一种用图像表示农田土壤成分的系统及其方法技术方案

本发明专利技术公开了一种用图像表示农田土壤成分的系统及其方法，该系统以面代点快速采集检测土壤成分，检测能力包括土壤有机质OM、pH值和电导率EC。结合使用移动车载土样采集检测方法和安装在螺旋翼或专业固定翼无人机上的多光谱传感器的遥感采集方法，有选择的使用固定土壤基站实时采集上传，传统土壤定点采集实验室化验的方法作为偏差矫正。通过云端数据库(农事地块信息，历史数据，以及气候参数)，云计算搭建数学建模(基于云端数据库的信息进行迭代学习)，提供光谱图表示土壤成分的偏差矫正依据。通过遥感光谱图代替传统采集检测土壤成分的系统和方法提高土壤采集效率，降低土壤检测成本，最终以快速采集检测土壤成分的方式达到实时获取数据。

A system and method for image representation of farmland soil composition

The invention discloses a system and a method for representing farmland soil composition by image. The system collects and detects soil composition quickly by replacing surface with point. The detection ability includes soil organic matter OM, pH value and conductivity EC. Combined with the mobile vehicle-borne soil sampling detection method and the remote sensing acquisition method of multi-spectral sensors installed on helical or professional fixed-wing UAV, the fixed-soil base station is selected to collect and upload real-time data, while the traditional fixed-site soil sampling laboratory test method is used to correct the deviation. Through cloud database (agricultural land information, historical data, and climate parameters), cloud computing establishes mathematical model (based on cloud database information for iterative learning), and provides a basis for correcting the deviation of soil composition in spectral charts. By replacing the traditional system and method of collecting and detecting soil components with remote sensing spectrogram, the efficiency of soil acquisition can be improved, the cost of soil detection can be reduced, and the real-time data can be acquired by collecting and detecting soil components quickly.

