專利名稱：一種設(shè)施作物生長信息無損檢測裝置和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種設(shè)施作物生長信息無損檢測裝置和方法，屬于設(shè)施作物監(jiān)測技術(shù)領(lǐng)域。特指利用設(shè)施作物的可見光-近紅外反射光譜、多光譜圖像、冠層溫度、冠層光照、環(huán)境溫濕度和荷重傳感器進行作物生長信息的無損檢測，能夠通過光譜、視覺圖像、紅外溫度探測等多種無損探測技術(shù)的有機融合，結(jié)合作物生長的光照和溫濕度環(huán)境監(jiān)測，全方位同步獲取設(shè)施作物的氮、磷、鉀、水分和冠層面積、莖粗、株高、果實質(zhì)量等作物生長的綜合信息，通過該裝置提供的信息，能夠根據(jù)設(shè)施作物的生長狀態(tài)和動態(tài)需求，進行水肥管理和設(shè)施環(huán)境調(diào)控。
背景技術(shù)：
設(shè)施作物生長信息是指包括作物的主要營養(yǎng)元素水平、水分、莖果葉長勢等的綜
合fe息。我國設(shè)施園藝總面積世界第一，其中代表設(shè)施園藝現(xiàn)代化水平的大型連棟溫室面積的比例逐年增加。但是由于缺乏先進適用的設(shè)施作物需肥需水信息與長勢信息檢測系統(tǒng)，無法對作物的營養(yǎng)水份、長勢信息進行全面、精確的檢測和解析，無法感知和反映作物生長真實的調(diào)控要求，造成作物產(chǎn)量潛力沒有被充分挖掘。而要獲得高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)的產(chǎn)品和高經(jīng)濟效益的回報，就必須依據(jù)作物的實際需求，通過獲取一系列的作物生長信息，并對生長信息進行綜合評價，根據(jù)評價結(jié)果進行水肥管理和環(huán)境調(diào)控。因此，迫切需要應(yīng)用更加全面、系統(tǒng)、科學(xué)的作物生長信息檢測裝置，指導(dǎo)現(xiàn)代設(shè)施的生產(chǎn)運行，以提高產(chǎn)量，降低調(diào)控成本，減少過量施肥造成的浪費和面源污染，提高經(jīng)濟效益。設(shè)施作物生長信息無損檢測主要包括作物氮磷鉀營養(yǎng)、水分等養(yǎng)分檢測和冠層面積、莖粗、株高、植株生長速率、果實質(zhì)量和生長速率等長勢信息檢測兩個方面。由于作物營養(yǎng)和水分缺乏和過剩時，會引起作物葉片表面和內(nèi)部組織生理特性改變，從而引起作物葉片和冠層對光譜的反射特性和圖像特征發(fā)生改變。同時，作物的水分脅迫狀態(tài)與其冠層溫度顯著相關(guān)，通過對不同飽和水汽壓下冠-氣溫差(冠層溫度與環(huán)境溫度之差)變化規(guī)律的分析，可以對植株的水分信息進行無損檢測。而作物的冠層面積、莖粗、株高、果實外觀等長勢信息也可以通過圖像方法進行獲取。目前，作物營養(yǎng)、水分檢測方面已有一些相關(guān)研究。作物營養(yǎng)缺乏和過剩會引起作物光譜反射特性的改變。基于這一原理，在光譜檢測方面，申請?zhí)枮?00510088935. 0的發(fā)明專利申請，公開了一種便攜式植物氮素和水分含量的無損檢測方法及測量儀器，通過檢測植株葉片在四個特征波長處的光譜反射強度信息來進行植物的營養(yǎng)診斷，利用對四個波長植被指數(shù)的反演來獲取植物的氮素和含水率信息。申請?zhí)枮?00820078489. 4的實用新型專利申請，公開了一種氮反射指數(shù)檢測儀，利用作物葉片在兩個特定波長處的光譜反射信息作為氮反射指數(shù)，進而推斷作物的產(chǎn)量和品質(zhì)。申請?zhí)枮?00510088935. 0的發(fā)明專利申請，公開了一種植物葉片生理指標(biāo)的無損檢測方法，可以利用380 IlOOnm的光譜反射信息對葉綠素、葉黃素，氮素和水分等進行檢測。在申請?zhí)枮?00410048127. 7的發(fā)明專利CN 102384767 A
說明書
