一种无人机载的太赫兹波及高光谱遥感农作物监测系统技术方案

本发明专利技术公开了一种无人机载的太赫兹波及高光谱遥感农作物监测系统，硬件平台为无人机，且无人机内搭载太赫兹反射光谱成像系统和被动式高光谱成像仪器，太赫兹反射光谱成像系统包括主动式太赫兹源、太赫兹相机和太赫兹成像仪；太赫兹源发射太赫兹波至农作物及地表间，太赫兹相机接收太赫兹波在农作物及地表间经过多次反射、折射、透射及吸收并最终形成太赫兹波在农作物至地表空间中的空间分布反射波数据，太赫兹相机将反射波数据传输到太赫兹成像仪中，并形成对应的太赫兹波成像数据；本发明专利技术可以帮助在作物生长的早期发现和诊断存在的问题，有利于在危害产生之前就采取有效的干预或补救措施，恢复作物健康并且避免对作物产量造成影响。

A Crop Monitoring System Based on Terahertz Wave and Hyperspectral Remote Sensing on UAV

The invention discloses a terahertz wave and hyperspectral remote sensing crop monitoring system on UAV. The hardware platform is UAV, and the UAV is equipped with terahertz reflection spectral imaging system and passive hyperspectral imaging instrument. The terahertz reflection spectral imaging system includes active terahertz source, terahertz camera and terahertz imager; terahertz source emits terahertz wave to agriculture. Between crop and surface, terahertz camera receives terahertz wave data from crop and surface through multiple reflection, refraction, transmission and absorption, and finally forms terahertz wave spatial distribution reflected wave data from crop to surface space. The terahertz camera transmits reflected wave data to terahertz imager and forms corresponding terahertz wave imaging data. Early detection and diagnosis of crop growth problems are conducive to effective intervention or remedial measures before the damage occurs, restoring crop health and avoiding the impact on crop yield.

【技术实现步骤摘要】
一种无人机载的太赫兹波及高光谱遥感农作物监测系统
本专利技术涉及一种监测系统，尤其是涉及一种无人机载的太赫兹波及高光谱遥感农作物监测系统，涉及农业遥感

