本發(fā)明涉及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和檢測(cè)領(lǐng)域，尤其涉及棉花植株的長(zhǎng)勢(shì)檢測(cè)與診斷方法，便于向棉花靶向施肥。

背景技術(shù)：

目前，農(nóng)作物植株生長(zhǎng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)手段主要有衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)和人為實(shí)地觀察監(jiān)測(cè)。例如專利申請(qǐng)?zhí)枮?01310576604.6、名稱為“冬小麥揚(yáng)花期赤霉病遙感監(jiān)測(cè)方法”的文獻(xiàn)中公開的遙感監(jiān)測(cè)方法，是憑借冬小麥揚(yáng)花期的兩種衛(wèi)星遙感植被指數(shù)和麥田日均氣溫?cái)?shù)據(jù)對(duì)冬小麥揚(yáng)花期赤霉病發(fā)生情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)。但是該方法主要由衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)，衛(wèi)星、航空遙感技術(shù)受重訪周期長(zhǎng)、影像空間分辨率低、起飛條件要求高以及花費(fèi)昂貴等因素制約，難以推廣。而人為觀察監(jiān)測(cè)的效率較低、監(jiān)測(cè)范圍和樣本量有限，導(dǎo)致結(jié)果誤差大。

棉花是種植生產(chǎn)中產(chǎn)業(yè)鏈最長(zhǎng)的大田農(nóng)作物，是必不缺少的生活必需品原料，是僅次于糧食的第二大宗農(nóng)作和生產(chǎn)的主要原料，在農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)中占有重要地位。然而，棉花植株會(huì)因?yàn)橥恋氐呢汃ぴ斐刹煌瑓^(qū)域的長(zhǎng)勢(shì)不同。棉花種植與一般農(nóng)作物種植管理有著較大的差異，在棉花開花結(jié)果之前，不僅僅需要對(duì)發(fā)育不良的棉花植株采取增肥措施，也要對(duì)發(fā)育超常的植株采取抑制措施，最終保證棉花產(chǎn)量。為了保證棉花產(chǎn)量，在棉株生長(zhǎng)過程中需要消滅大小苗。另外，在棉花植株結(jié)鈴之前，需要保證棉花植株長(zhǎng)勢(shì)穩(wěn)定和植株葉在合理范圍，保證陽(yáng)光的透光率，防止棉鈴腐爛。因此，在棉株生長(zhǎng)過程中監(jiān)測(cè)棉株的長(zhǎng)勢(shì)非常重要，對(duì)小苗使用偏心肥，對(duì)大苗和綠葉茂盛的棉花植株噴灑抑制劑。目前，棉花種植主要采取人為觀察方法，但是人為觀察方法主要適合于小面積種植且判斷誤差較大，而遙感方法又難以推廣。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是解決現(xiàn)有棉花植株長(zhǎng)勢(shì)檢測(cè)方法存在的問題，提出一種借助于無(wú)人機(jī)進(jìn)行棉花種植區(qū)域信息采樣、適合于大面積監(jiān)控棉花植株長(zhǎng)勢(shì)的面向棉花靶向施肥的植株長(zhǎng)勢(shì)檢測(cè)與診斷方法，以確保棉花植株長(zhǎng)勢(shì)均勻一致，避免長(zhǎng)勢(shì)太茂盛和太弱小都影響棉花結(jié)果的問題。

本發(fā)明面向棉花靶向施肥的植株長(zhǎng)勢(shì)檢測(cè)與診斷方法采用的技術(shù)方案是包括以下步驟：

a、在棉花開花結(jié)果前，測(cè)量棉花種植區(qū)域四邊界線的gps坐標(biāo)值，規(guī)劃搭載有圖像采集設(shè)備和超聲波測(cè)距設(shè)備的無(wú)人機(jī)飛行的采集路線、懸停拍攝點(diǎn)的gps坐標(biāo)值和飛行平面距離地面的距離s，

b、圖像采集設(shè)備在各個(gè)懸停拍攝點(diǎn)拍攝棉株圖片，超聲波測(cè)距設(shè)備測(cè)量棉株頂部距離飛行平面的距離s1；將棉株圖片及對(duì)應(yīng)的gps坐標(biāo)值、距離s1及對(duì)應(yīng)的gps坐標(biāo)值和距離s都傳入至計(jì)算機(jī)中；

