一种便携式农作物参数测量与长势智能分析装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种便携式农作物参数测量与长势智能分析装置及方法，装置包括光谱成像模块、激光结构光散点发射器、双目摄影测量模块、成像采集控制模块、数据采集模块、数据处理模块以及数据分析与应用模块和电池模块；本发明专利技术将基于激光三角法测距原理的结构光测量技术，实现复杂自然条件下的农作物冠层结构快速自动测量。以等分光器件将激光器单点光源转换为特定的形态作为光源，产生等等间隔点状投射光源，使其产生的光束照射被测表面。在获取多光谱图像的同时，通过摄影测量技术获得每个光斑或光条的三维坐标或空间形态，通过空间插值技术实现农作物冠层结构的三维重建。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于农业信息化
，涉及一种农作物参数测量与长势分析装置及方案，尤其涉及一种基于激光与高光谱结合的便携式农作物参数测量与长势智能分析装置及方法。
技术介绍
在我国耕地资源日益减少、水资源严重短缺、人口不断膨胀、需求快速增加、环境问题日益突出的大背景下，如何保证农业可持续发展和粮食安全，使农业产量及品质与农业投入同步增长，实现农业高产、优质、高效、生态安全的协调发展目标，是我国今后相当长时期内农业必须面对和解决的重大问题。精准农业于20世纪80年代初在国际农业领域被倡导且得到了迅速发展。目前，美国在精准农业研究与应用领域处于国际领先。近年来，国内很多科研院所也开始了精准农业相关方面的研究，但在精准农业的理论与实践研究上还处于刚刚起步阶段。精准农业的三个基本环节是信息获取、决策和实施，因此，农作物生态环境信息快速准确获取是精准农业能够得以顺利决策和实施的基础，是建立以实时、精准实施为特点的现代农业生产系统的核心组件。但在农作物生态环境信息获取方面技术和方法的不成熟是目前精准农业得以顺利实施的主要瓶颈。本本专利技术致力于农作物生态环境信息获取及农作物长势监测的现代新型技术，对促进国内精准农业的发展具有极其重要的推动作用。当前的农业生产中，农作物信息的快速提取和分析具有重要应用价值，各种农作物参数速测仪器得到广泛应用。但目前的主流农作物参数测量仪器主要是作物养分、生化参数的测量，其中以叶绿素仪、叶面积指数仪器、光学作用仪器、水分测量仪器和植株分析仪为代表。而在农业生产中，涉及农作物三维几何形态的测量仪器尚没有以便携式仪器形式出现。同时，三维几何形态数据的观测分析与作物养分和生化参数的观测分析难以同时进行，而这两类参数的同时获取对于农作物信息的分析具有及其重要的作用。另一方面，现有的农业参数测量仪主要从专业分析出发，属于农业科技领域相对专业的参数，缺乏对普通农户的运用普及性。由于没有足够的专业科技知识，上述参数难以形成直接的农业生产推动力。要解决上述问题，必须从技术角度予以突破，需要对几何与光谱两类分析监测途径予以综合，同时同步监测，这种技术瓶颈在当前并未突破。而且，要方面农户使用，需要实时提出农作物长势的智能化监测结果，这有赖于利用典型农作物的基础观测数据，形成专家支持决策系统，而这是单一的作物参数测量仪器领域无法完成的。
技术实现思路
为了解决上述技术问题，本专利技术根据农作物生长状况监测的需要，综合利用农作物对可见光的反射特性和激光结构光的性质，提出了一种基于激光与高光谱结合的便携式农作物参数测量与长势智能分析装置及方法。