專利名稱：作物發(fā)育及長勢自動觀測裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種自動觀測作物生長的裝置。
背景技術(shù)：
目前作物發(fā)育及長勢觀測主要靠人工觀測實現(xiàn)，人們要想正確的鑒定農(nóng)作物生長 發(fā)育所需要的農(nóng)業(yè)氣象條件，就必須進行發(fā)育期的觀測，通過觀測可以知道各個發(fā)育期到 來的日期和發(fā)育速度，并了解其影響發(fā)育速度的外界環(huán)境因素，有利于人們根據(jù)發(fā)育期到 來的日期，采取合理的農(nóng)業(yè)技術(shù)措施，保證作物的高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)。但是在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實踐中，人工觀測作物發(fā)育期的一般情況，一是要選擇重要的發(fā) 育期，即與外界環(huán)境氣象條件有密切關(guān)系，同時又是栽培管理的關(guān)鍵時期的發(fā)育期進行觀 測。二是各個發(fā)育期的觀測要有統(tǒng)一的標準，便于不同地區(qū)或同一地區(qū)不同年份，發(fā)育期出 現(xiàn)日期早晚及進展速度快慢進行比較。三是發(fā)育期的觀測時間要方便，一般以不漏所規(guī)定 的觀測發(fā)育期為原則，每5天觀測一次，在每旬第5天和旬末進行。但在植物將要進入某發(fā) 育期或兩個發(fā)育期相隔很近時，以及發(fā)育始期至普遍期，應(yīng)每天觀測一次，如此繁瑣的人工 觀測費時費力，難于對作物進行實時性觀測，經(jīng)常造成觀測上的較大誤差，且資料時效性較 差，將所有觀測數(shù)據(jù)統(tǒng)計起來也很煩瑣。現(xiàn)在也有代替人工觀測，利用計算機視覺技術(shù)、彩色圖像處理技術(shù)對作物生長監(jiān) 測，雖然能夠?qū)崿F(xiàn)觀測，但不能全部實現(xiàn)自動化，整套觀測系統(tǒng)成本較高，對作物外部生長 參數(shù)測量、果實成熟度檢測、作物營養(yǎng)狀態(tài)監(jiān)測及作物形狀描述與識別等幾個方面不能系 統(tǒng)形成作物產(chǎn)品庫。
實用新型內(nèi)容本實用新型的目的是提供一種作物發(fā)育及長勢自動觀測裝置，能夠?qū)ψ魑锷L信 息進行自動化的實時采集，保證觀測的圖像數(shù)據(jù)精準，使得觀測更加簡便，降低人工觀測成 本。為實現(xiàn)上述目的，本實用新型采用如下技術(shù)方案一種作物發(fā)育及長勢自動觀測 裝置，包括圖像采集部分、通訊傳輸系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理中心，所述圖像采集部分包括固定在支 架上的CCD攝像頭、視屏監(jiān)控器、采集分配器和避雷針，所述支架設(shè)置于作物種植地域的地 面上，固定于支架頂端的天線通過無線網(wǎng)絡(luò)與處理作物發(fā)育及長勢數(shù)據(jù)、并置于數(shù)據(jù)處理 中心的計算機的天線連接，所述CCD攝像頭和視屏監(jiān)控器的輸出端與采集分配器的輸入端 連接，采集分配器的輸出端與通訊傳輸系統(tǒng)的無線發(fā)射器連接。所述通訊傳輸系統(tǒng)包括分別位于圖像采集部分和數(shù)據(jù)處理中心兩端的天線、無線 發(fā)射器和無線接收器。所述數(shù)據(jù)處理中心的計算機包括用于存儲作物發(fā)育及株高圖像資料的圖像資料 庫，用于存儲判別作物不同發(fā)育期各階段指標的圖像特征算法庫，用于存儲經(jīng)自動處理后 生成自動識別產(chǎn)品信息的產(chǎn)品庫。所述支架通過翻轉(zhuǎn)鉸鏈固定安裝在混凝土基礎(chǔ)上，支架的周圍固定安裝兩至三個鋼絲繩拉索，鋼絲繩拉索的下端與拉索基礎(chǔ)固定，支架的頂端固定安裝天線，避雷針由避 雷針固定架安裝在支架上。所述C⑶攝像頭為兩個以上的情況下，在支架上裝有采集分配器。