CN101881725A - 基于反射光谱的大棚作物生长状况自动监测*** - Google Patents
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Abstract
本发明公开的基于反射光谱的大棚作物生长状况自动监测***，包括X、Y、Z方向安装的第一、第二和第三丝杆，三个丝杆上分别套有带螺纹孔的滑块，由步进电机驱动可实现在三维空间任意点的移动。其中在一个丝杆上设置摄像头和反射探头，另有一个丝杆上设置近红外光源、光谱仪、工控机和继电器。该监测***结合反射光谱与图像信息，在远程计算机控制下自动调节反射探头的空间位置，基于作物冠层可见光/近红外反射光谱，计算叶面积指数、水分含量、叶绿素含量等多种指标，从而分析作物的生长状况，为作物生长管理提供参考。整个***结构简单、成本低廉、自动化水平高，实现了快速、无损、全方位、多指标、动态监测作物生长状况的目的。
Description
技术领域
本发明涉及作物生长状况监测***，具体的说是一种用于大棚作物生长状况自动监测的近红外光谱***。
背景技术
精细农业除了要求能精确掌握气候和土壤信息外，需要对农作物生长进行实时全方位的监控，使之能通过肥料、施药等栽培管理手段，进行高效的农业经营与管理，并减少由农业所产生的污染，进而达到提高生产利润、保护生态环境的目标，使农业得以持续、健康的发展。为此，需要对农作物长势(生长状况)进行实时监测，并分析产生不良状况的原因，以便采取相应的措施。作物长势是指作物生长发育过程中的形态相，其强弱一般通过观测植株的叶面积、叶色、叶倾角、株高和茎粗等形态变化进行衡量。在不同的时段或不同的光、温度、水份、CO2和土壤的生长条件下，作物的长势差别显著。
作物的长势监测技术涉及土壤和杂草背景识别、叶面积和株高测量、叶片的形态识别、作物营养信息分析四个方面，而目前对大棚作物长势情况实时监测技术主要包括：机器视觉和光谱技术。机器视觉技术是利用图像传感器获取物体图像后，将图像转换成数字图像，利用计算机模拟人的判别准则进行处理，并且加以理解，达到分析图像和提取被监测物体特征的目的，最终用于实际监测和控制。作物在营养状况发生改变时，植株的高度、直立度以及叶片的颜色、纹理会有一定的变化。这些变化所体现出的信息可以通过摄像机采集，并用计算机进行处理，与正常状态下的数据进行匹配，从而给出监测结果。然而，目前的机器视觉技术在背景识别研究上并没有取得很大的进展，大部分停留在人为环境下的实验，在实际作物复杂背景下，此项技术还不能满足实际生产的要求。
光谱分析技术在作物生长信息获取上的应用越来越多，主要采用近红外光谱和高光谱技术等。高光谱技术已开始用于大田的植被叶绿素含量评价，除了光谱仪自身信噪比不理想外，植被自身物理参数的确定也存在许多困难；另外，所建立的评价模型受植被类型、农作物品种、生育阶段、生长条件以及测量环境等诸多因素的影响，只能适用于特殊的场合。此外，高光谱检测仪器大都从国外引进，价格昂贵。目前，国内多家单位已在研制作物长势光谱信息监测仪样机，但这些监测仪或者功能单一，只能监测单一作物的一种营养状况(如水稻的氮营养)，或者是便携式仪器，需要人工在现场操作，无法方便地对作物进行实时全方位的监测。
为适应精细农业的实际需求，研制出我国自己的价廉物美、简单实用、可以应用于小规模种植作物的实时动态监测***，并实现对作物叶面积指数、水分、叶绿素密度等参数的全方位监测，将具有十分重要的意义。
发明内容
本发明的目的是提供一种低成本、简单实用的基于反射光谱自动进行无损监测大棚农作物生长状况的***，通过获取作物冠层反射光谱和图片信息，了解作物生长状况和为作物管理提供依据。
本发明的基于反射光谱的大棚作物生长状况自动监测***，X、Y、Z方向安装的第一丝杆、第二丝杆和第三丝杆，第一丝杆设置在轨道槽中，第一丝杆的一端与第一步进电机的转轴相连，在第一丝杆上套有带螺纹孔的第一滑块，第一滑块与设备箱底部固定，在设备箱的上表面固定第二步进电机，第二步进电机的转轴与竖立的第二丝杆的一端相连，第二丝杆另一端的支撑架上安装照明灯，第二丝杆上套有带螺纹孔的第二滑块，在第二滑块上固定第三步进电机，第三步进电机的转轴与水平的第三丝杆的一端相连，在第三丝杆另一端的支撑架上安装摄像头，第三丝杆上套有带螺纹孔的第三滑块，在第三滑块上固定反射探头，上述设备箱内设有电源、近红外光源、光谱仪、工控机和继电器，反射探头通过光纤接口与光谱仪的输入端以及近红外光源相连，工控机的一个信号端与光谱仪的输出端以及近红外光源相连，工控机的另一个信号端经通讯口与远程计算机相连，工控机的一个输出端与继电器的输入端连接，继电器的输出端与摄像头和照明灯连接，工控机的另一个输出端经步进电机驱动器分别与第一、第二和第三步进电机相连。
