本發(fā)明涉及無(wú)人機(jī)遙感應(yīng)用領(lǐng)域，尤其是涉及一種基于固定翼無(wú)人機(jī)的大范圍油菜田SPAD值遙感系統(tǒng)及采集方法。

背景技術(shù)：

精細(xì)農(nóng)業(yè)是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的前沿領(lǐng)域之一，也是目前發(fā)展可持續(xù)農(nóng)業(yè)的一類重要技術(shù)。精細(xì)農(nóng)業(yè)需要大量的農(nóng)作物生產(chǎn)環(huán)境的信息以及作物生長(zhǎng)生理信息作為其決策的數(shù)據(jù)支持，從而實(shí)現(xiàn)更加高效率的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式。然而這些信息在時(shí)間和空間上分布差異大、維度多，如何快速、有效的大范圍獲取農(nóng)情信息是實(shí)現(xiàn)精細(xì)農(nóng)業(yè)的一項(xiàng)技術(shù)難題。SPAD值是其中一種比較重要的農(nóng)作物生長(zhǎng)信息。作為一種評(píng)價(jià)植物葉綠素含量的指數(shù)。它可以準(zhǔn)確地反映該株植物的養(yǎng)分情況。油菜是我國(guó)重要的經(jīng)濟(jì)作物，了解其在生長(zhǎng)期間的養(yǎng)分分布情況，能夠?qū)M(jìn)一步的開展油菜種植作業(yè)提供合理有效的依據(jù)，并能對(duì)油菜未來(lái)產(chǎn)量做評(píng)估和預(yù)測(cè)。

傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)手段由人手持SPAD儀器下田對(duì)油菜各葉片進(jìn)行逐一采樣獲得。其雖然直觀簡(jiǎn)單，但是效率低下，消耗大量人力。目前，遙感技術(shù)是一種實(shí)時(shí)性高、監(jiān)測(cè)范圍大、對(duì)作物損害低的一種農(nóng)業(yè)監(jiān)測(cè)手段。對(duì)于大范圍高效率獲取農(nóng)田信息是一種極為重要的技術(shù)手段和途徑。無(wú)人機(jī)遙感是其中一個(gè)較為重要的領(lǐng)域。近年來(lái)，固定翼無(wú)人機(jī)技術(shù)有了突飛猛進(jìn)的發(fā)展。由于固定翼無(wú)人機(jī)平臺(tái)的高安全性，高效率等特點(diǎn)，固定翼無(wú)人機(jī)平臺(tái)在如農(nóng)業(yè)、測(cè)繪等民用領(lǐng)域均得到了極大的發(fā)展和應(yīng)用。固定翼無(wú)人機(jī)平臺(tái)就成為可行的農(nóng)用遙感航空平臺(tái)之一。然而，由于固定翼飛行平臺(tái)在其飛行過(guò)程中其姿態(tài)與運(yùn)動(dòng)參數(shù)時(shí)常會(huì)有較大的變化，所以，該裝置需要實(shí)現(xiàn)在固定翼無(wú)人機(jī)飛行姿態(tài)波動(dòng)的情況下實(shí)現(xiàn)裝置姿態(tài)的穩(wěn)定，從而獲取準(zhǔn)確的遙感數(shù)據(jù)，以獲得養(yǎng)分信息。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中存在的問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種基于固定翼無(wú)人機(jī)的大范圍油菜田SPAD值遙感系統(tǒng)及采集方法；通過(guò)姿態(tài)穩(wěn)定的圖像采集裝置低空采集農(nóng)作物光譜信息，獲得大范圍高精度的油菜田SPAD指數(shù)信息。

本發(fā)明所采用的具體技術(shù)方案如下：

一種基于固定翼無(wú)人機(jī)的大范圍油菜田SPAD值遙感系統(tǒng)，包括安裝在固定翼無(wú)人機(jī)下部的控制云臺(tái)、圖像采集裝置和POS信息傳感器；