所述天線是Wi-Fi或3G天線，通訊傳輸系統(tǒng)是采用Wi-Fi或3G網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)的 無線網(wǎng)絡(luò)。所述CCD攝像頭安裝高度根據(jù)作物高矮區(qū)別，觀測矮桿作物安裝位置不低于4米， 觀測高桿作物安裝位置不低于5米。所述CXD攝像頭的靶面大小為1/2英寸，靶面寬高比為4:3，鏡頭焦距為12mm，水 平視場角為46°，垂直視場角為35°，分辨率不低于400萬像素。所述數(shù)據(jù)處理中心的計算機是臺式計算機或是便攜式計算機。與現(xiàn)有技術(shù)相比本實用新型具有以下特點和有益效果本實用新型的作物發(fā)育及長勢的觀測裝置利用了 CCD傳感器的可程控特性，與作 物生長特點結(jié)合，實現(xiàn)了作物生長的自動采集，將wifi天線和3G網(wǎng)絡(luò)等通訊傳輸技術(shù)應(yīng)用 到自動觀測裝置中，可以對作物的發(fā)育及長勢進行在線實時監(jiān)控，針對被測作物的生長信 息，根據(jù)預(yù)置時間或遠程發(fā)出的指令，自動拍攝并上傳圖像，自動按標準格式記錄各項拍攝 參數(shù)，從而實現(xiàn)作物圖像的自動采集，并能實時傳輸作物生長圖像至數(shù)據(jù)處理中心，通過網(wǎng) 絡(luò)在遠程接受并可進行長期的觀測、分析、測量。利用圖像處理技術(shù)和攝影測量學技術(shù)可以對作物的生長狀態(tài)實現(xiàn)自動采集和識 別，具有無損、快速、實時等優(yōu)點，可以監(jiān)測到作物生長過程，如出苗，長葉、成熟，可以根據(jù) 果實的顏色及大小判別其成熟度，及作物缺水缺肥等情況，而且測量結(jié)果準確、迅速，可節(jié) 約大量的人力和物力資源。農(nóng)作物發(fā)育期是作物生長的重要特征參數(shù)，實時了解作物發(fā)育 期進展及株高情況，對分析作物生長情況、評價氣象對作物的影響、開展作物產(chǎn)量估產(chǎn)及抗 災(zāi)防災(zāi)，保障糧食安全具有重要意義，實現(xiàn)了作物生長參數(shù)的自動采集和識別，推動農(nóng)業(yè)氣 象觀測的現(xiàn)代化、自動化的發(fā)展。所用裝置結(jié)構(gòu)簡單，設(shè)備要求不高，成本低，便于維修替換。其中的電源系統(tǒng)采用 交流電源或太陽能電源，并采用光伏智能控制器，整套發(fā)電設(shè)備極為精煉，可靠穩(wěn)定壽命 長、安裝維護簡便。本實用新型針對農(nóng)作物生長特點，采用圖像處理技術(shù)和攝影測量學技 術(shù)，實現(xiàn)作物發(fā)育期和長勢的自動觀測，并能夠?qū)ψ魑锷L信息進行實時觀測，對作物的 發(fā)育期進行連續(xù)觀測記錄，并對長勢自動測量，測量原理簡單，測量結(jié)果準確，便于推廣使 用。
以下結(jié)合附圖對本實用新型做進一步詳細的說明。附圖標記1-采集分配器、2-C⑶攝像頭、3-視屏監(jiān)控器、4-支架、5-鋼絲繩拉索、 6-接地線、7-避雷針固定架、8-避雷針、9-翻轉(zhuǎn)鉸鏈、10-天線、11-數(shù)據(jù)處理中心的計算 機、12-混凝土基礎(chǔ)、13-拉索基礎(chǔ)、14-地面。

圖1是自動觀測作物發(fā)育及長勢裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是自動觀測作物發(fā)育及長勢的處理流程圖。圖3是自動觀測作物株高的CXD傳感器成像原理圖。
具體實施方式
參見圖1所示，一種作物發(fā)育及長勢自動觀測裝置，包括圖像采集部分、通訊傳輸 系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理中心，圖像采集部分包括固定在支架4上的CXD攝像頭2、視屏監(jiān)控器3、采 集分配器1和避雷針8，所述支架4設(shè)置于作物種植地域的地面14上，固定于支架4頂端的 天線10通過無線網(wǎng)絡(luò)與處理作物發(fā)育及長勢數(shù)據(jù)、并置于數(shù)據(jù)處理中心的計算機11的天 線連接。