【技术实现步骤摘要】
一种用图像表示农田土壤成分的系统及其方法
本专利技术涉及数据采集和图像重组，映射
，该应用涉及采集检测土壤数据,如有机质OM、电导率EC和pH值，以及快速采集检测土壤成分，和用重组图像表示土壤成分数据，具体涉及一种用图像表示农田土壤成分的系统及其方法。
技术介绍
土壤是一种复杂的，变化的，动态的和具有生态的组合成分，而且每一个地理位置都有它的“独特性”。土壤的变化可以是退化，也可以是被很好地管理而更加肥沃。土壤通过气候和水域直接影响环境。对土壤生态的系统了解是设计和管理土壤的长期肥力，农作物种植能力，环境质量得以维持的关键部分。许多生物，化学和物理因素决定了土壤质量。通过测量其中一些成分，确定他们如何在农业环境中有效管理，是建立评估土壤健康状态和对周边水域质量的基础。农民特别感兴趣的三种成分是土壤pH值、有机质OM和电导率EC。土壤pH值是测定水中土壤溶液中氢离子(H+)活性的尺度，具体定义为氢离子浓度的-log10。土壤pH值的上升或下降取决于一系列因素的影响，包括耕作做法。如果这些影响的结果，土壤pH值低于或高于某些最佳水平的生物和化学活动，土壤的生产力将变得少得多。有机质OM在土壤生态系统中起着重要作用，对可持续农业具有重要意义。有机质是土壤质量的最佳指标之一，特别是当土壤在一段时间内可以观察到的时候。精度高的测量土壤有机含量精度要求高精的设备，涉及先进技术。最后，土壤电导率EC是与影响作物生产力的土壤性质相关的测量，包括土壤质地、阳离子交换能力CEC、排水条件、有机质水平、盐度和底土特征。采集土壤、检测与上述三个成分相关的土壤属性数据可能非常昂贵而且耗时，尽管信息非常重要，但由于高成本和耗时间，许多场合无法及时采集检测，这是农业生态管理中已知和日益增长的问题。据文献调研，包括正在开发中的，目前有四种检测土壤成分的方法。这四种方法或系统中直接或间接都使用了基于云的数据库，既可以在不同的情况下积累检测到的数据，也可以建立映射校准的模型。这四种土壤检测方法是：1.人工从田间采集土壤样品，并在土壤实验室检查获得OM、EC和pH值数据。这些结果可以上传到云端数据库，并与采样位置(GPS)、行政区域，地块位置和编号关联。2.使用多个固定基站自动获取土壤样品，每台都装有移动发射机(3G/4G)。土壤数据是通过基站延伸嵌入土壤传感器获取，并基站传送到一个云端数据库。数据包括每个基站的地理位置和坐标。3.美国VerisTechnologies(Salina，KS，USA)制造和销售的移动车载土样检测采集系统MSPTM和MSP3TM可以在运行中采集检测(http://www.veristech.com/the-sensors/msp)。移动车载系统通过农场拖拉机在农田里移动采集检测，车载OM，EC和pH传感器模块在MSPTM允许用户实时获取数据。车载系统上计算机控制软件允许用户根据农地情况设计采集路线和间隔，因为每一个采集点都有它的经纬度，采集结果很容易影射到一个点阵。形成图像，便于吻合到地块(见图9)。数据可以传送到云端数据库，以便进一步校准和分析。4.SoilOptixTechnologies(http://www.practicalprecision.ca/solutions/soiloptix/)目前市场上提供的接收土壤Gammar射线传感器检测土壤成分系统。该系统安装在全地形越野车的前端。传感器系统测量存在于土壤中的多能量级Gammar射线而转换成，或换算成土壤成分。能量级包括Ranium，Potassium-40，Thorium和Cesium。采集的数据和利用辐射能量的变化重组土壤成分(物理结构)图像，有助于人工土样采集点(实验室检测)的规划。通过土壤实验室检测结果，重组一组土壤纹理图，表示土壤中的氮、磷、钾、OM、pH值。第一和第二个获取土壤样流程采用定点定位采集土壤样的方法。手工取样需要经验,经验以确定土壤样(和可能的平均多土样采集点)质量。送往土壤实验室检测是一个以天或者星期为单位的操作过程。相对应，自动采集土样数据实时上传到云端数据库，获取数据可以分钟为单位。采用传感器和相关设备，采集可能会有更高的维护成本，而且对于数据收集，尤其是在大面积土地检测，可能是一种缓慢、低效、高成本的方法。虽然这两种方法都在实践中，但两者都存在速度，效率和成本的问题。对于大面积土壤采集检测，以面代点表示土壤成分，上述两种方法都没有解决土壤采集、检测、图像重组、影射等相关问题。MSPTM(上述第三项)是由美国VerisTechnologies制造的产品。该装置是通过把土壤检测传感器安装在车载平台，达到移动采集检测效果。需要有限数量的土壤样本实验室检测结果校准，它可以产生相当准确的OM，EC和pH值测量。SoilOptixTM(上述第四项)的设计是用一个车载传感器收集从土壤表层(大约12英寸的土壤内)释放出的伽玛(Gammar)射线成像辅助规划土样采集。然而由于土壤中伽玛(Gammar)的能量极低，需要大量的土壤样本和实验室检测结果来提供足够的数据使得重组图像表示土壤成分成为可能。依靠安装在越野车前端的传感器系统收集从土壤中散射出的能量(而成像)，这个采集过程非常缓慢，覆盖面积也受耕地地形限制、天气、和车速。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种用图像表示农田土壤成分的系统及其方法，用以解决现有技术，对于大面积土壤采集检测，以面代点表示土壤成分，均没有解决土壤采集、检测、图像重组、影射等相关问题。为实现上述目的，本专利技术提供一种用图像表示农田土壤成分的系统，所述系统包括：一种多光谱图像成像系统，用于生成具有设定区域的多光谱图像，以及具有多个可分辨区域的多光谱图像；一种移动式土壤传感器系统，所述移动式土壤传感器系统包括连接到车辆上的接头和必要的液压接口，允许将传感器系统移到另一个地块或者区域，即作为系统在另一个陆地区域上移动的土壤采集机制，它拥有一个GPS模块，用于确定每个土壤样本的位置，至少是第一个土壤传感器，用于确定每个土样的成分或确定每个土样的属性，以及记录土样的成分和位置作为土壤数据的记忆体，其中另一个地块区域完全位于第一地块区域之外；收集和储存来自移动土壤传感器系统的土壤数据的数据库，用于收集光谱图像成像系统产生的图像，同时存储土壤实验室检测数据，定点基站实时上传数据，包括非土壤数据比如环境气象等；和数据库相连的计算系统，并配置为使用移动土壤传感器系统中的土壤数据生成以少数点阵完成大面积光谱图像表示土壤成分的硬件软件模块，其计算系统包括：一种相关系统，用于将至少一个点阵对准多光谱图像的相应部分，并将土壤数据与相应部分的可见区域相关联，以创建该部分光谱图像点阵严格的对应关系；和一种插补系统，用于将土壤成分分配给非点阵所覆盖的区域，其中，指定的土壤成分基于光谱图像区域。可选地，所述系统还包括无人飞行器/无人机，所述无人飞行器/无人机飞行在一个需要光谱成像的区域，配置有光传感器的所述多光谱图像成像系统安装到所述无人飞行器/无人机上。可选地，所述无人机包括螺旋翼，固定机翼中的至少一项。可选地，所述多光谱图像成像系统还包括多光谱成像相机，所述多光谱成像相机连接到无人机上。可选地，所述土壤成分确定是有机质OM，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用图像表示农田土壤成分的系统，所述系统包括：一种多光谱图像成像系统，用于生成具有设定区域的多光谱图像，以及具有多个可分辨区域的多光谱图像；一种移动式土壤传感器系统，所述移动式土壤传感器系统包括连接到车辆上的接头和必要的液压接口，允许将传感器系统移到另一个地块或者区域，即作为系统在另一个陆地区域上移动的土壤采集机制，它拥有一个GPS模块，用于确定每个土壤样本的位置，至少是第一个土壤传感器，用于确定每个土样的成分或确定每个土样的属性，以及记录土样的成分和位置作为土壤数据的记忆体，其中另一个地块区域完全位于第一地块区域之外；收集和储存来自移动土壤传感器系统的土壤数据的数据库，用于收集光谱图像成像系统产生的图像，同时存储土壤实验室检测数据，定点基站实时上传数据，包括非土壤数据比如环境气象等；和数据库相连的计算系统，并配置为使用移动土壤传感器系统中的土壤数据生成以少数点阵完成大面积光谱图像表示土壤成分的硬件软件模块，其计算系统包括：一种相关系统，用于将至少一个点阵对准多光谱图像的相应部分，并将土壤数据与相应部分的可见区域相关联，以创建该部分光谱图像点阵严格的对应关系；和一种插补系统，用于将土壤成分分配给非点阵所覆盖的区域，其中，指定的土壤成分基于光谱图像区域。...

