一种智能农机载高光谱采集方法技术

本发明专利技术基于ＧＰＳ的智能农机载高光谱采集方法，属于高密度获取农田信息的技术方法，专用于精确农业生产技术的动态监测。本系统利用Ｖｉｓｕａｌ　　Ｂａｓｉｃ和Ｍａｐ　　Ｏｂｊｅｃｔｓ对ＧＰＳ、ＧＩＳ和ＲＳ进行有机集成，一方面系统通过集成ＧＰＳ，能为采集到的光谱数据提供高精度的空间位置属性，实现光谱数据采集、定位和存储一体化；另一方面通过集成ＧＩＳ，实现了具有空间属性的光谱数据可视化管理和分析处理，实时地显示动点轨迹、各图层对应点属性，计算作物微分光谱和植被指数ＮＤＶＩ等功能，为专家系统和决策支持系统提供充足的信息。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术基于一种的智能农机载高光谱采集方法，属于基于GPS的高密度获取农田信息的技术方法，专用于精确农业生产技术的动态监测。二、技术背景“精确农业”是近年来国际上农业科学研究的热点领域，它是现有农业生产措施与现代高新技术的有机结合，核心是地理信息系统、全球卫星定位系统、遥感和计算机自动控制系统。精确农业就是通过地理信息系统、全球卫星定位系统、遥感技术等自动化控制技术的应用，按照田间每一操作单元的具体条件，精细准确地调整土壤和作物的各项管理措施，最大限度地优化使用各项农业投入，调动土壤生产力，以最少的或最节省的投入达到同等收入或更高的收入，改善环境，高效地利用各类农业资源，取得良好的经济效益和环境效益。精确农业需要尽可能高密度的、全面的农田信息作为依据。目前，遥感以其独特的信息获取优势正逐渐成为农田信息获取的主要手段。用遥感获取土壤和植物参数已经比较普遍，遥感数据是属于面数据，可覆盖整个农田，不象常规的采样分析手段所获取的只是点数据。高光谱遥感是遥感发展的一个重要趋势，高光谱遥感以其高光谱分辨率特性所携带的丰富光谱信息为遥感应用带来了强大的活力。国内外许多学者已经涉足高光谱遥感在植被生物物理信息和生物化学信息提取方面的研究。在卫星和航空遥感技术进一步发展和成熟前，高光谱遥感正在被发展为高密度获取农田信息的技术手段。随着高光谱遥感应用的不断深入，在“动态监测”越来越成为人们共识的情况下，发展高效率的快速遥感技术就成为必须考虑的问题。为此，利用高光谱仪光谱识别能力很强的同时，快速实现光谱数据的同步“定位”，赋予三维坐标，形成“定性”、“定位”一体化快速遥感技术迫在眉睫。基于GPS的智能农机载高光谱采集系统正是在这种背景下开展研究的。三、专利技术方案技术问题 本专利技术的目的在于提供一种基于GPS的智能农机载高光谱采集方法，能够实时获取具有空间属性的作物冠层光谱特征，同时在已知农田信息的各图层上定位，并获取对应点的属性，如土壤养分信息等，计算出光谱植被指数NDVI等作物生长状况一些重要指标，获得一一对应的地理定位信息、土壤属性数据和光谱数据，为实现精准施肥等提供可靠的作物参数。技术方案本专利技术，包括用GPS确定农机的位置，用传感器实时获得作物和农田各种信息，用微型计算机记录、分析信息，发送相应的控制指令，从而驱动农机产生相应的动作，其特征在于1)采用差分GPS25-lvs OEM板定位，差分GPS25-lvs OEM板通过RS-232口或RS-232 & USB转换器与微型计算机或笔记本电脑相连，在采集土壤样品时，利用GPS接收机在计算机栅格地图内定位，记录采集点的准确位置，样品采集完后，在实验室对样品进行分析化验，得到相应的土壤属性数据，并添加到该栅格图层中；2)利用拖拉机悬挂光谱仪，采用MSR 16R型便携式光谱仪实现作物冠层高光谱实时监测，光谱仪通过RS-232或RS-232 & USB转换器与微型计算机或笔记本电脑相连，利用Visual Basic6.0和pccomm.dll动态链接库，设计串行通讯程序，计算机从光谱仪中读取采集到的作物冠层目标光谱多波段信息，同时从GPS中读取该光谱数据的空间时间信息，并完成相关数据的解析，软件设计中采用事件触发方式监视计算机串口缓冲区，当缓冲区有数据时，会自动触发该事件读取数据，接收光谱仪和GPS传来的实时数据，实时传送设备控制指令。