所述的控制云臺(tái)具有由三個(gè)伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)的旋轉(zhuǎn)體，所述的旋轉(zhuǎn)體包括：安裝在固定翼無(wú)人機(jī)下部的無(wú)人機(jī)連接固定件，活動(dòng)安裝在無(wú)人機(jī)連接固定件下部的殼體支架，轉(zhuǎn)動(dòng)配合在殼體支架內(nèi)的球形保護(hù)殼，以及位于球形保護(hù)殼內(nèi)且其上安裝有所述圖像采集裝置和POS信息傳感器的姿態(tài)調(diào)整環(huán)；

所述的三個(gè)伺服電機(jī)包括：安裝在無(wú)人機(jī)連接固定件內(nèi)的第一伺服電機(jī)，用于驅(qū)動(dòng)所述的殼體支架的轉(zhuǎn)動(dòng)以控制圖像采集裝置的偏轉(zhuǎn)角姿態(tài)參數(shù)；

安裝在殼體支架上的第二伺服電機(jī)，用于驅(qū)動(dòng)所述的球形保護(hù)殼以控制圖像采集裝置的俯仰角姿態(tài)參數(shù)；

安裝在球形保護(hù)殼內(nèi)的第三伺服電機(jī)，用于驅(qū)動(dòng)所述的姿態(tài)調(diào)整環(huán)以控制圖像采集裝置的橫滾角姿態(tài)參數(shù)。

本發(fā)明中，圖像采集裝置，包括直流電源、可見光工業(yè)相機(jī)、多光譜工業(yè)相機(jī)、主控電腦與高容量存儲(chǔ)設(shè)備。其通過(guò)主控電腦控制可見光工業(yè)相機(jī)與多光譜工業(yè)相機(jī)實(shí)時(shí)采集圖像數(shù)據(jù)并存儲(chǔ)于存儲(chǔ)設(shè)備中進(jìn)行分析，可得到可見光與近紅外光譜圖像，以此可以計(jì)算得到農(nóng)作物多種植物生理信息。

POS信息采集裝置包括直流電源、衛(wèi)星定位裝置和慣性導(dǎo)航元件，其提供了圖像采集裝置的經(jīng)緯度位置與姿態(tài)信息，用于后期的遙感數(shù)據(jù)幾何校準(zhǔn)以及控制云臺(tái)的姿態(tài)參數(shù)調(diào)整。

優(yōu)選的，所述的連接固定件上設(shè)置有用于和無(wú)人機(jī)機(jī)身支架進(jìn)行相互固定的四個(gè)螺紋固定孔。

優(yōu)選的，所述的連接固定件的下部設(shè)有四個(gè)加強(qiáng)肋板，用于加強(qiáng)固定件的強(qiáng)度與可靠性。

優(yōu)選的，所述的殼體支架設(shè)計(jì)為凹字形，內(nèi)部空腔用于安裝球形保護(hù)殼。在殼體支架中，設(shè)計(jì)安裝有多個(gè)螺紋安裝孔，用以安裝和第二伺服電機(jī)、支架外殼與傳動(dòng)軸。

球形保護(hù)殼體外部設(shè)有兩個(gè)安裝有石英玻璃的觀察孔，殼體固定安裝孔以及線路孔。用以在保護(hù)內(nèi)部裝置不受外部環(huán)境腐蝕的同時(shí)，供圖像采集裝置準(zhǔn)確地接收控制信號(hào)并采集農(nóng)作物遙感數(shù)據(jù)。

優(yōu)選的，所述姿態(tài)調(diào)整環(huán)內(nèi)設(shè)置有定位板，所述的圖像采集裝置和POS信息傳感器安裝在該定位板上。定位板設(shè)計(jì)有多個(gè)定位孔，用于安裝與固定相機(jī)與POS信息傳感器，方便POS信息傳感器采集圖像采集裝置的經(jīng)緯度信息和姿態(tài)信息用于遙感數(shù)據(jù)幾何校準(zhǔn)。

