合分析；

f、将综合分析结果输出。

上述的信息采集、定位和处理的方法，其特点在于：在步骤c中，是将GPS信号转换成标准经纬度坐标或标准公里坐标信息。

上述的信息采集、定位和处理的方法，其特点在于：在步骤b或c中还包括如下步骤：

将各种信号采集器采集的不同格式的信息进行整合，

将添加标识的统一二进制格式信号组成数据流利用一条数据线传输给计算机系统；

对传回的数据进行数据格式校验；

对校验满足要求的数据进行解码、数据格式还原，并对各处信号标识进行识别。

上述的信息采集、定位和处理的方法，其特点在于：在将信号解码分解还原的信号分别显示在计算机系统的一个显示屏幕上，并以特定格式显示在相应的窗口中。

本系统的嫁接性非常好，即可以单人操作(肩背)，又可跟绝大多数交通工具，农业机械集成，这样工作人员的大部分工作就可以通过在车内操纵计算机就可以完成了，不仅降低了野外工作的劳动强度，更重要的是大大的提高了劳动效率。

根据本发明所提供的一种即插即用的组件式的采样单元与处理单元的链接方法，用户可根据需要选择传感器和相应软件，完成所需信息的一次性采集和处理。

采用上述系统和方法，可以在确保多种信息在同一时空位置的前提下，提供了对多重信息现场实时分析的方法，当统一时间同一地点的多种信息同系统本身已有的现场地理信息结合共同分析问题的时候，一是确保参考信息的正确性，另外其所得到的结果决不是简单的“1+1＝2”，它们会对工作人员从整体宏观的角度把握问题起到非常重要的作用。

下面结合附图进一步说明本发明的实施例

图1是本发明野外多重信息的采集、定位与综合处理系统示意图

图2是图1中信号传输单元信号整合-分解示意图

图3是本发明在精准农业方面的一种实施例

图4是图3实施例中标准数据库三维索引示意图

图5是图3实施例中分析过程中一种光谱分析过程示意图

在图1和图2中，本发明设计的野外多重信息的采集定位与综合处理分析系统主要包括硬件子系统和软件子系统两个大的组成部分，其中硬件子系统又包括中央处理单元、定位单元、采集单元和传输单元四大单元，经高度集成形成两大部分，软件子系统包括定位模块、分析模块、控制模块和传输模块。现将其主要组成和功能介绍如下：

一、硬件子系统：

中央处理单元1：由定制的工业控制计算机和相关元件组成，含三个标准接口，一个用于和GPS天线连接，一个用于和姿态控制单元的云台连接，另一个用于和采集单元的统一输出线相连，中央处理控制单元主要是对采集单元所采集的信息进行处理、保存。

定位单元11：由一GPS卡和外置天线组成，该GPS卡与中央处理控制单元集成，主要用于采样时的精确定位和采样轨迹的处理。

姿态控制单元：由可调整姿态的云台12和其上与多种传感器连接的标准接口组成，主要用于对用户所需信息的现场采集和与其对应的传感器的姿态调整。其中各种组件式传感器可由用户需要自行组装、排列，简单方便。

采集单元：由各种传感器A、B、C、D组成，用于采集用户所需要的各种信息，目前可使用的传感器包括视频传感器、温湿度传感器、气体(co₂)传感器、光谱传感器、植物冠层分析传感器和植物光和作用传感器等。