MSR 16R便携式光谱仪的原始数据按照CropScan INC提供的算式进行转换获得作物冠顶光谱反射率R；3)利用Map Objects OCX控件实现农田地理信息系统GIS管理模块用SQL语句查找相应的地图要素，将DGPS接受的位置信息投影到平面坐标系统上，或图层在不同投影和坐标系之间相互转换；利用Map Objects的Tracking layer动态显示农机具运动轨迹和各图层上与定位点相对应的点的属性数据；利用Maplay.AddRelate自动完成具有定位信息的光谱数据表与图层的关联；利用“GPS电子地图坐标转换算法，把动点坐标从WGS-84坐标系转换到北京1954_GK坐标下；利用Map Objects把图层原始坐标系转换为WGS-84坐标系，在外部数据库与图层关联中，首先将GPS传递的定位信息在图层中定位，并读取FeatureId值，并把FeatureId值、转换后的光谱数据和定位信息存储到数据库中，获得一一对应的地理定位信息、土壤属性数据和光谱数据。有益效果本专利技术是精确农业信息采集技术集成研究成果。目前，计算机与单独高光谱仪或与单独GPS相连比较普遍，但无法在厂商提供的通讯程序基础上扩展自己的应用程序，为了满足精准农业对光谱数据的特殊要求(具有地理属性的光谱数据)必须把这两个设备同时和计算机相连，开发可以控制采样频率和串行传输速率等参数的通讯程序，以适应光谱仪和不同的GPS，同时在此基础上，开发基于GPS，GIS的农机载高光谱采集系统软件平台。利用Visual Basic和MapObjects对GPS、GIS和MSR 16R型便携式光谱仪进行有机集成，具有以下特点(1)系统通过集成GPS，能为采集到的光谱数据提供高精度的空间位置属性，并录入数据库，实现光谱数据采集、定位、存储一体化；(2)通过集成GIS，实现了具有空间属性的光谱数据可视化管理和分析处理，同时能实时地显示动点轨迹；(3)实现了采样田块的栅格化；(4)可实时显示各图层对应点地理属性和通过光谱数据计算作物生理参数等功能。本专利技术可为今后实现精准施肥，特别是氮肥的追施，提供及时、可靠的信息。四、说明书附1硬件系统结构2软件系统结构五具体实施方式(一)系统硬件结构在典型的体现精细农业思想的自动化农机硬件系统中，一般体现实时性，用GPS确定农机的位置，用传感器实时获得作物和农田各种信息，用微型计算机记录、分析位置信息、相应传感器的信息和其它已知的信息，根据分析结果，发送相应的控制指令，从而驱动农机产生相应的动作。这就需要GPS、RS、GIS与ES紧密结合，并使整个系统具有移动性、实时性。(见附图说明图1)1 拖拉机悬挂机构该系统利用拖拉机悬挂农机具的液压悬挂升降机构，利用三节套管实现伸缩功能，长度为8米，利用液压千斤顶实现升降功能，这样不仅可使光谱仪随农机具移动，同时实现去除边际效应的作物监测。为了保证光谱仪受光面与地面平行，我们在光谱仪悬挂机构中采用了万向头、十字配重等平衡方式，使光谱仪在失去水平后能迅速回位，且可调节万向头的阻尼和限位弹片，减少大幅度摆动。2 DGPS系统GPS技术为土壤类型、土壤肥力特性、水分、作物生长发育状况、病虫草害及农作物产量等田间信息采样和决策方案的田间实施提供准确的空间位置信息。在该系统中，全球定位系统采用广泛用于精确农业的GARMIN公司生产的差分GPS25-lvsOEM板，性能稳定，运行可靠；具有快速捕获、快速重捕和极强的抗遮蔽能力，以及优越的EMC、EMI电磁兼容能力，能够很好的适应复杂多变的应用环境。其作用主要有三点(1)智能化农业机械作业的动态定位。