c、計(jì)算機(jī)通過公式計(jì)算出棉株的高度h；對(duì)棉株圖片進(jìn)行二值化處理，將圖片均勻化分割為m份小區(qū)域，計(jì)算出每份小區(qū)域的像素總數(shù)值、占空比和透光率，l為像素點(diǎn)數(shù)量，為第i個(gè)像素點(diǎn)的數(shù)值；

d、將棉株的高度h與計(jì)算機(jī)中預(yù)設(shè)的高度上限值h2和高度下限值h1比較，當(dāng)h>h2時(shí)，表示棉株高度較高，長(zhǎng)勢(shì)較強(qiáng)；當(dāng)h1≥h≥h2時(shí)，表示棉株長(zhǎng)勢(shì)合理；當(dāng)h<h1時(shí)，表示棉株高度較矮，長(zhǎng)勢(shì)較弱；將棉株的透光率與預(yù)設(shè)的透光率上限值σ2和透光率下限值σ1比較，當(dāng)σ<σ1時(shí)，表示棉株的透光率較低，長(zhǎng)勢(shì)較強(qiáng)；當(dāng)σ1≤σ≤σ2時(shí)，表示棉株長(zhǎng)勢(shì)合理；當(dāng)σ>σ2時(shí)，表示棉株透光率較大，長(zhǎng)勢(shì)較弱。

本發(fā)明與已有方法和技術(shù)相比，具有如下優(yōu)點(diǎn)：

1、與人為觀察相比，本發(fā)明針對(duì)棉田面積大，人工獲取棉花長(zhǎng)勢(shì)信息難的問題，借助成本低廉的無(wú)人機(jī)為載體，在無(wú)人機(jī)上安裝信息采集裝置進(jìn)行棉花種植區(qū)域信息采樣，通過無(wú)人機(jī)巡航、圖像處理、gps定位及超聲波測(cè)距等手段獲取棉花植株長(zhǎng)勢(shì)信息，通過計(jì)算機(jī)的上位機(jī)再分析采集的信息，實(shí)現(xiàn)了大面積棉花植株長(zhǎng)勢(shì)靶向性診斷，識(shí)別出長(zhǎng)勢(shì)較弱或較強(qiáng)局部地區(qū)，提高了自動(dòng)化程度，降低勞動(dòng)強(qiáng)度，提高信息獲取效率，為棉花種植管理提供有效的依據(jù)。

2、本發(fā)明針對(duì)棉花開花結(jié)果前植株長(zhǎng)勢(shì)靶向診斷問題，運(yùn)用圖像處理技術(shù)有效識(shí)別出棉花植株高度和透光率異常區(qū)域，依據(jù)棉花植株高度和棉花植株透光率來(lái)判斷。種植人員可根據(jù)長(zhǎng)勢(shì)不同的區(qū)域采取不同的管理措施，確保棉花植株長(zhǎng)勢(shì)均勻一致，避免長(zhǎng)勢(shì)太茂盛和太弱小都影響棉花結(jié)果的問題，可大大提高棉花產(chǎn)量。

3、本發(fā)明運(yùn)用gps定位信息，確定棉花長(zhǎng)勢(shì)太茂盛和太弱小區(qū)域的位置，為植保人員提供靶向施肥的有效信息，實(shí)現(xiàn)棉花植株長(zhǎng)勢(shì)均勻性的有效管理。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明面向棉花靶向施肥的植株長(zhǎng)勢(shì)檢測(cè)與診斷方法所采用的無(wú)人機(jī)對(duì)棉花種植區(qū)域進(jìn)行信息采集的狀態(tài)圖；