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申請，公開了一種基于自然光照反射光譜的黃瓜葉片含氮量預(yù)測方法，可以通過黃瓜葉片在指定波長處的光譜反射強度得出葉片的反射植被指數(shù)，進而判斷其氮素水平。目前，作物營養(yǎng)和水分等養(yǎng)分信息光譜診斷的專利所涉及的研究方法，主要是利用植物葉片在某些特定波長處的光譜反射率及其組合信息對作物的營養(yǎng)進行檢測，也就是說，通過對單個葉片的光譜反射率分析，進而推斷單個植株的營養(yǎng)狀況，并據(jù)此分析區(qū)域內(nèi)植物的群體營養(yǎng)水平。而僅僅利用植物的葉片信息，無法充分表征整株植物的營養(yǎng)狀態(tài)，因此，通過單個葉片來推知作物的營養(yǎng)水平則會造成很大的誤差。因此，基于冠層水平的營養(yǎng)診斷方法才能真正滿足需要。另外，由于光譜信息采集采用的是點源采樣方式，對采樣點要求較高，且易受背景和環(huán)境因素的影響，因此，僅利用作物的反射光譜信息進行營養(yǎng)和水分檢測誤差較大。作物營養(yǎng)的視覺圖像檢測是根據(jù)作物營養(yǎng)缺乏所引起的物理特性變化，利用圖像傳感器獲取與營養(yǎng)水平有關(guān)的作物顏色(灰度)、紋理等特征。在視覺圖像檢測方面，申請?zhí)枮?00710069116.0的發(fā)明專利，公開了一種多光譜成像技術(shù)快速無損測量茶樹含氮量的方法。申請?zhí)枮?00510062298. X的發(fā)明專利申請和申請?zhí)枮?00520134360. 7的實用新型專利申請，公布了一種油菜氮素營養(yǎng)多光譜圖像診斷方法及診斷系統(tǒng)。上述系統(tǒng)均采用 3CCD多光譜攝像系統(tǒng)作為視覺采集裝置，在計算機控制下，通過3CCD多光譜攝像系統(tǒng)采集植株冠層多光譜圖像信息，能夠非破壞性的診斷植株的氮素營養(yǎng)狀況。此類系統(tǒng)雖然能夠通過對植株冠層多光譜圖像的顏色和紋理特征的分析，來診斷植物的氮營養(yǎng)狀況，但由于植株營養(yǎng)彼此之間存在著交互作用，尤其是氮素和水分之間存在明顯的正交互作用，而此類系統(tǒng)無法對植株的水分脅迫信息進行檢測，因此在無法確知水分信息的情況下，氮素的檢測也會受到一定的影響。且3CCD多光譜攝像系統(tǒng)僅能獲取特定波長的多光譜圖像信息， 很難對作物營養(yǎng)特征進行準(zhǔn)確有效的提取和篩選，因此，只有采用光譜分辨率更高的可變波長的多光譜或超光譜成像系統(tǒng)才能準(zhǔn)確獲取作物的養(yǎng)分信息，提高營養(yǎng)檢測精度。在利用冠層溫度進行作物水分檢測方面。申請?zhí)枮?00710178192. 5的發(fā)明專利申請和申請?zhí)枮?00720190401.3的實用新型專利申請，公開了一種在線式作物冠氣溫差灌溉決策監(jiān)測系統(tǒng)，通過一組高速云臺內(nèi)部安裝的紅外冠層溫度傳感器和支架立桿上設(shè)置的環(huán)境溫度傳感器等監(jiān)測裝置，可以實現(xiàn)對小區(qū)內(nèi)作物的冠層溫度的監(jiān)測。但由于基于冠氣溫差的水分脅迫指數(shù)指標(biāo)只能表明水分脅迫的趨勢，無法對植株的含水率進行定量評價，且水分脅迫指數(shù)受環(huán)境溫濕度的影響較大，必須利用同步采集的環(huán)境信息進行實時修正。因此，僅采用單一冠氣溫差信息進行植株的水分監(jiān)測，只能進行趨勢判斷，因此，必須引進如近紅外反射光譜和圖像信息等多種特征，并對環(huán)境因子進行實時修正，才能提高植株水分檢測的精度。在作物的長勢檢測方面，申請?zhí)枮?00610097576. X的發(fā)明專利申請，公開了一種嵌入式農(nóng)業(yè)植物生長狀態(tài)監(jiān)測儀及其工作方法，可以對作物生長的環(huán)境溫濕度、莖粗、株高、土壤粘度和酸堿度進行探測，該系統(tǒng)僅通過莖粗、株高判斷作物長勢，且缺少動態(tài)的作物生長評價模型，因此難以對作物長勢做出全面科學(xué)的評價。申請?zhí)枮?00410014648. 0的發(fā)明專利申請公開了一種用于農(nóng)作物生長監(jiān)測及營養(yǎng)施肥處方生成裝置和方法，該發(fā)明采用攝像機來獲取作物的莖、葉、花、果、皮圖像信息，利用營養(yǎng)成分檢測儀獲取農(nóng)作物和土壤營養(yǎng)信息進行檢測，由于攝像機僅能獲取可見光合成圖像，難以對作物的氮磷鉀營養(yǎng)和水分特征進行精確分析，營養(yǎng)成分檢測儀雖然可以獲取作物的營養(yǎng)信息，但其取樣和檢測方式會對作物造成損害。