所述天線是Wi-Fi或3G天線，通訊傳輸系統(tǒng)是采用Wi-Fi或3G網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)的 無線網(wǎng)絡(luò)，通訊傳輸系統(tǒng)包括分別位于圖像采集部分和數(shù)據(jù)處理中心兩端的天線10、無線 發(fā)射器和無線接收器。所述數(shù)據(jù)處理中心的計算機11是臺式計算機或是便攜式計算機，包 括用于存儲作物發(fā)育及株高圖像資料的圖像資料庫，用于存儲判別作物不同發(fā)育期各階 段指標的圖像特征算法庫，用于存儲經(jīng)自動處理后生成自動識別產(chǎn)品信息的產(chǎn)品庫。所述支架4通過翻轉(zhuǎn)鉸鏈9固定安裝在混凝土基礎(chǔ)12上，支架4的周圍固定安裝 兩至三個鋼絲繩拉索5，鋼絲繩拉索的下端與拉索基礎(chǔ)13固定，支架的頂端固定安裝天線 10，避雷針8由避雷針固定架7安裝在支架上。所述CXD攝像頭2和視屏監(jiān)控器3的輸出端與采集分配器1的輸入端連接，CXD 攝像頭為兩個以上的情況下，在支架4上裝有采集分配器1，采集分配器1的輸出端與通訊 傳輸系統(tǒng)的無線發(fā)射器連接。CCD攝像頭安裝高度根據(jù)作物高矮區(qū)別，觀測矮桿作物安裝位 置不低于4米，觀測高桿作物安裝位置不低于5米。CCD攝像頭的靶面大小為1/2英寸，靶 面寬高比為4:3，鏡頭焦距為12mm，水平視場角為46°，垂直視場角為35°，分辨率不低于 400萬像素。參見圖2所示，一種作物發(fā)育自動觀測方法，步驟如下步驟一、圖像采集部分用 CXD攝像頭2自動獲取作物生長圖像數(shù)據(jù)。步驟二、通訊傳輸系統(tǒng)通過無線網(wǎng)絡(luò)將圖像采集部分獲取的作物生長圖像數(shù)據(jù)傳 輸至數(shù)據(jù)處理中心。步驟三、數(shù)據(jù)處理中心的計算機接收圖像采集部分采集的作物生長圖像數(shù)據(jù)，并 將作物生長圖像數(shù)據(jù)與圖像資料庫中的圖像進行比對，經(jīng)過質(zhì)量檢驗、標準化處理、進行圖 像特征提取。步驟四、數(shù)據(jù)處理中心的計算機把提取出的圖像特征與圖像特征算法庫的圖像進 行匹配，判斷出屬于營養(yǎng)生長階段或生殖生長階段，在營養(yǎng)生長階段主要表現(xiàn)為圖像呈漸 進性變化特征，即兩個階段從圖像上看僅有量的變化，沒有質(zhì)的改變；而生殖生長階段圖像 上表現(xiàn)出明顯的突變性特征，會出現(xiàn)清晰的新結(jié)構(gòu)。在作物發(fā)育期圖像中漸進性無質(zhì)變的營養(yǎng)生長階段通過收集作物的幾何、位置、 頂點等統(tǒng)計特征，結(jié)合作物的高度、葉像素面積等信息進行綜合判斷；在圖像中突變性的具 明顯新結(jié)構(gòu)體出現(xiàn)的出苗期與生殖生長階段通過識別和檢測作物的突變性特征或顯著性 特征來完成。不同作物發(fā)育期有相應(yīng)的判別指標，實施例以小麥為例作物出苗期的判斷數(shù)據(jù)處理中心的計算機根據(jù)圖像上表現(xiàn)出葉像素面積突變， 通過葉像素面積的突變，判別出作物的出苗期。作物三葉期或七葉期的判斷在自動獲取的圖像中，通過作物的葉像素面積和作物頂點數(shù)兩種圖像特征識別；葉像素面積的提取方法首先對作物圖像進行自適應(yīng)分割，然 后對每個連通區(qū)域進行標記，再對每個連通域的葉像素面積進行統(tǒng)計。小麥越冬期的判斷5日平均氣溫穩(wěn)定降到零度以下或圖像上作物的高度不再變 化。小麥返青期的判斷氣溫穩(wěn)定通過零度，圖像上作物的高度每天在增高。作物拔節(jié)期的判斷作物日生長量即株高發(fā)生明顯躍變，日增長量和作物蓋度超 過前期平均值的多倍，且出現(xiàn)日期在3-4月期間。作物抽穗期的判斷在圖像上利用穗的顏色與綠葉的顏色不同，提取小麥穗形狀， 判別抽穗期。作物開花、吐絲的判斷在圖像上表現(xiàn)出明顯的新結(jié)構(gòu)特征，利用新結(jié)構(gòu)顏色與紋 理與圖像特征標準庫的資料進行比對，提取結(jié)構(gòu)特征，以當?shù)刈魑锍Ｄ臧l(fā)育的日期作為質(zhì) 量判別因子，從而自動判別作物的發(fā)育期。