本發(fā)明還提供一種利用上述的大范圍油菜田SPAD值遙感系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的采集方法，包括：

根據(jù)固定翼無(wú)人機(jī)當(dāng)前飛行位置的經(jīng)緯度位置信息，與預(yù)定飛行計(jì)劃比對(duì)，向SPAD值遙感系統(tǒng)發(fā)送圖像采集裝置的拍攝指令；

將圖像采集裝置拍攝的遙感圖像、與POS信息傳感器采集的經(jīng)緯度位置信息以及當(dāng)前圖像采集裝置的姿態(tài)信息，進(jìn)行編號(hào)匹配存儲(chǔ)；

根據(jù)所述圖像采集裝置的經(jīng)緯度位置信息和姿態(tài)信息進(jìn)行遙感圖像的幾何校準(zhǔn)，并對(duì)遙感圖像進(jìn)行拼接，獲得農(nóng)田整體低空遙感數(shù)據(jù)；

結(jié)合農(nóng)田整體低空遙感數(shù)據(jù)與實(shí)際在田間測(cè)得的樣方SPAD均值，建立線性回歸模型；

用建立的線性回歸模型對(duì)農(nóng)田剩余區(qū)域進(jìn)行預(yù)測(cè)，繪制整塊農(nóng)田的SPAD值分布圖。

本發(fā)明在實(shí)際操作系統(tǒng)過(guò)程中，對(duì)農(nóng)田劃分為建模樣方和預(yù)測(cè)樣方。同時(shí)進(jìn)行遙感信息的獲取，建模樣方中采用少量人工下田進(jìn)行測(cè)量SPAD值，與獲得的遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行結(jié)合建模。得出預(yù)測(cè)模型后，對(duì)農(nóng)田整體的SPAD值進(jìn)行評(píng)估，畫出SPAD分布圖，并以線性回歸模型的相關(guān)系數(shù)R²作為農(nóng)田SPAD值分布圖的可信度參考。若R²在0.6以上，可以認(rèn)所述的該SPAD分布圖是可信的。

本發(fā)明經(jīng)濟(jì)高效，能夠在低空大范圍獲取農(nóng)作物在可見光波段和近紅外波段的光譜信息，從而能夠計(jì)算得到大范圍油菜田的SPAD指數(shù)分布圖，與傳統(tǒng)的人力下田采樣檢測(cè)有著更好的效率和更大的監(jiān)測(cè)范圍。比傳統(tǒng)的衛(wèi)星遙感有更高的空間分辨率，準(zhǔn)確度更高。另外，在待測(cè)農(nóng)田中，劃出少量建模用區(qū)域，進(jìn)行遙感數(shù)據(jù)模型建模，然后對(duì)整體農(nóng)田進(jìn)行養(yǎng)分信息預(yù)測(cè)的方法，能夠在實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)中，排除光照，溫度，風(fēng)場(chǎng)，不同飛行作業(yè)高度與速度對(duì)于遙感以及模型的影響。進(jìn)一步提高了該方法的預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性和不同作業(yè)環(huán)境與條件下的通用性。

附圖說(shuō)明

圖1為裝置整體的主視圖；

圖2為裝置整體俯視圖；

圖3為相機(jī)與定位板連接示意圖；

圖中包括：無(wú)人機(jī)連接固定件1、殼體支架2、球形保護(hù)殼3、觀察孔4、肋板5、傳動(dòng)軸6、姿態(tài)調(diào)整環(huán)7、定位板8、POS信息傳感器9、多光譜工業(yè)相機(jī)10和可見光工業(yè)相機(jī)11。

具體實(shí)施方式

如圖1-圖3所示的基于固定翼無(wú)人機(jī)平臺(tái)的大范圍油菜田SPAD值遙感系統(tǒng)，包括安裝在固定翼無(wú)人機(jī)下部的控制云臺(tái)，圖像采集裝置和POS信息傳感器9。

