網(wǎng)絡(luò)型多維度植物成像ndvi測(cè)量裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明為網(wǎng)絡(luò)型多維度植物成像NDVI測(cè)量裝置，屬于植物生長(zhǎng)信息監(jiān)測(cè)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]遙感技術(shù)在農(nóng)業(yè)上獲得了大量的應(yīng)用，其中歸一化植被指數(shù)已經(jīng)廣泛用來(lái)定性和定量評(píng)價(jià)植被覆蓋及其生活力，簡(jiǎn)稱為NDVI (Normalized Difference Vegetat1nIndex)，它是基于物理知識(shí)，將電磁波輻射、大氣、土壤、植被覆蓋等相互作用集合在一起，對(duì)植物在紅光和近紅外波段的光譜進(jìn)行分析。NDVI廣泛應(yīng)用在植被研究中，是植物生長(zhǎng)狀態(tài)以及植被空間分布密度的最佳指示因子，與植被分布密度呈線性相關(guān)。NDVI對(duì)綠色植被的長(zhǎng)勢(shì)和生長(zhǎng)量非常敏感，可用于進(jìn)行區(qū)域和全球尺度上的植被覆蓋研究和識(shí)別不同生態(tài)區(qū)，監(jiān)測(cè)地球表面的植被物候類型，評(píng)價(jià)植被生長(zhǎng)期與干枯季節(jié)的長(zhǎng)短，監(jiān)測(cè)野生動(dòng)物的棲息地變化，農(nóng)作物識(shí)別和產(chǎn)量預(yù)報(bào)等?；诤娇?、航天遙感手段的NDVI監(jiān)測(cè)，多用于區(qū)域尺度的作物生長(zhǎng)狀況調(diào)查，而受季節(jié)變化、傳感器分辨率、過(guò)境時(shí)間、監(jiān)測(cè)周期等因素的影響，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的質(zhì)量、可用性、連續(xù)性、周期性、時(shí)效性相對(duì)較弱。另外，NDVI還受到觀測(cè)條件和研究尺度的限制。作物表面反射的電磁波經(jīng)過(guò)大氣和氣溶膠，能量會(huì)被衰減。衰減程度不同，得到的NDVI也不同。圖像間土壤亮度的差異也會(huì)對(duì)NDVI造成影響。不同傳感器獲得的NDVI間存在差異。研究的空間尺度不同也造成NDVI間的差異。這些因素導(dǎo)致NDVI監(jiān)測(cè)的空間、時(shí)間分辨率較低，NDVI的區(qū)域間、傳感器間的可比性較差，尚不能滿足田間尺度作物精細(xì)觀測(cè)的需求。因此，適用于田間尺度全天候觀測(cè)的NDVI儀器亟待應(yīng)用于精細(xì)農(nóng)作中，以便及時(shí)反映作物的生長(zhǎng)狀況、營(yíng)養(yǎng)狀況、潛在產(chǎn)量以及病蟲害等，是田間尺度作物的凍害、干熱風(fēng)、病蟲害、干旱以及養(yǎng)分脅迫等監(jiān)測(cè)的重要手段，并有助于提高災(zāi)害防治的及時(shí)性。然而，近年來(lái)在中國(guó)NDVI值的測(cè)定很多是依賴于國(guó)外進(jìn)口的光譜儀器，成本高，在很大程度上限制了這一技術(shù)在中國(guó)大面積的應(yīng)用普及，為此開展這方面儀器的研究與開發(fā)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。
[0003]目前，市面上流行的NDVI儀多利用日光作光源，將儀器置于植被上方一定高度，分別運(yùn)用可見光、近紅外特定波長(zhǎng)范圍的窄帶濾光片(可見光范圍內(nèi)多采用620~680nm窄帶濾鏡，近紅外范圍內(nèi)多采用770~860nm窄帶濾鏡)，過(guò)濾出植被反射光譜中的兩個(gè)目標(biāo)波段，對(duì)二波段反射率進(jìn)行歸一化運(yùn)算，獲得視場(chǎng)內(nèi)的NDVI平均值。
[0004]現(xiàn)有的NDVI儀器，多采用手持式或便攜式設(shè)計(jì)，只能獲得儀器視場(chǎng)范圍內(nèi)所有地物平均的歸一化植被指數(shù)值，所獲得的植被信息量相當(dāng)有限?，F(xiàn)行NDVI儀器中能兼具歸一化植被指數(shù)提取和實(shí)時(shí)成像功能的儀器更是少之又少。另外，現(xiàn)行NDVI儀器多需人工操控，需測(cè)量人員實(shí)地測(cè)量，NDVI檢測(cè)結(jié)果存儲(chǔ)于設(shè)備內(nèi)部，需手動(dòng)記錄或手動(dòng)導(dǎo)出，這無(wú)疑會(huì)耗費(fèi)大量的人力物力，且工作效率低下，因此，基于網(wǎng)絡(luò)的NDVI自動(dòng)測(cè)量裝置的研發(fā)勢(shì)在必行。