本专利技术提供的一种便携式农作物参数测量与长势智能分析装置，其特征在于：包括光谱成像模块、激光结构光散点发射器、双目摄影测量模块、成像采集控制模块、数据采集模块、数据处理模块以及数据分析与应用模块和电池模块；所述光谱成像模块有6组，成上下两排各3个布置，所述光谱成像模块位于装置外壳的下底面中央，水平设置，工作时放置载农作物正上面；所述双目摄影测量模块为两组，分别排列在所述光谱成像模块的两侧；所述激光结构光散点发射器设置于所述光谱成像模块下方，所述光谱成像模块6个镜头的主光轴和所述双目摄影测量模块的2个镜头方向一致，主光轴平行向前；所述激光结构光散点发射器发射方向与所述光谱成像模块镜头方向一致；所述成像采集控制模块分别与所述光谱成像模块、激光结构光散点发射器、双目摄影测量模块、数据采集模块、数据处理模块以及数据分析与应用模块连接；所述电池模块分别与所述光谱成像模块、激光结构光散点发射器、双目摄影测量模块、成像采集控制模块、数据采集模块、数据处理模块以及数据分析与应用模块连接，提供电力。作为优选，所述光谱成像模块由可变焦镜头、特定波段滤光片和COMS图像传感器三组件组成，三组件按照从上到下顺序组装。作为优选，所述可变焦镜头为固定孔径和焦长±30°视场角的镜头，使得光谱成像模块在2.5米高度可对地观测到3*3米的矩形区域。作为优选，所述6个COMS图像传感器和对应镜头间分别配置涵盖蓝波段，绿波段，红波段，红边波段，红外波段的指定带通滤光片，双目摄影测量模块的2个COMS图像传感器不配滤光片。作为优选，所述成像采集控制模块还配置有GPS模块、3G/WIFI模块和触摸屏模块，用于装置输出和输入信息。本专利技术提供的一种便携式农作物参数测量与长势智能分析方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：农作物冠层三维重建，其具体实现包括以下子步骤：步骤1.1：农作物冠层双目摄影测量测量的结构光形态调整；所述结构光形态包含激光频率和光束形状两个方面的参数；步骤1.2：结构光摄影测量标定，包括相机标定和投影器标定两步骤；所述相机标定采用摄影测量光束法平差技术获取包含镜头畸变、内外方为元素在内的高精度的相机参数；所述投影器定标是将结构光投影到已知形状的标定物上，由相机拍摄影像，通过三角测量原理的逆过程即可实现结构光的标定；步骤1.3：农作物冠层结构的快速三维重建；开启激光结构光散点发射器，然后利用双目摄影测量模块对农作物冠层进行拍照，双目摄影测量模块根据影像和激光结构光信息自动完成点云数据生成，点云数据即为三维数据集；步骤2：光谱成像模块辐射校正，其具体实现包括以下子步骤：步骤2.1：实验室绝对辐射定标，使用积分球作为定标辐射源，在室内状态下对光谱成像模块做辐射定标试验；步骤2.2：基于地面标准反射板的影像快速辐射校正，通过在影像范围内放置标准白板，通过卷尺获取的高度信息，确定白板大小，定位白板位置，获取白板辐亮度值；步骤3：冠层影像几何与光谱融合处理，其具体实现包括以下子步骤：步骤3.1：基础几何处理；步骤3.2：冠层影像处理；步骤4：农作物长势参数信息提取功能，其具体实现包括以下子步骤：步骤4.1：生物物理参数获取；基于激光三角法测距原理的结构光测量技术，通过摄影测量技术获得每个光斑或光条的三维坐标或空间形态，能实现复杂自然条件下的农作物冠层结构的快速自动测量；步骤4.2：生物化学参数获取；记录和分析植被在特征波段的光谱反射信号，并结合激光结构光测量数据，估算反映农作物长势的生物化学参数，所述生物化学参数包括农作物覆盖度、叶面积指数和叶绿素含量。作为优选，步骤2.1中所述的实验室绝对辐射定标，是让竖立于卫星侧面的半积分球输出的均匀稳定的辐射光，通过相机上方的45°测试反射镜转折入相机摆镜和镜头，经过分光棱镜和拼接棱镜照射到焦平面的CCD探元上，CCD探元完成光电转换后输出电压信号值，经过数传系统接收处理，再通过数字采集模块采集定标数据。