传输单元：由定制信号整合器和信号解码器及标准接口组成，主要用于将各种传感器输入信号统一输出给中央处理控制单元。

二、软件子系统：

定位模块、传输采集模块、监视控制单元和分析模块，利用该软件子系统，可以实现如下功能：

在定位模块可实现如下步骤：

GPS天线接受GPS信号(根据精度要求可选择圆盘天线、棒装天线和一体机)。

信号由标准接口传输进中央处理单元，这时的信号不保存，而只占用一小块内存进行时时刷新，同时将信号显示在监视器端。

当接到监控单元的采集指令后程序将GPS信号转换成标准经纬度坐标或标准公里网坐标。

将点文件，或一段时间内生成的轨迹文件作为在该点保存的信息的头文件内容之一和该信息一同保存到与该种信息对应的数据库。

根据本底标准数据(GIS)，把该点的准确位置的落到正确的时空位置上。在传输采集模块可实现如下步骤：

各传感器将分别采集数据全部发送到信号整合器；

信号整合器对各传感器发送来的信号添加标识，如A…END

B…ENDC…ENDD…END；

信号整合器将各种不同格式的信号统一转换成二进制形式；

信号整合器将添加标识的统一格式信号组成数据流，由单一总线传回中央处理器。

中央处理单元的数据解码器对传回数据进行格式校验；

对校验满足要求的数据进行解码、数据格式还原，并对各种信号标识进行识别(同时将信号分别显示在监视相应的端窗口中)；

如满足要求，则根据监控单元的指令将其采集，即存储到与该信息对应的数据库。在监视控制模块可实现如下步骤：

将信号解码器分解还原后的信号分别显示在监视器端的屏幕上：例如视频传感器所采集的影象，光谱传感器所采集的光谱曲线，温湿度传感器所采集的温湿的数据都以其特定格式显示在相应的窗口中。此时信息不被保存，而只利用一小部分内存空间对信息进行时时刷新。

采集者根据需要，通过姿态控制系统调整承载所有传感器的云台姿态或某个传感器的姿态，如利用工程控制软件调动云台上的电机运转，所有传感器都安放在球形轴上，可完成四向90度旋转。

在姿态变换的同时，传感器所采集的信号不间断的通过信号整合一一信号解码，分别显示的过程时时的显示在监视器端相应的窗口中，在信息满足采集者的要求时，如视频信号的远近，光谱曲线的变化(原于光谱传感器高度变化)，雷达传感器的角度等等，采集者下达采集指令，由传输采集模块将该时间点或一段时间内的一种或多种信息保存到与它(们)相对应的数据库中，同时通过定位模块采集该时间点的GPS信号或一段时间内由传感器移动所形成的轨迹信息，并作为存入数据库中信息的头文件内容之一一同保存。在分析模块可实现如下步骤：

分析单元主要包括存放各种采集信息的临时数据库，作为参照标准的各信息标准数据库，针对各信息的单独分析模块，可对多种信息进行综合分析的综合分析模块几部分，可根据用户需要在采集现场激活进行时时分析或待采集结束后再分析，得出结果。

针对某一种传感器所采集的信息进行分析，将保存在临时数据库中的该信息数据调出，通过自行开发的算法将其与该信息标准数据库中的数据作分析比较，得出结果。

在本系统中，标准数据库一般可以包含农业和生态环境两部分：

以农业标准数据库为例：

农业标准数据库是在根据中国二级区划(可根据气候、土壤类型等分类，全国共分为40多个区)的基础上，再经过对作物种植种类及生产力水平等的调查，对其进行进一步细化，现将全中国分为一百多个区，通过统计收集到各区域内各主要农作物在当地生长期内的每月、各旬的标准数据。将这些数据从传感器类型分类上分为视频数据、光谱数据、雷达数据、气体含量数据、温湿度数据等等，该数据从属性上又分可分为长势好、一般、差，以及各种病态植株的数据。

生态环境数据库：

生态环境数据库主要包括(同样在将中国分为一百多个区的基础上)中国各区的土地利用、土地覆盖、水土流失强度、生态环境质量的本底标准数据。

分析方法：

通过传感器采集到某一数据后，由于同时经过GPS时空定位，分析模块在进行对比分析时会自动寻找到与该数据传感器类型一致、时间一致(同一旬内)、作物品种一致，且在同一区划内的标准数据，通过将该数据与各符合上述条件的各种标准数据进行比较分析，便得出结果。

由于只根据单一信息作出得分析结果在有些情况下存在一定的片面性，所以用户可根据需要将针对某一目标所采集的多种信息得出单独分析结果得前提下，再对其进行综合分析，由基于GIS信息计算方法或计算模型可在精准农业，洪水监测等方面通过对多重信息的综合分析得出相对准确全面的结果。