目前作物的生長信息的無損檢測主要基于光譜和圖像技術(shù)。光譜技術(shù)可以較便捷獲得含氮量、含水率與光譜反射率或其演生量的關(guān)系；可見光或近紅外視覺圖像顏色(灰度)、紋理、形態(tài)特征在一定程度上也能表征作物營養(yǎng)水平、水分脅迫、葉面積、莖果葉等信息，作物的冠-氣溫差與水分脅迫也顯著相關(guān)。但僅光譜、圖像和冠層溫度單一檢測方法， 獲取營養(yǎng)或水分或葉面積指數(shù)、莖干、果重等孤立信息，很難對作物生長狀態(tài)做出全面、系統(tǒng)、科學(xué)的判斷。且營養(yǎng)之間、營養(yǎng)與水分之間具有交互作用，檢測過程受作物冠層結(jié)構(gòu)、土壤背景光譜及大氣窗口、溫濕度等環(huán)境因子的影響較大，因此，僅僅用光譜技術(shù)，或可見光視覺圖像、或近紅外視覺圖像、或植株的冠氣溫差等單一探測技術(shù)不足以準(zhǔn)確、全面反映作物營養(yǎng)、水分和長勢等生長信息。綜上所述，設(shè)施生產(chǎn)中急需一種能夠融合多種無損檢測技術(shù)，綜合運用多種信息對作物營養(yǎng)、水分和長勢等生長信息進行快速提取，準(zhǔn)確分析和科學(xué)評價的設(shè)施作物生長信息檢測裝置，科學(xué)指導(dǎo)設(shè)施環(huán)境調(diào)控和水肥管理，提高農(nóng)產(chǎn)品的品質(zhì)和產(chǎn)量，降低設(shè)施環(huán)境調(diào)控的成本，以提高經(jīng)濟效益，實現(xiàn)我國設(shè)施園藝的跨越式發(fā)展。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種基于多傳感信息融合技術(shù)的，能夠充分利用設(shè)施作物的可見光-近紅外反射光譜、多光譜圖像、冠層溫度、冠層光照、環(huán)境溫濕度等多種有效信息， 對作物的營養(yǎng)、水分水平和長勢信息進行綜合判斷和科學(xué)評價的設(shè)施作物生長信息快速無損檢測系統(tǒng)，為現(xiàn)代設(shè)施環(huán)境調(diào)控和水肥管理提供科學(xué)依據(jù)。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明一種設(shè)施作物生長信息無損檢測裝置和方法采用以下技術(shù)方案
一種設(shè)施作物生長信息無損檢測裝置，包括電控機械搖臂、生長信息傳感系統(tǒng)和控制計算機三個部分，其中生長信息傳感系統(tǒng)和控制計算機安裝在電控機械搖臂上；
其中電控機械搖臂包括三腳架、垂直升降桿、水平移動桿、電控云臺A和電控云臺B;其中三腳架安裝在電控機械搖臂的底部，其底端安裝有三個萬向輪，三腳架上端中心有固定內(nèi)螺紋孔，下端中心有軸套，套接安裝垂直升降桿；垂直升降桿為絲杠結(jié)構(gòu)，其頂端通過十字連接件連接水平移動桿；水平移動桿為絲杠結(jié)構(gòu)，位于垂直升降桿的頂端和電控機械搖臂的最上方；所述電控云臺A通過內(nèi)螺紋滑塊安裝在水平移動桿的絲杠上，電控云臺B通過內(nèi)螺紋滑塊安裝在垂直升降桿的絲桿上。其中生長信息傳感系統(tǒng)包括多傳感器單元、數(shù)據(jù)采集卡和光源，多傳感器單元安裝在電控機械搖臂的電控云臺A和電控云臺B上；光源安裝在電控云臺A上，位于多傳感器單元的正下方；數(shù)據(jù)采集卡與多傳感器單元連接，安裝所述電控機械搖臂的三腳架上方。其中控制計算機安裝在電控機械搖臂的三腳架上方，與數(shù)據(jù)采集卡、運動控制卡和多光譜成像儀A、多光譜成像儀B通過USB總線相連。本發(fā)明中所述多傳感器單元包括由多光譜成像儀A、多光譜成像儀B、紅外溫度探測器A、紅外溫度探測器B、紅外溫度探測器C、輻照度傳感器、溫濕度傳感器、荷重傳感器、 遮光罩和標(biāo)尺；其中多光譜成像儀A、紅外溫度探測器A、紅外溫度探測器B、輻照度傳感器、 溫濕度傳感器、遮光罩安裝在所述電控機械搖臂的電控云臺A上，固定在電控云臺A的下方，處于俯視位置；所述多光譜成像儀B、紅外溫度探測器C安裝在電控機械搖臂的電控云臺B上，固定在電控云臺B的左側(cè)，處于側(cè)視位置；所述荷重傳感器位于檢測樣本果實的下方，通過支撐桿垂直固定在溫室土槽中；所述標(biāo)尺固定在檢測樣本旁垂直與地面，與檢測樣本平行。本發(fā)明一種設(shè)施作物生長信息無損檢測方法，按照下述步驟進行