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明為了提供更方便的植被NDVI田間監(jiān)測(cè)方式，針對(duì)現(xiàn)行NDVI儀器存在的應(yīng)用缺點(diǎn)，以及實(shí)際生產(chǎn)生活需要，根據(jù)作物生長(zhǎng)對(duì)日光的反射特性，提供一種用于測(cè)量歸一化植被指數(shù)的新方法，旨在構(gòu)造一種基于網(wǎng)絡(luò)的NDVI測(cè)量與圖像生成并行的自動(dòng)化裝置，該裝置支持二維空間內(nèi)觀測(cè)點(diǎn)的自動(dòng)調(diào)節(jié)和移動(dòng)，以滿足隨植物生長(zhǎng)而進(jìn)行精細(xì)測(cè)量和觀察的需要，并支持NDVI監(jiān)測(cè)結(jié)果通過(guò)系統(tǒng)平臺(tái)予以發(fā)布，為用戶提供實(shí)時(shí)的作物生長(zhǎng)信息。
[0006]本發(fā)明旨在設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)型多維度植物成像NDVI測(cè)量裝置。所述裝置包括:水平電機(jī)、垂直電機(jī)、上水平滑軌、下水平滑軌、左鉛垂滑軌、右鉛垂滑軌、鉛垂絲杠、水平絲杠、上水平滑塊、下水平滑塊、左水平滑塊、右水平滑塊、攝像頭托臺(tái)、云臺(tái)、紅光660nm波段攝像頭、近紅外740nm波段攝像頭、支撐架、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、無(wú)線通訊模塊、水平絲姆、鉛垂絲姆、鉛垂絲杠旋動(dòng)軸、水平絲杠旋動(dòng)軸。
[0007]所述水平滑軌、鉛垂滑軌、水平絲杠、鉛垂絲杠和支撐架均具有防雨、防塵、防腐蝕、防鹽霧的功能，其中上水平滑軌、下水平滑軌支撐上水平滑塊、下水平滑塊，上水平滑塊和下水平滑塊分別連接于鉛垂絲杠的上下兩端。左鉛垂滑軌、右鉛垂滑軌分別支撐左鉛垂滑塊、右鉛垂滑塊，左鉛垂滑塊、右鉛垂滑塊分別連接于水平絲杠的左右兩端。鉛垂絲杠和水平絲杠兩端連接滑塊的位置不設(shè)旋動(dòng)絲，與絲杠中部旋動(dòng)部位同軸連接，嵌套于絲杠旋動(dòng)軸外，不隨絲杠旋動(dòng)。所述鉛垂滑軌上設(shè)有鉛垂絲母，鉛垂絲母和鉛垂絲杠緊密貼合，鉛垂電機(jī)通過(guò)鉛垂絲杠旋動(dòng)軸帶動(dòng)鉛垂絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)鉛垂絲母在豎直方向運(yùn)動(dòng)，鉛垂絲母與水平絲杠通過(guò)水平絲母連接，鉛垂絲母的運(yùn)動(dòng)能直接帶動(dòng)水平絲杠在豎直方向運(yùn)動(dòng)。所述水平滑軌上設(shè)有水平絲母，水平絲母和水平絲杠緊密貼合，水平電機(jī)通過(guò)水平絲杠旋動(dòng)軸帶動(dòng)水平絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)水平絲母在水平方向運(yùn)動(dòng)，水平絲母與水平絲杠通過(guò)鉛垂絲母連接，水平絲母的運(yùn)動(dòng)能直接帶動(dòng)鉛垂絲杠在水平方向運(yùn)動(dòng)。攝像頭托臺(tái)裝設(shè)在鉛垂絲杠上，與鉛垂絲母上連接，攝像頭托臺(tái)上裝設(shè)有云臺(tái)攝像頭，所述云臺(tái)攝像頭的水平移動(dòng)是通過(guò)水平電機(jī)驅(qū)動(dòng)水平絲杠，水平絲杠帶動(dòng)水平絲母，實(shí)現(xiàn)云臺(tái)攝像頭的水平移動(dòng)。所述云臺(tái)攝像頭的垂直移動(dòng)是通過(guò)鉛垂電機(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng)鉛垂絲杠，鉛垂絲杠帶動(dòng)鉛垂絲母實(shí)現(xiàn)云臺(tái)攝像頭的豎直移動(dòng)。
[0008]兩鉛垂絲杠上分別裝設(shè)紅光660nm波段、近紅外740nm波段云臺(tái)攝像頭，兩攝像頭分別由同款同設(shè)置云臺(tái)攝像頭，鏡頭處加設(shè)660nm、740nm窄帶濾光片改裝而成，其中660nm、740nm窄帶濾光片半帶寬為5nm，中心處透過(guò)率>95%。兩攝像頭共用同一水平絲杠，其高度一致，沿水平絲杠的水平運(yùn)動(dòng)幅度一致，因此兩攝像頭的相對(duì)位置固定，為使兩攝像頭在最短時(shí)間內(nèi)分別獲取相同視場(chǎng)范圍內(nèi)的圖像信息，將兩攝像頭所連接的水平絲母中心位置的水平間距設(shè)為0.15m。兩攝像頭的參數(shù)設(shè)置一致，攝像頭的拍攝角度定位采用同一控制系統(tǒng)，以保證兩攝像頭獲取的視場(chǎng)范圍相同。裝置工作時(shí)，通過(guò)控制鉛垂絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)，調(diào)節(jié)兩攝像頭拍攝高度，通過(guò)控制水平絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)，調(diào)節(jié)攝像頭拍攝位置，通過(guò)攝像頭成像系統(tǒng)，控制兩攝像頭處于同一拍攝角度，拍攝時(shí)由660nm攝像頭先行拍攝，以獲取660nm波段圖像灰度信息，拍攝完畢后，水平絲杠自動(dòng)回轉(zhuǎn)，兩攝像頭自動(dòng)左移0.15m，740nm攝像頭到達(dá)660nm攝像頭拍攝原位置，進(jìn)行同視場(chǎng)自動(dòng)拍攝，獲得740nm波段圖像灰度信息，并將圖像數(shù)據(jù)傳送給服務(wù)器。