對圖像進行匹配之后，通過人機交互將作物的生長信息提取出來，以數(shù)字的形式 存入產(chǎn)品庫。實施例以玉米為例出苗期玉米出苗時會在圖像上表現(xiàn)出葉像素面積突變，通過葉像素面積的突變， 可判別出玉米出苗期。三葉期和七葉期在自動獲取的圖像中，通過作物的葉像素面積和作物頂點數(shù)兩 種圖像特征識別；葉像素面積的提取方法首先對作物圖像進行自適應(yīng)分割，然后對每個連 通區(qū)域進行標記，再對每個連通域的葉像素面積進行統(tǒng)計。七葉期的葉像素明顯大于三葉 期的葉像素。玉米頂點識別是先對作物圖像進行二值分割，然后運用形態(tài)學方法提取每個 連通域的骨架信息，再使用卷積模板獲得每個骨架的頂點信息，最后統(tǒng)計所有連通域的頂 點數(shù)量。通過葉像素與頂點數(shù)自動判斷玉米的三葉和七葉期。拔節(jié)期作物日生長量(株高)發(fā)生明顯躍變，日增長量和作物蓋度超過前期平均 值的多倍。抽雄、開花、吐絲在圖像上表現(xiàn)出明顯的新結(jié)構(gòu)特征，利用新結(jié)構(gòu)顏色與紋理與 玉米綠葉的圖像差別，提取結(jié)構(gòu)特征，以當?shù)赜衩壮Ｄ臧l(fā)育的日期作為質(zhì)量判別因子，從而 自動判別玉米發(fā)育期。一種作物長勢的自動觀測方法，步驟如下步驟一將圖像采集部分的CCD攝像頭 鏡頭光軸與水平平行，同時在作物種植區(qū)域設(shè)立標桿。步驟二 圖像采集部分用CXD攝像頭和視屏監(jiān)控器自動獲取作物頂點的株高。步驟三用通訊傳輸系統(tǒng)通過無線網(wǎng)絡(luò)將圖像采集部分獲取的作物株高的圖像數(shù) 據(jù)傳輸至數(shù)據(jù)處理中心。步驟四數(shù)據(jù)處理中心的計算機接收圖像采集部分采集的作物高度圖像數(shù)據(jù)，并 將作物高度圖像數(shù)據(jù)代入計算公式進行數(shù)據(jù)處理。參見圖3所示，CXD傳感器成像原理圖，根據(jù)測量原理設(shè)CXD攝像頭鏡頭光軸與 水平平行。DE是標尺的長度已知，EC是標尺被作物掩埋的部分，DC為標尺露出長度；0為 鏡頭焦點，F(xiàn)為像主點，在攝影圖像內(nèi)，BA是DC成像，F(xiàn)O是焦距已知，攝像頭鏡頭焦距到標 尺的距離OH通過相機參數(shù)查看和現(xiàn)場測量為已知量。[0052]FB平行HC，三角形AFO與三角形CHO相似，三角形ABO與三角形OTO相似，故 F0/0H=A0/C0、AB/CD=A0/C0，因此 F0/0H= AB/CD，從而CD =OH* AB/F0 ；已知攝像頭焦距FO和攝像頭鏡頭焦點到標尺的距離0H，并且知道每個像素點幾 何大小，從圖像上測量出AB的像素數(shù)，就可計算出AB，從而由上式計算出CD，那么作物高度 EC=DE-CD。安裝在數(shù)據(jù)處理中心的計算機里的應(yīng)用軟件對資料進行自動處理后生成自動識 別產(chǎn)品，再進行上傳。其中E點的確定(即作物的頂點)采用紅外傳感技術(shù)結(jié)合單片機傳動 控制技術(shù)來判別，并利用此裝置做出特殊標記點從而在獲取作物圖像內(nèi)可以利用圖像識別 來識別該點。另外，通過自動觀測裝置獲取的統(tǒng)一規(guī)格的圖片資料，計算圖像中作物信息面積 與總體未種植前土壤面積之比，獲得作物蓋度。作物蓋度與作物的長勢和作物密度密切相 關(guān)，可反映作物生長情況，是了解作物生長的重要參數(shù)之一。
權(quán)利要求1.一種作物發(fā)育及長勢自動觀測裝置，包括圖像采集部分、通訊傳輸系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理 中心，其特征在于所述圖像采集部分包括固定在支架(4)上的CXD攝像頭(2)、視屏監(jiān)控器(3)、采集 分配器(1)和避雷針(8)，所述支架(4)設(shè)置于作物種植地域的地面(14)上，固定于支架(4) 頂端的天線(10)通過無線網(wǎng)絡(luò)與處理作物發(fā)育及長勢數(shù)據(jù)、并置于數(shù)據(jù)處理中心的計算機 (11)的天線連接，所述CXD攝像頭(2)和視屏監(jiān)控器(3)的輸出端與采集分配器(1)的輸 入端連接，采集分配器(1)的輸出端與通訊傳輸系統(tǒng)的無線發(fā)射器連接；所述通訊傳輸系統(tǒng)包括分別位于圖像采集部分和數(shù)據(jù)處理中心兩端的天線(10)、無線 發(fā)射器和無線接收器；所述數(shù)據(jù)處理中心的計算機(11)包括用于存儲作物發(fā)育及株高圖像資料的圖像資 料庫，用于存儲判別作物不同發(fā)育期各階段指標的圖像特征算法庫，用于存儲經(jīng)自動處理 后生成自動識別產(chǎn)品信息的產(chǎn)品庫。