技术介绍
由于农业土地广阔，开展农业资源监测、巡查工作，人工成本高而且效率低。传统上，农业病虫害检测及防治主要通过人工实施作业，以目视检查来监测作物的健康状况，进度慢，作业面积小，而且灵敏度差。与人工实施作业相对应的是农业遥感技术。目前用于农作物管理的农业遥感也已经有50多年的历史，涉及使用的光谱主要是光学和红外线。目前，农业遥感监控主要依赖红外光谱遥感技术，并通过及时灌溉和早期探测作物胁迫因素来保持农作物的健康。高光谱成像仪覆盖了可见光与红外线，具有高空间分辨和高瞬时清晰度和高光谱分辨率的特点。然而红外线在空气中传播时功率损失巨大并且散射严重，无法到达叶子的内部，因此单纯以红外光谱对作物遥感产生的效果不够理想。太赫兹频率是红外光谱的低频部分，它与大多数分子的振荡频率共振。因此，太赫兹和红外线都是感知农作物健康的理想选择。相比之下，太赫兹辐射可以在作物中穿透数毫米，并且由于波长远大于红外光，太赫兹波的散射可以忽略不计。利用主动式太赫兹波作为探测光谱来监测作物内及土壤水份和光合作用速度可以在及早期发现作物是否健康，检测某些害虫以及诊断作物是否缺乏营养。这项技术解决了红外线在空气传播中严重散射及无法到达叶子内部的问题。以主动式太赫兹波作为探测光谱的概念十分新颖，主动式太赫兹波遥感系统需要高功率太赫兹源以及先进的太赫兹相机系统才得以实现。很多分子在太赫兹频段内有独特的频率响应，O2及H2O的一些太赫兹吸收特征谱可在许多文献中找到，因此太赫兹波谱技术用来对物质进行定性以及定量的研究，并得到相应物质的指纹谱。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是克服现有农业遥感技术的缺陷，提供一种无人机载的太赫兹波及高光谱遥感农作物监测系统，从而解决上述问题。为实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：一种无人机载的太赫兹波及高光谱遥感农作物监测系统，包括硬件平台和监测方法；所述硬件平台为无人机，且所述无人机内搭载太赫兹反射光谱成像系统和被动式高光谱成像仪器，所述太赫兹反射光谱成像系统包括主动式太赫兹源、太赫兹相机和太赫兹成像仪；所述太赫兹源发射太赫兹波至农作物及地表间，所述太赫兹相机接收太赫兹波在农作物及地表间经过多次反射、折射、透射及吸收并最终形成太赫兹波在农作物至地表空间中的空间分布反射波数据，所述太赫兹相机将反射波数据传输到太赫兹成像仪中，并形成对应的太赫兹波成像数据。作为本专利技术的一种优选技术方案，所述太赫兹成像仪内置有太赫兹探测线路、电光/光电转换模块、数模/模数转换模块、数据存储模块和太赫兹光谱数据库；作为本专利技术的一种优选技术方案，所述太赫兹光谱数据库收集有不同脱水程度或受虫害迫害的农作物样品在太赫兹波段存在的特征吸收峰，农作物害虫身体在太赫兹波段的特征吸收峰，实验室测量和校准的样品数据信息，每个阶段农作物的平均反射率及吸收数据。作为本专利技术的一种优选技术方案，所述无人机为商用改装无人机，所述被动式高光谱成像仪为可见光以及近红外光频段的400-2050nm高光谱成像仪，所述无人机上还搭载一组商用的氧气、二氧化碳含量测试仪。作为本专利技术的一种优选技术方案，所述监测方法包括如下方法：方法1：作物新陈代谢速度的太赫兹波及高光谱监测方法；通过主动式太赫兹源发射太赫兹波，并通过太赫兹波测量从太阳出来前的氧气(O2)及二氧化碳(17OCO及18OCO)的含量，同时通过用2050nm附近被动式高光谱成像仪测量二氧化碳(CO2)的含量，以及太阳出来后一段时间内(一或两个小时)的含量变化；由此算出农作物新陈代谢的速度，从而判断作物是否健康；同时利用现有商用的氧气和二氧化碳测量仪作为辅助检测手段，与方法1数据进行相互校验，得到准确的作物新陈代谢速度；方法2：作物及其土壤中含水量的太赫兹波监测方法；在农作物周围空气湿度较低时，通过太赫兹成像仪中的采集水分含量在太赫兹波段的成像数据，可以监测农作物中及其土壤中的含水量，进而评估农作物缺水程度；方法3：作物养分的太赫兹波监测方法；通过太赫兹成像仪中的采集农作物光谱信息对比被动式高光谱成像仪中的光谱信息，在特征吸收峰上是否存在着较大差异，进一步判断作物是否缺少养分；方法4：作物虫害及健康状况的太赫兹波及高光谱监测方法；结合当地实际情况，通过太赫兹成像仪采集虫害发病率高峰期的各个阶段的定时采集数据，并实时监测作物中的叶绿素的含量和不同时段的变化，创建农作物光谱生长过程中的反射率，通过对比太赫兹光谱数据库中的每个阶段农作物的平均反射率及吸收数据来判断农作物是否受病害胁迫；所述方法1包括方法1-1，方法1-2和方法1-3；所述方法1-1为：氧气(CO2)、二氧化碳(O2)含量的辅助测量手段；所述方法1-2为：对二氧化碳(CO2)含量的太赫兹波及高光谱成像办法；所述方法1-3为：对氧气(O2)含量的太赫兹波及高光谱成像办法；所述方法2具体表现为：农作物周围及地表的水份测量；所述方法3具体表现为：农作物农学参数测量；所述方法4具体表现为：太赫兹波用以检测农作物虫害状况。作为本专利技术的一种优选技术方案，包括监测步骤，所述监测步骤为：步骤1：采集与制作具有不同脱水程度的农作物和受害虫/疾病胁迫的农作物样品，利用太赫兹成像仪分析提取特征信息并且储存到太赫兹光谱数据库中；太赫兹光谱数据库中包含了收集有不同脱水程度或受虫害迫害的农作物样品在太赫兹波段存在的特征吸收峰，以及作物营养物和害虫身体在太赫兹波段的特征吸收峰；实验室测量和校准的样品数据信息，以及每个阶段作物的平均反射率数据。步骤2：利用主动式太赫兹源对农作物目标进行太赫兹辐射，并且记录反射光谱，并且按顺序分析作物周围的氧气(O2)和二氧化碳(CO2)的含量，作物中水分的含量，以及是否存在可能虫害；对采集到农作物光谱信息与光谱数据库中的高光谱在特征吸收峰进行比对，如果存在较大差异，则进一步判断是否由缺少某特定养分所致；步骤3：按照指定的时间间隔采集数据，从太阳出来前的水分含量开始，每两个小时采集一次数据，监测作物中的含水量和不同时段的变化，得到农作物中水分的扩散图像，提取平均扩散系数，观察局部和各向异性变化的扩散系数，进而评估水化程度；步骤4：按照指定的时间间隔采集数据，从太阳出来前的氧气(O2)和二氧化碳(CO2)的含量以及出来后一、两个小时的含量变化，由此算出作物新陈代谢的速度，从而判断作物是否健康；同时利用现有商用的氧气和二氧化碳测量仪作为辅助检测手段，与太赫兹波测量方法相互校验，得到准确的作物新陈代谢速度；步骤5：结合当地实际情况，采集虫害发病率高峰期的各个阶段，每两个小时采集数据，并实时监测作物中的叶绿素的含量和不同时段的变化，创建农作物光谱生长过程中的反射率，通过对比光谱数据库的反射率来判断作物否受病害胁迫；步骤6：无人机返航后，所有的数据备份到数据中心，并且生成检测报告和报表，对相应数据做出解释。作为本专利技术的一种优选技术方案，所述步骤1包括以下步骤：a)采集与制作具有不同脱水程度的农作物和受害虫/疾病胁迫的农作物样品；b)在实验室环境测量和校准样品的太赫兹光谱响应，找出用于监测作物某些疾本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种无人机载的太赫兹波及高光谱遥感农作物监测系统，包括硬件平台和监测方法；其特征在于：所述硬件平台为无人机，且所述无人机内搭载太赫兹反射光谱成像系统和被动式高光谱成像仪器，所述太赫兹反射光谱成像系统包括主动式太赫兹源、太赫兹相机和太赫兹成像仪；所述太赫兹源发射太赫兹波至农作物及地表间，所述太赫兹相机接收太赫兹波在农作物及地表间经过多次反射、折射、透射及吸收并最终形成太赫兹波在农作物至地表空间中的空间分布反射波数据，所述太赫兹相机将反射波数据传输到太赫兹成像仪中，并形成对应的太赫兹波成像数据。