(1)利用多光譜成像儀A和多光譜成像儀B，采集檢測樣本的俯視和側(cè)視視場的可見光-近紅外反射光譜和多光譜圖像，并通過USB總線上傳控制計算機，據(jù)此可判斷檢測樣本的氮、磷、鉀營養(yǎng)水平和冠層面積、果實形態(tài)信息；
(2 )利用紅外溫度探測器A、紅外溫度探測器B、紅外溫度探測器C采集檢測樣本的冠層溫度信息；利用荷重傳感器，采集檢測樣本的果實質(zhì)量信息；利用輻照度傳感器和溫濕度傳感器，采集檢測樣本生長環(huán)境的光照和溫濕度信息；將上述信息輸入數(shù)據(jù)采集卡進行數(shù)字化轉(zhuǎn)換后，通過USB總線上傳控制計算機；
(4)對采集的可見光-近紅外反射光譜和多光譜圖像進行分析處理，控制計算機提取檢測樣本的氮、磷、鉀的光譜特征波長和多光譜圖像的顏色、紋理、灰度均值及融合特征，利用同步獲取的光強信息進行特征補償，進而將提取的氮磷鉀的光譜特征波長、多光譜圖像的顏色、紋理、灰度均值及融合特征進行優(yōu)化，構(gòu)建氮磷鉀光譜和圖像組合特征空間；
(5)利用采集的可見光-近紅外反射光譜和檢測樣本的冠層溫度信息，控制計算機提取檢測樣本水分的光譜特征和冠層溫度特征，結(jié)合環(huán)境溫濕度信息，獲取冠-氣溫差和飽和水汽壓；利用同步獲取的環(huán)境光照信息進行特征補償，通過特征優(yōu)化構(gòu)建水分的光譜和冠層溫度組合特征空間；
(6)利用采集的多光譜圖像和果實質(zhì)量信息，結(jié)合參考標(biāo)尺，控制計算機提取檢測樣本的冠層面積、莖粗、株高、果實形態(tài)和質(zhì)量數(shù)據(jù)；并根據(jù)連續(xù)觀測數(shù)據(jù)，求得冠層面積擴張速率、植株生長速率和果實生長速率；
(7)利用獲取的作物氮、磷、鉀營養(yǎng)、水分和長勢信息，利用控制計算機進行連續(xù)監(jiān)測記錄，作為檢測樣本的生長信息的檢測數(shù)據(jù)。其中步驟(4)中所述的采用的反射光譜的分析處理方法包括首先進行濾波，之后進行逐步回歸和主成分分析；多光譜圖像的分析處理方法包括首先增強多光譜圖像并進行像素級圖像融合，之后通過超綠特征和二維直方圖分割背景，最后進行顏色(灰度)均值計算、紋理分析和融合特征分析。本發(fā)明的效果是(1)本發(fā)明同時采用作物的可見光-近紅外反射光譜和多光譜圖像、冠層溫度、冠層光照、環(huán)境溫濕度和荷重傳感器進行作物生長信息的無損檢測，能夠通過光譜、圖像、紅外溫度、輻射強度等多種無損探測技術(shù)的有機融合，結(jié)合作物生長的環(huán)境和溫濕度監(jiān)測，全方位同步獲取作物生長的綜合信息，不僅信息獲取量更大，更豐富，而且能夠更全面、準(zhǔn)確地把握作物的生長狀態(tài)，這在以往的文件中都沒有涉及；(2)傳統(tǒng)的營養(yǎng)檢測方法通常僅針對氮營養(yǎng)和水分進行檢測，長勢信息也僅通過葉面積、莖粗和株高等信息進行經(jīng)驗判斷，由于作物營養(yǎng)之間具有交互和拮抗作用，營養(yǎng)水分之間也有交互，且作物長勢及其成因具有不確定性，因此，僅根據(jù)對作物的氮素、水分或株高、莖粗信息的檢測不足以全面地反映作物的生長狀態(tài)。與傳統(tǒng)的單一檢測手段和檢測對象相比，本發(fā)明通過獲取作物的氮磷鉀、水分等養(yǎng)分信息和冠層面積、莖粗、株高、果實質(zhì)量、植株和果實生長速率等長勢信息，結(jié)合環(huán)境信息探測，可對設(shè)施作物生長狀態(tài)進行連續(xù)的全面綜合的監(jiān)測，這在以往的文件中都沒有涉及；(3)本發(fā)明通過作物的可見光-近紅外反射光譜和多光譜圖像信息的融合，來綜合判斷作物的氮磷鉀營養(yǎng)水平；通過近紅外光譜和冠層紅外溫度的信息融合來判斷作物的水分脅迫狀態(tài)，通過作物的視覺圖像，提取形態(tài)特征進而判斷作物的長勢，并通過環(huán)境光照和溫濕度信息對測量誤差進行補償，以全面準(zhǔn)確地獲取作物的生長信息，這在以往的文件中都沒有涉及；(4)本發(fā)明將多種無損探測技術(shù)進行有機融合，全方位同步獲取作物的綜合生長信息，提高了效率，較低了勞動強度。