圖2是圖1中無(wú)人機(jī)的底部結(jié)構(gòu)放大示意圖；

圖3是圖1中無(wú)人機(jī)的控制電路內(nèi)部結(jié)構(gòu)及其外接圖；

圖4是本發(fā)明面向棉花靶向施肥的植株長(zhǎng)勢(shì)檢測(cè)與診斷方法的流程圖；

圖5是圖4中無(wú)人機(jī)對(duì)棉花種植區(qū)域進(jìn)行信息采集的路線規(guī)劃示意圖；

圖中：1.無(wú)人機(jī)底板；2.超聲波測(cè)距設(shè)備；3.圖像采集設(shè)備支架；5.圖像采集設(shè)備；6.無(wú)人機(jī)；7.控制盒；8.棉花種植區(qū)域；9.單次圖像采集區(qū)域；12.棉株；13.電源；14.電源變換模塊；15.通信接口；16.gps模塊；17.主控模塊；18.飛行控制模塊；20.固定架。

具體實(shí)施方式

參見圖1，本發(fā)明使用具有自動(dòng)巡航功能的無(wú)人機(jī)6飛行在棉花種植區(qū)域8的上空拍攝，拍攝棉花種植區(qū)域8中每個(gè)單次圖像采集區(qū)域9內(nèi)的棉株12圖像。在無(wú)人機(jī)6中上部安裝控制盒7。

參見2所示，無(wú)人機(jī)6的底部是無(wú)人機(jī)底板1，無(wú)人機(jī)底板1的底面上固定連接超聲波測(cè)距設(shè)備2和圖像采集設(shè)備支架3，圖像采集設(shè)備支架3通過固定架20固定連接圖像采集設(shè)備5，避免因航拍時(shí)的抖動(dòng)而導(dǎo)致圖片模糊。圖像采集設(shè)備5的擺放角度為正對(duì)著大地，能對(duì)棉株12的進(jìn)行俯視拍攝。超聲波測(cè)距設(shè)備2內(nèi)設(shè)有超聲波發(fā)射器和超聲波接收器，利用超聲波回波測(cè)距原理，能測(cè)量其距離棉株12頂端的距離。超聲波發(fā)射器豎直向下向棉株12發(fā)射超聲波，在發(fā)射時(shí)刻的同時(shí)計(jì)數(shù)器開始計(jì)時(shí)，超聲波在空氣中傳播，途中碰到棉株12頂端的阻擋就立即反射回來(lái)，超聲波接收器收到反射回來(lái)的超聲波就立即停止計(jì)時(shí)，并記錄兩者時(shí)間差t，由于超聲波在空氣中的速度已知，根據(jù)計(jì)時(shí)器記錄的時(shí)間，即可得超聲波測(cè)距設(shè)備2與棉株12頂端之間的垂直高度，也就是無(wú)人機(jī)6的飛行平面距離棉株12的垂直距離，其中，v是超聲波在空氣中的傳播速度（340m/s）。

參見圖3所示，控制盒7內(nèi)部具有控制電路，控制電路封裝于控制盒7中?？刂齐娐钒ㄖ骺啬K17、gps模塊16、飛行控制模塊18和電源變換模塊14。主控模塊17通過電源變換模塊14連接電源13。主控模塊17還分別連接通信接口15、gps模塊16、飛行控制模塊18、圖像采集設(shè)備5和超聲波測(cè)距設(shè)備2。主控模塊17能控制gps模塊16和飛行控制模塊18實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)6自動(dòng)巡航和定點(diǎn)懸停，主控模塊17還控制圖像采集設(shè)備5進(jìn)行圖片采集，圖像采集設(shè)備5將采集的圖片輸入主控模塊17進(jìn)行保存；主控模塊17同時(shí)控制超聲波測(cè)距設(shè)備2測(cè)量棉株12頂部距離無(wú)人機(jī)6飛行平面之間的垂直距離，超聲波測(cè)距設(shè)備2將垂直距離的信息輸入主控模塊17進(jìn)行保存。通信接口15能將無(wú)人機(jī)6采樣獲得的信息傳輸至計(jì)算機(jī)中。

