本發(fā)明涉及病蟲害防治，具體涉及一種基于聲學(xué)探測的農(nóng)田蟲害實(shí)時監(jiān)測預(yù)警方法及裝置。

背景技術(shù)：

1、病蟲害是一個全球性的農(nóng)業(yè)問題，長期以來使農(nóng)業(yè)遭受巨大的損失，是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的一個挑戰(zhàn)。病蟲害不僅直接影響作物的產(chǎn)量和質(zhì)量，還可能導(dǎo)致農(nóng)產(chǎn)品價格波動，威脅糧食安全。

2、現(xiàn)有的害蟲防治方法大多為生物防治、物理防治和化學(xué)防治。生物防治通過引入害蟲對應(yīng)的天敵來減少害蟲數(shù)量，但成本較高，小規(guī)模農(nóng)戶難以承受，且殺蟲效果較慢，不適用快速控制。物理防治利用物理方法或機(jī)械方法來防治害蟲，例如使用光線驅(qū)趕、熱水浸種、高溫處理以及設(shè)置網(wǎng)罩。盡管物理防治法不涉及化學(xué)藥品因而環(huán)保性較好，但是其大規(guī)模蟲害控制效率很低，只適合作為臨時的輔助防治措施。而化學(xué)防治通過噴灑農(nóng)藥來殺死農(nóng)田中的害蟲，效率高且實(shí)施方便，是目前主流的病蟲害防治方法。目前化學(xué)防治的施藥方式分為普遍噴灑，精準(zhǔn)施藥，點(diǎn)噴，條帶噴灑等。普遍噴灑對環(huán)境的污染較為嚴(yán)重，并且會導(dǎo)致害蟲抗藥性的快速發(fā)展，同時還會造成資源浪費(fèi)。而精準(zhǔn)噴灑相對于其他施藥方式最節(jié)省農(nóng)藥使用，對環(huán)境的污染也最小。為了實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)噴灑，目前主流的識別方式是結(jié)合計算機(jī)視覺，人工智能，機(jī)械學(xué)習(xí)算法等技術(shù)來進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。但由于涉及價格較高的硬件，該技術(shù)的成本較高，尤其是對于中小型農(nóng)戶而言，即使后續(xù)回報大于投入，前期也沒有足夠的資金來部署該技術(shù)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、發(fā)明目的：本發(fā)明的目的是提供一種成本低、識別率高的基于聲學(xué)探測的農(nóng)田蟲害實(shí)時監(jiān)測預(yù)警方法及裝置。

2、技術(shù)方案：一種基于聲學(xué)探測的農(nóng)田蟲害實(shí)時監(jiān)測預(yù)警方法，包括以下步驟：

3、(1)采集目標(biāo)區(qū)域中的聲音信號；

4、(2)對聲音信號進(jìn)行去噪處理，并提取聲音信號的特征向量；

5、(3)采用分類算法將聲音信號的特征向量與標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)集進(jìn)行比對，得到聲音信號對應(yīng)的蟲種類信息及蛙種類信息；根據(jù)蟲種類信息及蛙種類信息進(jìn)行聲音信號采樣，確定蟲數(shù)量信息及蛙數(shù)量信息；

6、(4)根據(jù)蛙數(shù)量信息及蟲數(shù)量信息，設(shè)置預(yù)警閾值，超過預(yù)警閾值時告警。

7、具體的，步驟(2)包括：

8、(21)將聲音信號a(t)離散化得到a(n)，并基于a(n)計算信號頻率：

9、

10、式中：a(t)代表每個時間點(diǎn)的聲壓級，a(n)中n為采樣點(diǎn)的索引，采樣點(diǎn)總數(shù)為n，fk為信號頻率，fs為采樣頻率，在采集聲音信號時設(shè)定，k為采樣點(diǎn)在頻域中的索引；