圖1是本發(fā)明-1 一標(biāo)尺
4一輻照度傳感器 7—多光譜成像儀A 10 一電控云臺A 13 一荷重傳感器 16 一垂直升降桿 19 一三腳架 22 一控制計算機
-種設(shè)施作物生長信息無損檢測裝置結(jié)構(gòu)示意2 一遮光罩
5
1濕度傳感器
8一紅外溫度探測器B 11 一多光譜攝像機B 14 一檢測樣本 17 —電控云臺B 20 一數(shù)據(jù)采集卡
3 -鹵素?zé)艄庠碅 6—紅外溫度探測器A 9 -鹵素?zé)艄庠碆 12—紅外溫度探測器C 15 一水平移動桿 18 —電控機械搖臂 21 一運動控制卡
23
室土槽t
具體實施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明進行詳細(xì)的描述。參照附圖1，本發(fā)明一種設(shè)施作物生長信息無損檢測裝置包括電控機械搖臂18、 生長信息傳感系統(tǒng)和控制計算機22三個部分。所述生長信息傳感系統(tǒng)和控制計算機22安裝在電控機械搖臂18上，通過控機械搖臂18進行前后、左右、上下位置的調(diào)整，使生長信息傳感系統(tǒng)到達(dá)檢測位置。所述電控機械搖臂18包括三腳架19、垂直升降桿16、水平移動桿15、電控云臺 AlO和電控云臺Β17。所述三腳架19安裝在電控機械搖臂18的底部，其底端安裝有三個萬向輪，作用是穩(wěn)定電控機械搖臂18，并可使電控機械搖臂18在作業(yè)方向前后左右移動；三腳架上端中心有固定內(nèi)螺紋孔，下端中心有軸套，套接安裝垂直升降桿16 ；垂直升降桿16 為絲杠結(jié)構(gòu)，其頂端通過十字連接件連接水平移動桿15 ；水平移動桿15為絲杠結(jié)構(gòu)，位于垂直升降桿16的頂端，在電控機械搖臂18的最上方；電控云臺AlO通過內(nèi)螺紋滑塊安裝在水平移動桿15的絲杠上，電控云臺Β17通過內(nèi)螺紋滑塊安裝在垂直升降桿16的絲桿上。 所述電控機械搖臂18可通過垂直升降桿16的絲杠旋轉(zhuǎn)驅(qū)動內(nèi)螺紋滑塊帶動電控云臺Β17 在500 3000mm高度范圍內(nèi)進行垂直方向的位置調(diào)整；電控機械搖臂18可通過水平移動桿15的絲杠旋轉(zhuǎn)驅(qū)動內(nèi)螺紋滑塊帶動電控云臺AlO在200 2000mm范圍內(nèi)進行水平位置調(diào)整。通過電控機械搖臂18的前后、左右位移運動，結(jié)合電控云臺AlO和電控云臺B17的水平和垂直方向的位置調(diào)整，可帶動安裝在電控機械搖臂18的生長信息傳感系統(tǒng)到達(dá)所需的檢測位置。所述生長信息傳感系統(tǒng)包括多傳感器單元、數(shù)據(jù)采集卡20和光源。所述多傳感器單元安裝在電控機械搖臂18的電控云臺AlO和電控云臺B17上，光源安裝在電控云臺AlO 上，位于電控機械搖臂18的電控云臺AlO上安裝的多傳感器單元部分的正下方；數(shù)據(jù)采集卡20與多傳感器單元連接，安裝在電控機械搖臂18的三腳架19上方。所述多傳感器單元包括多光譜成像儀A7、多光譜成像儀B11、紅外溫度探測器A6、紅外溫度探測器B8、紅外溫度探測器C12、輻照度傳感器4、溫濕度傳感器5、荷重傳感器13、遮光罩2和標(biāo)尺1。其中多光譜成像儀A7、紅外溫度探測器A6、紅外溫度探測器B8、遮光罩2安裝在所述電控機械搖臂的電控云臺AlO上，固定在電控云臺AlO的下方，處于俯視位置，其中多光譜成像儀A7 安裝在電控云臺A下方中心位置，紅外溫度探測器A6、紅外溫度探測器B8安裝在電控云臺 AlO下方的矩形中心線兩端的四分之一處的對稱位置，分別位于多光譜成像儀A7的左側(cè)和右側(cè)；輻照度傳感器4、溫濕度傳感器5固定在電控云臺AlO的上方矩形中心線兩端的三分之一處的對稱位置。多光譜成像儀Bl 1、紅外溫度探測器C12安裝在電控機械搖臂的電控云臺B17上，固定在電控云臺B17的左側(cè)矩形中心線兩端的三分之一處的對稱位置，處于側(cè)視位置，多光譜成像儀Bll位于紅外溫度探測器C12的上方。所述荷重傳感器位于檢測樣本 14的果實下方，安裝在支撐桿上，支撐桿固定在溫室土槽23上，垂直于溫室土槽23 ；所述標(biāo)尺1固定在檢測樣本14左側(cè)20cm處，垂直與溫室土槽23，與檢測樣本14平行。