作为优选，步骤3.1中所述的基础几何处理，首先通过激光探测器得到包括冠层高度、背景高度信息的多点距离信息和相机参数，利用相对几何空间关系进行光学相机比例尺计算；然后借助共线方程几何构象模型进行集合纠正，获取冠层正射影像；同时对多通道光学影像进行通道间配准，获取冠层多通道灰度序列数据本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种便携式农作物参数测量与长势智能分析装置，其特征在于：包括光谱成像模块、激光结构光散点发射器、双目摄影测量模块、成像采集控制模块、数据采集模块、数据处理模块以及数据分析与应用模块和电池模块；所述光谱成像模块有6组，成上下两排各3个布置，所述光谱成像模块位于装置外壳的下底面中央，水平设置，工作时放置载农作物正上面；所述双目摄影测量模块为两组，分别排列在所述光谱成像模块的两侧；所述激光结构光散点发射器设置于所述光谱成像模块下方，所述光谱成像模块6个镜头的主光轴和所述双目摄影测量模块的2个镜头方向一致，主光轴平行向前；所述激光结构光散点发射器发射方向与所述光谱成像模块镜头方向一致；所述成像采集控制模块分别与所述光谱成像模块、激光结构光散点发射器、双目摄影测量模块、数据采集模块、数据处理模块以及数据分析与应用模块连接；所述电池模块分别与所述光谱成像模块、激光结构光散点发射器、双目摄影测量模块、成像采集控制模块、数据采集模块、数据处理模块以及数据分析与应用模块连接，提供电力。

【技术特征摘要】
1.一种便携式农作物参数测量与长势智能分析装置，其特征在于：包括光谱成像模块、激光结构光散点发射器、双目摄影测量模块、成像采集控制模块、数据采集模块、数据处理模块以及数据分析与应用模块和电池模块；
所述光谱成像模块有6组，成上下两排各3个布置，所述光谱成像模块位于装置外壳的下底面中央，水平设置，工作时放置载农作物正上面；所述双目摄影测量模块为两组，分别排列在所述光谱成像模块的两侧；所述激光结构光散点发射器设置于所述光谱成像模块下方，所述光谱成像模块6个镜头的主光轴和所述双目摄影测量模块的2个镜头方向一致，主光轴平行向前；所述激光结构光散点发射器发射方向与所述光谱成像模块镜头方向一致；
所述成像采集控制模块分别与所述光谱成像模块、激光结构光散点发射器、双目摄影测量模块、数据采集模块、数据处理模块以及数据分析与应用模块连接；
所述电池模块分别与所述光谱成像模块、激光结构光散点发射器、双目摄影测量模块、成像采集控制模块、数据采集模块、数据处理模块以及数据分析与应用模块连接，提供电力。
2.根据权利要求1所述的便携式农作物参数测量与长势智能分析装置，其特征在于：所述光谱成像模块由可变焦镜头、特定波段滤光片和COMS图像传感器三组件组成，三组件按照从上到下顺序组装。
3.根据权利要求2所述的便携式农作物参数测量与长势智能分析装置，其特征在于：所述可变焦镜头为固定孔径和焦长±30°视场角的镜头，使得光谱成像模块在2.5米高度可对地观测到3*3米的矩形区域。
4.根据权利要求2所述的便携式农作物参数测量与长势智能分析装置，其特征在于：所述6个COMS图像传感器和对应镜头间分别配置涵盖蓝波段、绿波段、红波段、红边波段、红外波段的指定带通滤光片，双目摄影测量模块的2个COMS图像传感器不配滤光片。
5.根据权利要求1所述的便携式农作物参数测量与长势智能分析装置，其特征在于：所述成像采集控制模块还配置有GPS模块、3G/WIFI模块和触摸屏模块，用于装置输出和输入信息。
6.一种便携式农作物参数测量与长势智能分析方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：农作物冠层三维重建，其具体实现包括以下子步骤：
步骤1.1：农作物冠层双目摄影测量测量的结构光形态调整；所述结构光形态包含激光频率和光束形状两个方面的参数；
步骤1.2：结构光摄影测量标定，包括相机标定和投影器标定两步骤；所述相机标定采用摄影测量光束法平差技术获取包含镜头畸变、内外方为元素在内的高精度的相机参数；所述投影器定标是将结构光投影到已知形状的标定物上，由相机拍摄影像，通过三角...

【专利技术属性】
技术研发人员：方圣辉，龚龑，唐敏，彭漪，
申请(专利权)人：武汉大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42