本發(fā)明主要在棉花開花結(jié)果前利用無(wú)人機(jī)6采集棉株12的高度和透光率信息，利用計(jì)算機(jī)上位機(jī)軟件通過棉株12高度和透光率診斷棉株12長(zhǎng)勢(shì)。若棉株12高度或透光率任一診斷指標(biāo)出現(xiàn)異常，就表示該區(qū)域棉株12長(zhǎng)勢(shì)出現(xiàn)異常，種植員則根據(jù)診斷結(jié)果采取相應(yīng)措施保證棉株12長(zhǎng)勢(shì)均勻，提高棉花產(chǎn)量。棉花農(nóng)作物是一種獨(dú)特的農(nóng)作物，需要在棉株12處于苗期時(shí)保持棉株12植株長(zhǎng)勢(shì)適中且均勻，不能出現(xiàn)棉株12長(zhǎng)勢(shì)弱或強(qiáng)的植株12，否則將會(huì)影響棉花的產(chǎn)量。參見圖4，本發(fā)明的具體流程如下：

在棉花開花結(jié)果前，先通過人工測(cè)量棉花種植區(qū)域8四邊界線的gps坐標(biāo)值，根據(jù)測(cè)量的四邊界線的gps坐標(biāo)值人工規(guī)劃制定無(wú)人機(jī)6飛行的采集路線、無(wú)人機(jī)6的懸停拍攝點(diǎn)的gps坐標(biāo)值以及無(wú)人機(jī)6的飛行平面距離地面的距離s，該距離s即人為設(shè)定的飛行高度s。再把規(guī)劃的路線、懸停拍攝點(diǎn)gps坐標(biāo)值和飛行高度s通過通信接口15傳輸至無(wú)人機(jī)6的主控模塊17中，使無(wú)人機(jī)6自動(dòng)巡航。本發(fā)明規(guī)定無(wú)人機(jī)6飛行的采集路線是在棉花種植區(qū)域8內(nèi)來(lái)回不重復(fù)的連續(xù)的矩形路線，并在矩形的每個(gè)轉(zhuǎn)向點(diǎn)規(guī)劃為一個(gè)懸停拍攝點(diǎn)，同時(shí)在矩形的長(zhǎng)邊上規(guī)劃多個(gè)懸停拍攝點(diǎn)。如圖5所示，在棉花種植區(qū)域8，無(wú)人機(jī)6在gps模塊16和飛行控制模塊18控制下，從規(guī)劃的右邊起始采集點(diǎn)開始直線飛行，同時(shí)無(wú)人機(jī)6搭載的圖像采集設(shè)備5在規(guī)劃的各個(gè)懸停拍攝點(diǎn)拍攝棉株12圖片。在飛行過程中，超聲波測(cè)距設(shè)備2以固定時(shí)間間隔進(jìn)行超聲測(cè)距，測(cè)量棉株12頂部距離飛行平面的距離，測(cè)得的棉株12頂部距離飛行平面的距離與該處測(cè)距點(diǎn)的gps坐標(biāo)值存儲(chǔ)為一個(gè)數(shù)據(jù)包，保存在主控模塊17中。當(dāng)直線飛行至棉花種植區(qū)域8左邊界時(shí)，逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°，飛行固定距離后再逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°直線飛行，并在規(guī)劃的各個(gè)懸停采集點(diǎn)拍攝棉株12的圖片；當(dāng)直線飛行至棉花種植區(qū)域8左邊界時(shí)，順時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°，飛行固定距離后再順時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°，如此來(lái)回不重復(fù)地連續(xù)飛行并拍攝，完成整個(gè)棉花種植區(qū)域8的棉株12的圖片拍攝。拍攝的圖片與懸停拍攝點(diǎn)的gps坐標(biāo)值存儲(chǔ)為一個(gè)數(shù)據(jù)包，保存在主控模塊17中。

無(wú)人機(jī)6自動(dòng)巡航結(jié)束后，自動(dòng)飛回并降落。將無(wú)人機(jī)6的控制盒7通過通信接口15與計(jì)算機(jī)相連，將拍攝的棉株12的圖片、棉株12頂部距離無(wú)人機(jī)6飛行平面之間的垂直距離以及相對(duì)應(yīng)的gps坐標(biāo)值、無(wú)人機(jī)6的飛行平面距離地面的距離s都傳入至計(jì)算機(jī)中，拍攝的棉株12的每幅圖片都用懸停拍攝點(diǎn)的gps坐標(biāo)值進(jìn)行編號(hào)。