上述所述傳感器中，紅外溫度探測器A6、紅外溫度探測器B8、紅外溫度探測器C12、輻照度傳感器4、 溫濕度傳感器5、荷重傳感器13的電源輸入端采用并聯(lián)方式連接，均采用DC24V電源供電， 其輸出均為 5V信號，信號輸出端均與數(shù)據(jù)采集卡20的信號輸入端相連，進行數(shù)字化轉(zhuǎn)換后通過數(shù)據(jù)采集卡20的USB總線上傳控制計算機22 ；多光譜成像儀A7、多光譜成像儀Bll 通過USB總線與控制計算機22相連，采用控制計算機的USB總線供電和數(shù)據(jù)傳輸，將采集的可見光-近紅外反射光譜和多光譜圖像信息上傳控制計算機22。所述處于俯視位置的多光譜成像儀A7，可同時獲取30(Tll00nm波長范圍的5個不同特征波長處的檢測樣本14的可見光-近紅外反射光譜和多光譜圖像信息，據(jù)此可判斷作物的氮、磷、鉀營養(yǎng)水平和冠層面積、果實形態(tài)信息。處于側(cè)視位置的多光譜成像儀Bll 與多光譜成像儀A7型號相同，結(jié)合標(biāo)尺1，可獲取作物的莖稈、植株和不同視場角度的檢測樣本的可見光-近紅外反射光譜和多光譜圖像信息，據(jù)此可得到作物的莖粗、株高信息和氮磷鉀營養(yǎng)信息。紅外溫度探測器A6、紅外溫度探測器B8、紅外溫度探測器C12為相同型號，測量范圍為-40 80° C，其主要功能是獲取作物不同位置的冠層溫度信息，結(jié)合溫濕度傳感器5獲取的環(huán)境溫、濕度度信息可得到冠-氣溫差和飽和水汽壓，據(jù)此判斷檢測樣本的水分脅迫狀態(tài)，其中溫度傳感器5的測量范圍為-40 80° C，濕度傳感器5的測量范圍為0 100% RH ；輻照度傳感器4用來獲取實時光照強度，據(jù)此可對環(huán)境光強變化對測量精度的影響進行補償，其測量范圍為0 lOOKlux ；荷重傳感器13的測量范圍為0 lOOOg， 通過支撐桿固定溫室土槽中，通過托舉作物樣本14的果實測量其質(zhì)量，進而根據(jù)連續(xù)測量數(shù)據(jù)計算得到果實生長速率。所述數(shù)據(jù)采集卡20為16位USB數(shù)據(jù)采集卡，安裝在電控機械搖臂18的三腳架19 上方，其信號輸入端與紅外溫度探測器A6、紅外溫度探測器B8、紅外溫度探測器C12、輻照度傳感器4、溫濕度傳感器5、荷重傳感器13信號輸出端相連，對輸入信號進行A/D轉(zhuǎn)換，其輸出端通過數(shù)據(jù)采集卡20的USB總線與控制計算機22相連，將數(shù)字信號上傳至控制計算機22進行分析和處理。
所述光源系統(tǒng)包括光源和遮光罩2，用來為多光譜成像儀A7和多光譜成像儀Bll 提供250 3000nm譜段的可見光-近紅外光源，以獲取清晰的多光譜圖像和穩(wěn)定的反射光譜數(shù)據(jù)。其中光源由鹵素?zé)艄庠碅3和鹵素?zé)艄庠碆9組成，分別安裝在電控云臺AlO與水平移動桿15連接的滑塊的矩形中心線左右兩端內(nèi)側(cè)；遮光罩2安裝在水平移動桿15連接的滑塊的矩形中心線兩端外側(cè)，其作用是對外部光源進行屏蔽，并通過漫反射的弧形反光面增強光源的輻射強度和均勻度，以屏蔽外部干擾，提高反射光譜和高光譜圖像數(shù)據(jù)的精度和穩(wěn)定性。所述控制計算機22的主要功能是實現(xiàn)信號采集控制、電控機械搖臂運動控制和數(shù)據(jù)分析。控制計算機22安裝在電控機械搖臂18的三腳架19的上方，通過USB數(shù)據(jù)線與數(shù)據(jù)采集卡20、運動控制卡21、多光譜成像儀A7和多光譜成像儀Bll相連，通過控制多光譜成像儀A7和多光譜成像儀Bll采集檢測樣本的可見光-近紅外反射光譜和多光譜圖像信息；通過控制數(shù)據(jù)采集卡20采集紅外溫度探測器A6、紅外溫度探測器B8、紅外溫度探測器C12、輻照度傳感器4、溫濕度傳感器5、荷重傳感器13信號；通過運動控制卡21控制電控機械搖臂18的運動。并對獲取的作物生長信息數(shù)據(jù)進行顯示、分析和處理。實施一種設(shè)施作物生長信息無損檢測方法的步驟
(1)控制計算機22控制電控機械搖臂18在設(shè)施作物之間的行間作業(yè)通道上進行前后位置調(diào)整，到達(dá)檢測樣本位置后，驅(qū)動垂直升降桿16的絲杠旋轉(zhuǎn)，帶動內(nèi)螺紋滑塊和電控云臺B17使安裝在其上的傳感器升降進行高低位置調(diào)整，進而通過操控水平移動桿15上的電控云臺AlO進行傳感器水平位置調(diào)整到達(dá)作物正上方檢測位置；