11、(22)利用濾波器對聲音信號進(jìn)行去噪處理，濾波器的頻率響應(yīng)公式為：

12、

13、式中：h(fk)為濾波器的頻率響應(yīng)，fk為信號頻率，fc為截止頻率，n為濾波器的階數(shù)；

14、(23)經(jīng)濾波器處理后，得到去噪后的聲音信號a′(t)，對去噪后的聲音信號a′(t)進(jìn)行快速傅里葉變換，將時域信號轉(zhuǎn)換為頻域信號：

15、

16、式中：b(f)為頻域信號，a′(t)為去噪后的時域信號，f為頻率，t為時間，j為虛數(shù)單位；

17、(24)從頻域信號b(f)中提取主要頻率成分和幅度信息，得到幅度譜m(f)，形成特征向量c，公式如下：

18、m(f)＝|b(f)|

19、c＝[m(f1),m(f2),……,m(fn)]

20、式中：m(f)為幅度譜，f1,f2,…,fn為主要頻率成分。

21、優(yōu)選的，上述濾波器為四階濾波器。

22、具體的，分類算法包括支持向量機(jī)算法、隨機(jī)森林算法、決策樹算法、k近鄰算法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法、樸素貝葉斯算法。

23、優(yōu)選的，步驟(3)中，分類算法為k近鄰算法時，采用分類算法將聲音信號的特征向量與標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)集進(jìn)行比對，得到聲音信號對應(yīng)的蟲種類信息及蛙種類信息包括以下步驟：

24、(311)對聲音信號的特征向量c的每個特征值進(jìn)行歸一化處理：

25、

26、式中：為歸一化處理后特征向量c的第j個特征值，xj代表特征向量c的第j個特征值；

27、(312)提取標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)集中各種蟲類或蛙類樣本的特征向量，同樣進(jìn)行步驟(311)中的歸一化處理，計算歸一化處理后的聲音信號的特征向量c與標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)集中各種蟲類或蛙類樣本的特征向量的歐氏距離：

28、

29、式中：di是c與標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)集中第i個特征向量的歐氏距離，cj為標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)集中特征向量的第j個特征值，為歸一化處理后特征向量c的第j個特征值，d為特征向量的維度；

30、(313)將標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)集中所有特征向量與特征向量c之間的歐氏距離按順序排列；

31、(314)給定k值，選擇與特征向量c之間歐氏距離最小的k個特征向量，將對應(yīng)的k個樣本索引放入集合ineighbours＝{i|bi}中，bi為歐氏距離最小的k個樣本之一，再將k個樣本對應(yīng)的蟲種類或蛙種類放入集合e＝{ei|i∈ineighbours}中，ei為第i個樣本對應(yīng)的蟲種類或蛙種類；

32、(315)根據(jù)集合e中的蟲種類或蛙種類，使用多數(shù)投票法確定特征向量c對應(yīng)的蟲種類或蛙種類，得到蟲種類信息或蛙種類信息：

33、

34、式中：為指示函數(shù)，當(dāng)ci＝c時，結(jié)果為1，反之為0。

35、具體的，步驟(3)中，根據(jù)蟲種類信息及蛙種類信息進(jìn)行聲音信號采樣，確定蟲數(shù)量信息及蛙數(shù)量信息包括以下步驟：

36、(321)根據(jù)蟲種類信息或蛙種類信息，取該類蟲或蛙平均鳴叫一次的時間t，間隔時間t采集聲音信號a(t)，共采集m次，得到離散振幅si：

37、si＝a(ti)，i∈[1,m]

38、式中：a(ti)為第i次采集的聲音信號；

39、(322)將聲音信號si轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號s′i：

40、s′i＝adc(si)

41、(323)根據(jù)數(shù)字信號s′i計算能量ek：

42、

43、(324)設(shè)置能量閾值，若能量ek大于能量閾值，則判定為一個事件，計算m個時間段t內(nèi)的事件總數(shù)，得到相應(yīng)的蟲數(shù)量信息或蛙數(shù)量信息。