在图3、图4和图5中，提示了本发明的系统和方法应用于精准农业中小麦生长的监测实例。

根据上述需要，在本实施例中，该系统选用了视频传感器用于采集小麦的视频影象，选用了光谱传感器用于采集小麦的光谱信息；雷达传感器用于测量小麦植株高度；气体传感器用于测量与光合作用相关氧气、二氧化碳的含量；温湿度传感器用于测量田间温湿度数据。

上述各种传感器根据指令分别采集信息，通过整合信号器将所采集的信息整合后通过单一总线回传到中央处理单元，经信号解码器解码存入临时数据库，分类存储各传感器采集的信息，如分别存入视频信息、光谱信息、雷达信息、气体含量信息、湿温度信息。根据上述信息确定监测物小麦属性，再根据监测物属性从标准数据库中调用该采集点时空点各种信息的标准数据。

如本实施例中，针对监测物为冬小麦。在图5中，针对该五月上旬河北北部冬小麦的光谱分析如下：

将采集的光谱信息存入临时数据库中，在标准数据库中索引到经过时空定位的该采集点标准数据，其中含有健康：缺乏某矿物质元素；有各种病的各冬小麦的光谱曲线数据。将两者通过光谱分析模块进行分析并将对比分析结果输出。

同样，其他分析模块如视频分析、雷达分析、气体含量分析和湿温度分析模块的分析方法和过程如上。

因为由一种信息得出的结果有时有一定的片而性，在各分析模块单独分析得出结果后还可在综合分析模块将上述结果进行结合分析，从而得到更全面准确的结果。

本发明还可根据其发明思想在多个领域进行应用，如林业、水利防洪等，只要按照上述方法和系统设计要求在采集点定位、收集信息并进行综合处理都可实现本发明的有益效果。

Claims

1、一种集成化野外信息采集、定位和处理系统，其特征在于包括：

2、根据权利要求1所述的信息采集、定位和处理系统，其特征在于所述定位单元由GPS卡和外置GPS天线组成，所述GPS卡与所述控制单元集成在一起。

3、根据权利要求1所述的信息采集、定位和处理系统，其特征在于所述姿态控制单元由一可调整姿态的云台和安装在所述云台上的与多种传感器连接的统一硬件接口组成。

4、根据权利要求1所述的信息采集、定位和处理系统，其特征在于所述采集单元由多种组件式传感器组成，所述传感器设置有统一的硬件接口。

5、根据权利要求1所述的信息采集、定位和处理系统，其特征在于所述中央处理单元由工业控制计算机、标准接口及存贮在所述计算机存贮器上的软件控制系统组成；所述标准接口包括一用于与所述定位单元的GPS天线连接的硬件接口，一用于与所述采集单元的云台连接的硬件接口，一用于与所述采集单元的统一输出线相连的硬件接口；所述软件控制系统包括定位模块、传输采集模块、监视控制模块、分析模块以及计算机操作系统模块。

6、根据权利要求1所述的信息采集、定位和处理系统，其特征在于所述传输单元包括定制信号整合器、信号解码器及传输线，用于将各种传感器输入信号统一输出给所述中央处理单元。

7、根据权利要求4所述的信息采集、定位和处理系统，其特征在于所述传感器为视频传感器、温湿度传感器、气体传感器、光谱传感器、植物传感器、植物冠层分析传感器、植物光和作用传感器中任意一种，或者为其中任意组合。

8、一种集成化野外信息采集、定位和处理的方法，其特征在于包括如下步骤：

F、将综合分析结果输出。

9、根据权利要求8所述的信息采集、定位和处理的方法，其特征在于：在步骤C中，是将GPS信号转换成标准经纬度坐标或标准公里坐标信息。

10、根据权利要求8所述的信息采集、定位和处理的方法，其特征在于：在步骤B或C中还包括如下步骤：

将各种信号采集器采集的不同格式的信息进行整合，

对传回的数据进行数据格式校验；

11、根据权利要求10所述的信息采集、定位和处理的方法，其特征在于：在将信号解码分解还原的信号分别显示在计算机系统的一个显示屏幕上，并以特定格式显示在相应的窗口中。