計(jì)算機(jī)對(duì)輸入的信息進(jìn)行處理，通過無(wú)人機(jī)6飛行平面與地平面之間的距離s和棉株12頂部距離飛行平面的距離s1計(jì)算得到棉株12的高度h：。

計(jì)算機(jī)將圖像采集設(shè)備5拍攝的棉花種植區(qū)域8的棉株12的圖片先進(jìn)行二值化處理，棉株12為白色，背景為黑色，白色用255表示，黑色用0表示；然后將圖片均勻化分割為m份小區(qū)域，每份小區(qū)域中約有兩至三株棉株12，并按序編號(hào)，每份小區(qū)域的像素總數(shù)值，其中，l為像素點(diǎn)數(shù)量，為第i個(gè)像素點(diǎn)的數(shù)值。最后根據(jù)像素總數(shù)值計(jì)算出棉株12的占空比和透光率。

計(jì)算機(jī)根據(jù)棉株12的高度h和透光率進(jìn)行長(zhǎng)勢(shì)靶向性診斷。棉株12長(zhǎng)勢(shì)主要依據(jù)于棉株12的高度h和透光率進(jìn)行診斷，只要高度h和透光率兩者中的任意一者出現(xiàn)異常情況即認(rèn)為該區(qū)域的棉株12長(zhǎng)勢(shì)異常，再根據(jù)診斷結(jié)果采取相應(yīng)措施，具體診斷方法描述如下：

計(jì)算機(jī)將棉株12的高度h分別與計(jì)算機(jī)中預(yù)設(shè)的高度上限值h2和高度下限值h1的閥值進(jìn)行作比較，閥值h1和h2需要根據(jù)種植的棉花品種確定。當(dāng)h>h2時(shí)，表示棉株12高度較高，棉株12長(zhǎng)勢(shì)較強(qiáng)；當(dāng)h1≥h≥h2時(shí)，表示棉株12高度處于合理范圍，即棉株12長(zhǎng)勢(shì)合理；當(dāng)h<h1時(shí)，表示棉株12高度較矮，即棉株12長(zhǎng)勢(shì)較弱；其中，棉株12長(zhǎng)勢(shì)較強(qiáng)或較弱都為異常。若棉株12長(zhǎng)勢(shì)異常，則計(jì)算機(jī)記錄下異常區(qū)域的編號(hào)及其對(duì)應(yīng)圖片的gps坐標(biāo)值。

計(jì)算機(jī)將棉株12的透光率與分別與計(jì)算機(jī)中預(yù)設(shè)的透光率上限值σ2和透光率下限值σ1的閥值進(jìn)行作比較，閥值σ1和σ2需要根據(jù)種植的棉花品種確定。當(dāng)σ<σ1時(shí)，表示該區(qū)域棉株12的透光率較低，即棉株12長(zhǎng)勢(shì)較強(qiáng)；當(dāng)σ1≤σ≤σ2時(shí)，表示該區(qū)域棉株12的透光率處于合理范圍，即棉株12長(zhǎng)勢(shì)合理；當(dāng)σ>σ2時(shí)，表示該區(qū)域棉株12的透光率較大，即棉株12長(zhǎng)勢(shì)較弱；其中，棉株12長(zhǎng)勢(shì)較強(qiáng)或較弱都為異常。若出現(xiàn)棉株12長(zhǎng)勢(shì)異常，則計(jì)算機(jī)記錄下棉株12透光率異常區(qū)域的序號(hào)及其對(duì)應(yīng)圖片的gps坐標(biāo)值。

種植員通過計(jì)算機(jī)查詢棉株12長(zhǎng)勢(shì)異常區(qū)域的gps坐標(biāo)值，對(duì)棉花種植區(qū)域8進(jìn)行靶向性施肥措施。對(duì)棉株12高度較高和透光率較低的區(qū)域噴灑抑制劑，對(duì)棉株12高度較低和透光率較大的區(qū)域噴灑偏心肥。最終，使得整個(gè)棉花種植區(qū)域8的棉株12長(zhǎng)勢(shì)均勻一致，保證棉花的最終產(chǎn)量。