(2)啟動鹵素?zé)艄庠?和9，并啟動分別位于檢測樣本14正上方電控云臺AlO上的多光譜成像儀A7和作物中部電控云臺B17上，側(cè)向水平位置的多光譜成像儀B11，采集檢測樣本14的俯視和側(cè)視視場的可見光-近紅外反射光譜和多光譜圖像，并通過USB總線上傳控制計算機22 ；
(3)啟動位于檢測樣本14正上方電控云臺AlO上的紅外溫度探測器A6、紅外溫度探測器B8和檢測樣本14中部的電控云臺B17上側(cè)向水平位置的紅外溫度探測器C12，獲取作物的冠層溫度信息；啟動位于檢測樣本14果實下方的荷重傳感器13，獲取果實重量信息；同步啟動位于檢測樣本14正上方的輻照度傳感器4和溫濕度傳感器5，采集檢測樣本14生長環(huán)境的實時光照和環(huán)境溫濕度信息，并將上述傳感器的電壓信號差分輸入數(shù)據(jù)采集卡20 進行A/D轉(zhuǎn)換后通過USB總線上傳控制計算機22 ；
(4)利用采集的可見光-近紅外反射光譜和多光譜圖像進行處理，所采用的反射光譜的分析處理方法包括首先進行濾波，之后進行逐步回歸和主成分分析；多光譜圖像的分析處理方法包括首先增強多光譜圖像并進行像素級圖像融合，之后通過超綠特征和二維直方圖分割背景，最后進行顏色(灰度)均值計算、紋理分析和融合特征分析。控制計算機提取檢測樣本14的氮磷鉀的光譜特征波長和多光譜圖像的顏色、紋理、灰度均值及融合特征，利用同步獲取的光強信息進行特征補償，進而將提取的氮、磷、鉀的光譜特征波長、多光譜圖像的顏色、紋理、灰度均值及融合特征進行優(yōu)化，構(gòu)建氮磷鉀光譜和圖像組合特征空間；
(5)利用采集的可見光-近紅外反射光譜和冠層溫度信息，控制計算機22提取檢測樣本14的水分的反射光譜特征和冠層溫度特征，結(jié)合環(huán)境溫濕度信息，獲取冠-氣溫差和飽和水汽壓；利用同步獲取的環(huán)境光照信息進行特征補償，通過特征優(yōu)化構(gòu)建水分的光譜和冠層溫度組合特征空間；
(6)利用采集的多光譜圖像和果實質(zhì)量信息，結(jié)合參考標(biāo)尺1參考目標(biāo)，控制計算機22 提取檢測樣本14的冠層面積、莖粗、株高、果實形態(tài)和質(zhì)量數(shù)據(jù)；并根據(jù)連續(xù)觀測數(shù)據(jù)，求得冠層面積擴張速率、植株生長速率和果實生長速率；
(7)利用獲取的檢測樣本14的氮磷鉀營養(yǎng)、水分和長勢信息，利用控制計算機22進行連續(xù)監(jiān)測記錄，作為檢測樣本14的生長信息的檢測數(shù)據(jù)。
權(quán)利要求
1.一種設(shè)施作物生長信息無損檢測裝置，其特征在于包括電控機械搖臂、生長信息傳感系統(tǒng)和控制計算機三個部分，其中生長信息傳感系統(tǒng)和控制計算機安裝在電控機械搖臂上；其中電控機械搖臂包括三腳架、垂直升降桿、水平移動桿、電控云臺A和電控云臺B;其中三腳架安裝在電控機械搖臂的底部，其底端安裝有三個萬向輪，三腳架上端中心有固定內(nèi)螺紋孔，下端中心有軸套，套接安裝垂直升降桿；垂直升降桿為絲杠結(jié)構(gòu)，其頂端通過十字連接件連接水平移動桿；水平移動桿為絲杠結(jié)構(gòu)，位于垂直升降桿的頂端和電控機械搖臂的最上方；所述電控云臺A通過內(nèi)螺紋滑塊安裝在水平移動桿的絲杠上，電控云臺B通過內(nèi)螺紋滑塊安裝在垂直升降桿的絲桿上；其中生長信息傳感系統(tǒng)包括多傳感器單元、數(shù)據(jù)采集卡和光源，多傳感器單元安裝在電控機械搖臂的電控云臺A和電控云臺B上；光源安裝在電控云臺A上，位于多傳感器單元的正下方；數(shù)據(jù)采集卡與多傳感器單元連接，安裝所述電控機械搖臂的三腳架上方；其中控制計算機安裝在電控機械搖臂的三腳架上方，與數(shù)據(jù)采集卡、運動控制卡和多光譜成像儀A、多光譜成像儀B通過USB總線相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種設(shè)施作物生長信息無損檢測裝置，其特征在于所述多傳感器單元包括由多光譜成像儀A、多光譜成像儀B、紅外溫度探測器A、紅外溫度探測器B、 紅外溫度探測器C、輻照度傳感器、溫濕度傳感器、荷重傳感器、遮光罩和標(biāo)尺；其中多光譜成像儀A、紅外溫度探測器A、紅外溫度探測器B、輻照度傳感器、溫濕度傳感器、遮光罩安裝在所述電控機械搖臂的電控云臺A上，固定在電控云臺A的下方，處于俯視位置；所述多光譜成像儀B、紅外溫度探測器C安裝在電控機械搖臂的電控云臺B上，固定在電控云臺B的左側(cè)，處于側(cè)視位置；所述荷重傳感器位于檢測樣本果實的下方，通過支撐桿垂直固定在溫室土槽中；所述標(biāo)尺固定在檢測樣本旁垂直與地面，與檢測樣本平行。