【技术特征摘要】
1.一种无人机载的太赫兹波及高光谱遥感农作物监测系统，包括硬件平台和监测方法；其特征在于：所述硬件平台为无人机，且所述无人机内搭载太赫兹反射光谱成像系统和被动式高光谱成像仪器，所述太赫兹反射光谱成像系统包括主动式太赫兹源、太赫兹相机和太赫兹成像仪；所述太赫兹源发射太赫兹波至农作物及地表间，所述太赫兹相机接收太赫兹波在农作物及地表间经过多次反射、折射、透射及吸收并最终形成太赫兹波在农作物至地表空间中的空间分布反射波数据，所述太赫兹相机将反射波数据传输到太赫兹成像仪中，并形成对应的太赫兹波成像数据。2.根据权利要求1所述的一种无人机载的太赫兹波及高光谱遥感农作物监测系统，其特征在于：所述太赫兹成像仪内置有太赫兹探测线路、电光/光电转换模块、数模/模数转换模块、数据存储模块和太赫兹光谱数据库。3.根据权利要求2所述的一种无人机载的太赫兹波及高光谱遥感农作物监测系统，其特征在于：所述太赫兹光谱数据库收集有不同脱水程度或受虫害迫害的农作物样品在太赫兹波段存在的特征吸收峰，农作物害虫身体在太赫兹波段的特征吸收峰，实验室测量和校准的样品数据信息，每个阶段农作物的平均反射率及吸收数据。4.根据权利要求1所述的一种无人机载的太赫兹波及高光谱遥感农作物监测系统，其特征在于：所述无人机为商用改装无人机，所述被动式高光谱成像仪为可见光以及近红外光频段的400-2050nm高光谱成像仪，所述无人机上还搭载一组商用的氧气、二氧化碳含量测试仪。5.根据权利要求1所述的一种无人机载的太赫兹波及高光谱遥感农作物监测系统，其特征在于：所述监测方法包括如下方法：方法1：作物新陈代谢速度的太赫兹波及高光谱监测方法；通过主动式太赫兹源发射太赫兹波，并通过太赫兹波测量从太阳出来前的氧气(O2)及二氧化碳(17OCO及18OCO)的含量，同时通过用2050nm附近被动式高光谱成像仪测量二氧化碳(CO2)的含量，以及太阳出来后一段时间内(一或两个小时)的含量变化；由此算出农作物新陈代谢的速度，从而判断作物是否健康；同时利用现有商用的氧气和二氧化碳测量仪作为辅助检测手段，与方法1数据进行相互校验，得到准确的作物新陈代谢速度；方法2：作物及其土壤中含水量的太赫兹波监测方法；在农作物周围空气湿度较低时，通过太赫兹成像仪中的采集水分含量在太赫兹波段的成像数据，可以监测农作物中及其土壤中的含水量，进而评估农作物缺水程度；方法3：作物养分的太赫兹波监测方法；通过太赫兹成像仪中的采集农作物光谱信息对比被动式高光谱成像仪中的光谱信息，在特征吸收峰上是否存在着较大差异，进一步判断作物是否缺少养分；方法4：作物虫害及健康状况的太赫兹波及高光谱监测方法；结合当地实际情况，通过太赫兹成像仪采集虫害发病率高峰期的各个阶段的定时采集数据，并实时监测作物中的叶绿素的含量和不同时段的变化，创建农作物光谱生长过程中的反射率，通过对比太赫兹光谱数据库中的每个阶段农作物的平均反射率及吸收数据来判断农作物是否受病害胁迫；所述方法1包括方法1-1，方法1-2和方法1-3；所述方法1-1为：氧气(CO2)、二氧化碳(O2)含量的辅助测量手段；所述方法1-2为：对二氧化碳(CO2)含量的...

【专利技术属性】
技术研发人员：张良，
申请(专利权)人：深圳市奥谱太赫兹技术研究院，
类型：发明
国别省市：广东,44