[0009]由于NDVI由地物紅光和近紅外波段反射率計(jì)算獲得，因此需將成像裝置記錄的視場(chǎng)灰度值轉(zhuǎn)化為反射率值。由于環(huán)境、光照等因素影響，在每次測(cè)量前運(yùn)用NDVI值為O的標(biāo)準(zhǔn)漫反射參考白板對(duì)裝置進(jìn)行校準(zhǔn)。校準(zhǔn)時(shí)調(diào)節(jié)攝像頭角度，將攝像頭對(duì)準(zhǔn)布設(shè)于裝置前方地面上的具有自動(dòng)開啟關(guān)閉防護(hù)蓋功能的漫反射參考白板，攝像頭成像系統(tǒng)控制漫反射白板防護(hù)蓋自動(dòng)開啟，660nm和740nm攝像頭分別在同一拍攝位置自動(dòng)采集漫反射板圖像信息，后漫反射板防護(hù)蓋自動(dòng)關(guān)閉。攝像頭自動(dòng)記錄參考板在紅光660nm和近紅外740nm波段灰度值的全視場(chǎng)平均值，分別記作DNri]、DNnir。。然后，利用裝置進(jìn)行目標(biāo)地物圖像采集，分別將視場(chǎng)內(nèi)第i行j列的紅光660nm和近紅外740nm波段地物灰度值記為DNRlj、DNNIRlj0根據(jù)公式:
(OrefR = DNrij / DNro
(2)refNIR - DNNIRi j / DNniro
(3)NDVI = ( refNIR - refR ) / ( refNIR + refR )
得到:
(4)NDVI = DNrij * DNniro - DNnirij * DNrqo
[0010]攝像頭成像系統(tǒng)根據(jù)公式1、2、3、4，自動(dòng)計(jì)算每個(gè)象元的NDVI值。攝像頭成像系統(tǒng)通過(guò)相應(yīng)的控制程序和協(xié)議能夠使服務(wù)器遠(yuǎn)程控制裝置的拍攝。
[0011]本發(fā)明以作物遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)為依托，通過(guò)遠(yuǎn)程控制技術(shù)對(duì)NDVI的監(jiān)測(cè)進(jìn)行控制。系統(tǒng)平臺(tái)對(duì)該裝置設(shè)置了專門的操作界面，包括NDVI的校準(zhǔn)控制，絲杠的左、右、上、下移動(dòng)控制，攝像頭的角度控制、物距控制、對(duì)焦控制等功能。所述水平電機(jī)和鉛垂電機(jī)均通過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，所述電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的控制接口連接有無(wú)線通訊模塊，所述無(wú)線通訊模塊可以設(shè)置成無(wú)線或有線方式，本發(fā)明通過(guò)無(wú)線通訊模塊可以以無(wú)線或有線的方式連接遠(yuǎn)端的服務(wù)器，通過(guò)相應(yīng)的控制程序和協(xié)議能夠使遠(yuǎn)端的服務(wù)器遠(yuǎn)程控制水平電機(jī)和鉛垂電機(jī)的運(yùn)動(dòng)從而控制本發(fā)明的運(yùn)動(dòng)。所述云臺(tái)攝像頭的轉(zhuǎn)動(dòng)是通過(guò)集成于攝像頭球機(jī)內(nèi)部的攝像控制模塊進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，所述控制模塊也可通過(guò)有線和無(wú)線的方式接入網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)系統(tǒng)平臺(tái)端的控制程序?qū)Ρ景l(fā)明進(jìn)行控制。電機(jī)驅(qū)動(dòng)器控制接口和攝像頭控制模塊采用了 Socket通信方法，根據(jù)TCP/IP協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，基于Windows系統(tǒng)平臺(tái)，設(shè)計(jì)了客戶端應(yīng)用程序，用戶可以通過(guò)PC、手機(jī)或平板電腦的客戶端，對(duì)絲杠和云臺(tái)攝像頭進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，從而實(shí)現(xiàn)圖像和NDVI的獲取。
[0012]本發(fā)明的兩個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)是由高精度的絲杠實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)，由于絲杠