3.一種設(shè)施作物生長信息無損檢測方法，其特征在于按照下述步驟進行(1)利用多光譜成像儀A和多光譜成像儀B，采集檢測樣本的俯視和側(cè)視視場的可見光-近紅外反射光譜和多光譜圖像，并通過USB總線上傳控制計算機，據(jù)此可判斷檢測樣本的氮、磷、鉀營養(yǎng)水平和冠層面積、果實形態(tài)信息；(2 )利用紅外溫度探測器A、紅外溫度探測器B、紅外溫度探測器C采集檢測樣本的冠層溫度信息；利用荷重傳感器，采集檢測樣本的果實質(zhì)量信息；利用輻照度傳感器和溫濕度傳感器，采集檢測樣本生長環(huán)境的光照和溫濕度信息；將上述信息輸入數(shù)據(jù)采集卡進行數(shù)字化轉(zhuǎn)換后，通過USB總線上傳控制計算機；(4)對采集的可見光-近紅外反射光譜和多光譜圖像進行分析處理，控制計算機提取檢測樣本的氮、磷、鉀的光譜特征波長和多光譜圖像的顏色、紋理、灰度均值及融合特征，利用同步獲取的光強信息進行特征補償，進而將提取的氮磷鉀的光譜特征波長、多光譜圖像的顏色、紋理、灰度均值及融合特征進行優(yōu)化，構(gòu)建氮磷鉀光譜和圖像組合特征空間；(5)利用采集的可見光-近紅外反射光譜和檢測樣本的冠層溫度信息，控制計算機提取檢測樣本水分的光譜特征和冠層溫度特征，結(jié)合環(huán)境溫濕度信息，獲取冠-氣溫差和飽和水汽壓；利用同步獲取的環(huán)境光照信息進行特征補償，通過特征優(yōu)化構(gòu)建水分的光譜和冠層溫度組合特征空間；(6)利用采集的多光譜圖像和果實質(zhì)量信息，結(jié)合參考標(biāo)尺，控制計算機提取檢測樣本的冠層面積、莖粗、株高、果實形態(tài)和質(zhì)量數(shù)據(jù)；并根據(jù)連續(xù)觀測數(shù)據(jù)，求得冠層面積擴張速率、植株生長速率和果實生長速率；(7)利用獲取的作物氮、磷、鉀營養(yǎng)、水分和長勢信息，利用控制計算機進行連續(xù)監(jiān)測記錄，作為檢測樣本的生長信息的檢測數(shù)據(jù)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種設(shè)施作物生長信息無損檢測方法，其特征在于其中步驟 (4)中所述的采用的反射光譜的分析處理方法包括首先進行濾波，之后進行逐步回歸和主成分分析；多光譜圖像的分析處理方法包括首先增強多光譜圖像并進行像素級圖像融合，之后通過超綠特征和二維直方圖分割背景，最后進行顏色(灰度)均值計算、紋理分析和融合特征分析。
全文摘要
本發(fā)明一種設(shè)施作物生長信息無損檢測裝置和方法，屬于設(shè)施作物監(jiān)測技術(shù)領(lǐng)域。包括生長信息傳感系統(tǒng)、電控機械搖臂和控制計算機三部分；控制計算機驅(qū)動電控機械搖臂定位到檢測位置，并控制生長信息傳感系統(tǒng)，利用多光譜成像儀、紅外溫度、輻照度、環(huán)境溫濕度、荷重傳感器獲取作物的氮磷鉀、水分的反射光譜、多光譜圖像、冠層溫度特征，冠層、莖桿、植株、果實的多光譜形態(tài)特征和果實質(zhì)量信息，以及環(huán)境光照和溫、濕度信息；對作物營養(yǎng)、水分特征進行優(yōu)化和補償，得到營養(yǎng)、水分特征空間；對作物的多光譜形態(tài)特征進行提取，得到冠層面積、莖粗、果實質(zhì)量、株高等長勢信息，結(jié)合營養(yǎng)、水分和長勢特征，實現(xiàn)了對作物的生長信息的全面獲取和無損檢測。
文檔編號G01D21/02GK102384767SQ20111036376
公開日2012年3月21日 申請日期2011年11月17日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月17日
發(fā)明者周瑩, 左志宇, 張曉東, 朱文靜, 毛罕平, 高洪燕 申請人:江蘇大學(xué)