如圖1所示的無(wú)人機(jī)連接固定件1，其上安裝有第一伺服電機(jī)與傳動(dòng)軸，通過(guò)傳動(dòng)軸6帶動(dòng)殼體支架2轉(zhuǎn)動(dòng)。如圖2所示，連接固定件1頂部設(shè)計(jì)有用于和無(wú)人機(jī)機(jī)身支架進(jìn)行相互固定的四個(gè)螺紋固定孔。肋板5用于加強(qiáng)和提高連接的可靠性。殼體支架2中安裝有第二伺服電機(jī)與傳動(dòng)軸，與球形保護(hù)殼3相連。球形保護(hù)殼3內(nèi)部安裝有第三伺服電機(jī)、傳動(dòng)齒輪、姿態(tài)調(diào)整環(huán)7與定位板8，用以固定可見光工業(yè)相機(jī)11，多光譜工業(yè)相機(jī)10以及POS信息傳感器9。球形保護(hù)殼3外部設(shè)計(jì)有觀察孔4，用于給圖像采集裝置采集遙感數(shù)據(jù)。

本實(shí)施例中，在待測(cè)農(nóng)田中按照1m*1m的大小選擇50個(gè)樣方，測(cè)量樣方中各株油菜的SPAD值，計(jì)算樣方中油菜SPAD的均值，并記錄該樣方中心的經(jīng)緯度位置，作為建模用數(shù)據(jù)樣本。

固定翼飛機(jī)搭載該平臺(tái)在低空按照地面站預(yù)定飛行計(jì)劃做低空遙感飛行，固定翼無(wú)人機(jī)實(shí)時(shí)向地面?zhèn)鬏敭?dāng)前的經(jīng)緯度位置信息，地面站通過(guò)和飛行計(jì)劃比對(duì)，通過(guò)無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)傳輸鏈路向遙感裝置發(fā)送拍攝指令。主控電腦處理以后，可見光工業(yè)相機(jī)11與多光譜工業(yè)相機(jī)10各采集一幀遙感數(shù)據(jù)，并結(jié)合向POS信息傳感器9請(qǐng)求得到的高精度相機(jī)姿態(tài)信息和經(jīng)緯度信息，編號(hào)后存入高容量存儲(chǔ)設(shè)備中。飛行過(guò)程中，飛機(jī)出現(xiàn)橫滾，俯仰，航向等方面的姿態(tài)變化時(shí)，主控電腦結(jié)合POS信息傳感器提供的姿態(tài)信息數(shù)據(jù)，通過(guò)控制伺服電機(jī)調(diào)節(jié)殼體支架2，球形保護(hù)殼3以及姿態(tài)調(diào)整環(huán)7來(lái)調(diào)整相機(jī)拍攝姿態(tài)，達(dá)到設(shè)定的值。飛機(jī)完成飛行計(jì)劃降落后，在地面將存儲(chǔ)在設(shè)備中的遙感數(shù)據(jù)導(dǎo)出，結(jié)合相機(jī)經(jīng)緯度信息與姿態(tài)信息進(jìn)行幾何校準(zhǔn)與圖像拼接獲得農(nóng)田整體低空遙感數(shù)據(jù)。

根據(jù)之前記錄的建模用的數(shù)據(jù)，在遙感圖像中標(biāo)注出建模用樣方的位置與范圍。結(jié)合遙感數(shù)據(jù)與實(shí)際在田間測(cè)得的樣方SPAD均值，建立線性回歸模型。用建立的線性回歸模型對(duì)剩余區(qū)域進(jìn)行預(yù)測(cè)。繪制整塊農(nóng)田的SPAD值分布圖，并提供模型的相關(guān)系數(shù)R²作為農(nóng)田SPAD值分布圖的可信度參考。如果R²在0.6以上，可以認(rèn)為該SPAD分布圖是可信的。

以上僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施舉例，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。