【技术特征摘要】
2017.07.14 US 62/532,731;2017.08.17 US 15/679,6771.一种用图像表示农田土壤成分的系统，所述系统包括：一种多光谱图像成像系统，用于生成具有设定区域的多光谱图像，以及具有多个可分辨区域的多光谱图像；一种移动式土壤传感器系统，所述移动式土壤传感器系统包括连接到车辆上的接头和必要的液压接口，允许将传感器系统移到另一个地块或者区域，即作为系统在另一个陆地区域上移动的土壤采集机制，它拥有一个GPS模块，用于确定每个土壤样本的位置，至少是第一个土壤传感器，用于确定每个土样的成分或确定每个土样的属性，以及记录土样的成分和位置作为土壤数据的记忆体，其中另一个地块区域完全位于第一地块区域之外；收集和储存来自移动土壤传感器系统的土壤数据的数据库，用于收集光谱图像成像系统产生的图像，同时存储土壤实验室检测数据，定点基站实时上传数据，包括非土壤数据比如环境气象等；和数据库相连的计算系统，并配置为使用移动土壤传感器系统中的土壤数据生成以少数点阵完成大面积光谱图像表示土壤成分的硬件软件模块，其计算系统包括：一种相关系统，用于将至少一个点阵对准多光谱图像的相应部分，并将土壤数据与相应部分的可见区域相关联，以创建该部分光谱图像点阵严格的对应关系；和一种插补系统，用于将土壤成分分配给非点阵所覆盖的区域，其中，指定的土壤成分基于光谱图像区域。2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统还包括无人飞行器/无人机，所述无人飞行器/无人机飞行在一个需要光谱成像的区域，配置有光传感器的所述多光谱图像成像系统安装到所述无人飞行器/无人机上。3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述无人机包括螺旋翼，固定机翼中的至少一项。4.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述多光谱图像成像系统还包括多光谱成像相机，所述多光谱成像相机连接到无人机上。5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述土壤成分确定是有机质OM，电导率EC和pH值。6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统还包括至少一个定点土壤采基站，该基站的位置至少应在指定点阵区域或附近，该基站应定时、连续上传其位置的土壤相关信息，以及对应于采集时间的环境、天气数据。7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述系统还包括一个土壤实验室，所述土壤实验室用以分析从指定地点采集的土样，确定每个土样的土壤成分，并记录土壤成分作为校准数据，其中，所述校准数据用于校准本系统用其他方法采集表示的土壤成分，...

【专利技术属性】
技术研发人员：方彦，郑善林，
申请(专利权)人：北京山水云图科技有限公司，
类型：发明
国别省市：北京,11