(2)农业信息采集样点定位。即在农田设置的数据采集点、人工数据采集点定位均需GPS定位数据，以便形成信息层进入GIS。(3)遥感信息G本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种智能农机载高光谱采集方法，包括：用ＧＰＳ确定农机的位置，用传感器实时获得作物和农田各种信息，用微型计算机记录、分析信息，发送相应的控制指令，其特征在于：１）采用差分ＧＰＳ２５－ｌｖｓＯＥＭ板定位，差分ＧＰＳ２５－ｌｖｓＯ ＥＭ板通过ＲＳ－２３２口或ＲＳ－２３２＆ＵＳＢ转换器与微型计算机或笔记本电脑相连，在采集土壤样品时，利用ＧＰＳ接收机在计算机栅格地图内定位，记录采集点的准确位置，样品采集完后，在实验室对样品进行分析化验，得到相应的土壤属性数据，并添加到该栅格图层中；２）利用拖拉机悬挂光谱仪，采用ＭＳＲ１６Ｒ型便携式光谱仪实现作物冠层高光谱实时监测，光谱仪通过ＲＳ－２３２或ＲＳ－２３２＆ＵＳＢ转换器与微型计算机或笔记本电脑相连，利用ＶｉｓｕａｌＢａｓｉｃ６．０和ｐｃｃｏｍｍ．ｄ ｌｌ动态链接库，设计串行通讯程序，计算机从光谱仪中读取采集到的作物冠层目标光谱多波段信息，同时从ＧＰＳ中读取该光谱数据的空间时间信息，并完成相关数据的解析，软件设计中采用事件触发方式监视计算机串口缓冲区，当缓冲区有数据时，会自动触发该事件读取数据，接收光谱仪和ＧＰＳ传来的实时数据，实时传送设备控制指令，ＭＳＲ１６Ｒ便携式光谱仪的原始数据按照ＣｒｏｐＳｃａｎＩＮＣ提供的算式进行转换获得作物冠顶光谱反射率Ｒ；３）利用ＭａｐＯｂｊｅｃｔｓＯＣＸ控件实现农 田地理信息系统ＧＩＳ管理模块：用ＳＱＬ语句查找相应的地图要素，将ＤＧＰＳ接受的位置信息投影到平面坐标系统上；实现图层在不同投影和坐标系之间相互转换；利用ＭａｐＯｂｊｅｃｔｓ的Ｔｒａｃｋｉｎｇｌａｙｅｒ动态显示农机具运动轨迹和各图层上 与定位点相对应的点的属性数据；利用Ｍａｐｌａｙ．ＡｄｄＲｅｌａｔｅ自动完成具有定位信息的光谱数据表与图层的关联；利用ＧＰＳ电子地图坐标转换算法，把动点坐标从ＷＧＳ－８４坐标系转换到北京１９５４＿ＧＫ坐标下；利用ＭａｐＯｂｊｅｃｔｓ把图层 原始坐标系转换为ＷＧＳ－８４坐标系，在外部数据库与图层关联中，首先将ＧＰＳ传递的定位信息在图层中定位，并读取ＦｅａｔｕｒｅＩｄ值，并把ＦｅａｔｕｒｅＩｄ值、转换后的光谱数据和定位信息存储到数据库中，获得一一对应的地理定位信息、土壤属性数据和光谱数据。...

【技术特征摘要】
1.一种智能农机载高光谱采集方法，包括用GPS确定农机的位置，用传感器实时获得作物和农田各种信息，用微型计算机记录、分析信息，发送相应的控制指令，其特征在于1)采用差分GPS25-lvs OEM板定位，差分GPS25-lvs OEM板通过RS-232口或RS-232&USB转换器与微型计算机或笔记本电脑相连，在采集土壤样品时，利用GPS接收机在计算机栅格地图内定位，记录采集点的准确位置，样品采集完后，在实验室对样品进行分析化验，得到相应的土壤属性数据，并添加到该栅格图层中；2)利用拖拉机悬挂光谱仪，采用MSR 16R型便携式光谱仪实现作物冠层高光谱实时监测，光谱仪通过RS-232或RS-232&USB转换器与微型计算机或笔记本电脑相连，利用Visual Basic6.0和pccomm.dll动态链接库，设计串行通讯程序，计算机从光谱仪中读取采集到的作物冠层目标光谱多波段信息，同时从GPS中读取该光谱数据的空间时间信息，并完成相关数据的解析，软件设计中采用事件触发方式监视计算机串口缓冲区，当缓冲区有数据时，会自...

【专利技术属性】
技术研发人员：潘剑君，李志伟，张佳宝，吕雄杰，陈坤杰，
申请(专利权)人：南京农业大学，
类型：发明
国别省市：84[中国|南京]