44、具體的，步驟(4)包括：

45、當(dāng)區(qū)域內(nèi)蛙數(shù)量小于設(shè)定值時，設(shè)置預(yù)警閾值為蟲種群數(shù)量承載能力k的1/4，超過預(yù)警閾值時向用戶發(fā)送預(yù)警信息；

46、當(dāng)區(qū)域內(nèi)蛙數(shù)量大于等于設(shè)定值時，根據(jù)蛙數(shù)量設(shè)置預(yù)警閾值，該預(yù)警閾值大于1/4k小于1/2k。

47、優(yōu)選的，步驟(4)還包括：根據(jù)蟲數(shù)量信息計算目標(biāo)區(qū)域不同時間段的蟲密度，統(tǒng)計得到蟲密度最高的時間段，向用戶發(fā)送預(yù)警信息。

48、本發(fā)明還提供一種基于聲學(xué)探測的農(nóng)田蟲害實(shí)時監(jiān)測預(yù)警裝置，其特征在于，包括若干個監(jiān)測單元及一個中央數(shù)據(jù)處理單元，監(jiān)測單元包括麥克風(fēng)陣列、音頻預(yù)處理單元、局部數(shù)據(jù)處理單元，麥克風(fēng)陣列包括若干個對稱分布的麥克風(fēng)，麥克風(fēng)陣列、音頻預(yù)處理單元、局部數(shù)據(jù)處理單元依次連接，局部數(shù)據(jù)處理單元與中央數(shù)據(jù)處理單元相連接；

49、麥克風(fēng)陣列：用于采集目標(biāo)區(qū)域中的聲音信號，并傳輸給音頻預(yù)處理單元；

50、音頻預(yù)處理單元：用于對聲音信號進(jìn)行去噪處理，提取聲音信號的特征向量，并傳輸給局部數(shù)據(jù)處理單元；

51、局部數(shù)據(jù)處理單元：用于采用分類算法將聲音信號的特征向量與標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)集進(jìn)行比對，得到聲音信號對應(yīng)的蟲種類信息及蛙種類信息；根據(jù)蟲種類信息及蛙種類信息進(jìn)行聲音信號采樣，確定蟲數(shù)量信息及蛙數(shù)量信息，并傳輸給中央數(shù)據(jù)處理單元；

52、中央數(shù)據(jù)處理單元：用于根據(jù)蛙數(shù)量信息及蟲數(shù)量信息，設(shè)置預(yù)警閾值，超過預(yù)警閾值時告警。

53、具體的，上述麥克風(fēng)陣列的排布方式包括：均勻網(wǎng)格分布：每個麥克風(fēng)等距地設(shè)置在矩形網(wǎng)格中；邊界加強(qiáng)分布：在目標(biāo)區(qū)域的邊界處增加麥克風(fēng)數(shù)量，中心處減少麥克風(fēng)數(shù)量；環(huán)形分布：麥克風(fēng)環(huán)繞目標(biāo)區(qū)域中心以圓形或多個同心圓的方式設(shè)置。

54、有益效果：與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的顯著效果是：

55、(1)通過結(jié)合聲學(xué)探測與大數(shù)據(jù)分析技術(shù)，本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了實(shí)時收集和分析農(nóng)田中蟲與蛙的種類和數(shù)量信息，做到了自動高效的信息采集。

56、(2)利用采集的蟲與蛙的種類和數(shù)量信息，實(shí)時判斷害蟲數(shù)量是否到達(dá)預(yù)警閾值，從而及時有效地向農(nóng)戶發(fā)送除蟲提醒信息，同時做到了時間和區(qū)域上的精準(zhǔn)判斷，提高了病蟲害防治的精準(zhǔn)度和效率，減少了農(nóng)藥的過量使用，有助于生態(tài)環(huán)境的保護(hù)，同時減少了農(nóng)作物中的農(nóng)藥成分殘留。

57、(3)采用的設(shè)備價格較低，具備成本優(yōu)勢，適用于中小農(nóng)戶使用，同時設(shè)備的設(shè)置簡化，單個監(jiān)測單元可獨(dú)立脫網(wǎng)使用，適用于各種場景。