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的作物發(fā)育及長勢自動觀測裝置，其特征在于所述支架(4)通 過翻轉(zhuǎn)鉸鏈(9)固定安裝在混凝土基礎(chǔ)(12)上，支架(4)的周圍固定安裝兩至三個鋼絲繩 拉索(5)，鋼絲繩拉索的下端與拉索基礎(chǔ)(13)固定，支架的頂端固定安裝天線(10)，避雷針 (8)由避雷針固定架(7)安裝在支架(4)上。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的作物發(fā)育及長勢自動觀測裝置，其特征在于所述CCD攝像 頭(2)為兩個以上的情況下，在支架(4)上裝有采集分配器(1)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的作物發(fā)育及長勢自動觀測裝置，其特征在于所述天線(10) 是Wi-Fi或3G天線，通訊傳輸系統(tǒng)是采用Wi-Fi或3G網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)的無線網(wǎng)絡(luò)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的作物發(fā)育及長勢自動觀測裝置，其特征在于所述CCD攝像 頭安裝高度根據(jù)作物高矮區(qū)別，觀測矮桿作物安裝位置不低于4米，觀測高桿作物安裝位 置不低于5米。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的作物發(fā)育及長勢自動觀測裝置，其特征在于所述CCD攝像 頭的靶面大小為1/2英寸，靶面寬高比為4:3，鏡頭焦距為12mm，水平視場角為46°，垂直視 場角為35°，分辨率不低于400萬像素。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的作物發(fā)育及長勢自動觀測裝置，其特征在于所述數(shù)據(jù)處理 中心的計算機(11)是臺式計算機或是便攜式計算機。
專利摘要一種作物發(fā)育及長勢自動觀測裝置，包括圖像采集部分、通訊傳輸系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理中心，圖像采集部分包括固定在支架上的CCD攝像頭、視屏監(jiān)控器和避雷針，支架設(shè)置于作物種植地域，固定于支架頂端的天線通過無線網(wǎng)絡(luò)與接收和處理作物發(fā)育及長勢數(shù)據(jù)、并置于數(shù)據(jù)處理中心的計算機無線連接，通訊傳輸系統(tǒng)包括分別位于圖像采集部分和數(shù)據(jù)處理中心兩端的天線和編碼器；數(shù)據(jù)處理中心的計算機包括圖像資料庫，圖像特征算法庫，產(chǎn)品庫。本實用新型對作物生長信息進行實時自動采集和識別，通過網(wǎng)絡(luò)在遠程進行長期的觀測、分析、測量，針對作物長勢的自動測量，測量原理簡單，測量結(jié)果準確，便于推廣使用，并對推動農(nóng)業(yè)氣象觀測的現(xiàn)代化、自動化具有重要意義。
文檔編號H04N7/18GK201869599SQ20102060426
公開日2011年6月22日 申請日期2010年11月12日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月12日
發(fā)明者余正泓, 孫涵, 張雪芬, 曹志國, 李翠娜, 薛紅喜, 金紅偉 申請人:中國氣象局氣象探測中心