在远程计算机里设定好本自动监测***在水平平面坐标x，y上的检测路线以及移动步长，保证监测点能覆盖作物冠层的整个平面。摄像头照射在目标检测点区域，远程计算机向工控机发送控制第一和第三步进电机的运行信号，使反射探头移到设定路线的检测位置，摄像头从大棚现场向远程计算机传回图像信息并在计算机上显示，远程计算机从这些图像中提取对应坐标的信息，确定该坐标下的目标检测物为作物而不是土壤，然后向工控机发送控制第二步进电机的运行转动信号，推动水平横杆向下移动，使反射探头到达合适的检测位置。接着，远程控制计算机发送信号通过继电器关闭照明灯，近红外光源发射出包含可见光(400～700nm)和近红外(700～1000nm)出射光，经过光纤由反射探头照射到目标检测物，检测物的反射光由反射探头接收并经光纤传输送入光谱仪，光谱仪对光信号进行分光、转变为电信号通过工控机发送到远程计算机，计算机对获取的光谱数据进行显示、保存并在分析***软件进行数据预处理和定性/定量分析。三个步进电机保证了监测***可以在三维空间中对作物区进行任意点检测。
本发明的优点在于：操作简单，测量直接在作物叶片表面完成，通过获取作物冠层反射光谱和图片信息，了解作物生长状况的多种指标(叶面积指数、水分含量和叶绿素密度)，实现了快速无损监测作物生长的目的；***结构简单，成本低廉，使得其可以在国内大棚的作物生长状况监测中大量推广；***自动化水平高，采用摄像头就能识别背景差异很大的土壤和作物，然后结合反射光谱识别确定目标检测物和合适的反射探头检测高度，克服了单纯采用机器视觉或光谱方法监测作物生长状况的局限性，提高了监测的准确性与可靠性。
附图说明
图1是本发明构成示意图；
图2是第一步进电机连接示意图；
图中：1-轨道，2-摄像头，3-照明灯，4-第一步进电机，5-第二步进电机，6-第三步进电机，7设备箱，8-远程计算机，9-反射探头，10-第一丝杆，11-第二丝杆，12-第三丝杆，13-第一滑块，14-第二滑块，15-第三滑块，70-电源，71-近红外光源，72-光谱仪，73-工控机，74-继电器，75-光纤接口，76-通讯口，77-步进电机驱动器。
具体实施方式
下面结合附图进一步说明本发明。
参照图1、图2，本发明的基于反射光谱的大棚作物生长状况自动监测***，包括X、Y、Z方向安装的第一丝杆10、第二丝杆11和第三丝杆12，第一丝杆10设置在轨道1槽中，第一丝杆10的一端与第一步进电机4的转轴相连，在第一丝杆10上套有带螺纹孔的第一滑块13，第一滑块13与设备箱7底部固定，在设备箱7的上表面固定第二步进电机5，第二步进电机5的转轴与竖立的第二丝杆11的一端相连，第二丝杆11另一端的支撑架上安装照明灯3，第二丝杆11上套有带螺纹孔的第二滑块14，在第二滑块14上固定第三步进电机6，第三步进电机6的转轴与水平的第三丝杆12的一端相连，在第三丝杆12另一端的支撑架上安装摄像头2，第三丝杆12上套有带螺纹孔的第三滑块15，在第三滑块15上固定反射探头9，上述设备箱7内设有电源70、近红外光源71、光谱仪72、工控机73和继电器74，反射探头9通过光纤接口75与光谱仪72的输入端以及近红外光源71相连，工控机73的一个信号端与光谱仪72的输出端以及近红外光源71相连，工控机73的另一个信号端经通讯口76与远程计算机8相连，工控机73的一个输出端与继电器74的输入端连接，继电器74的输出端与摄像头2和照明灯3连接，工控机73的另一个输出端经步进电机驱动器77分别与第一、第二和第三步进电机4、5和6相连。
工控机可采用研华公司的UNO-2170工控机。
Claims (1)
1.基于反射光谱的大棚作物生长状况自动监测***，其特征是包括X、Y、Z方向安装的第一丝杆(10)、第二丝杆(11)和第三丝杆(12)，第一丝杆(10)设置在轨道(1)槽中，第一丝杆(10)的一端与第一步进电机(4)的转轴相连，在第一丝杆(10)上套有带螺纹孔的第一滑块(13)，第一滑块(13)与设备箱(7)底部固定，在设备箱(7)的上表面固定第二步进电机(5)，第二步进电机(5)的转轴与竖立的第二丝杆(11)的一端相连，第二丝杆(11)另一端的支撑架上安装照明灯(3)，第二丝杆(11)上套有带螺纹孔的第二滑块(14)，在第二滑块(14)上固定第三步进电机(6)，第三步进电机(6)的转轴与水平的第三丝杆(12)的一端相连，在第三丝杆(12)另一端的支撑架上安装摄像头(2)，第三丝杆(12)上套有带螺纹孔的第三滑块(15)，在第三滑块(15)上固定反射探头(9)，上述设备箱(7)内设有电源(70)、近红外光源(71)、光谱仪(72)、工控机(73)和继电器(74)，反射探头(9)通过光纤接口(75)与光谱仪(72)的输入端以及近红外光源(71)相连，工控机(73)的一个信号端与光谱仪(72)的输出端以及近红外光源(71)相连，工控机(73)的另一个信号端经通讯口(76)与远程计算机(8)相连，工控机(73)的一个输出端与继电器(74)的输入端连接，继电器(74)的输出端与摄像头(2)和照明灯(3)连接，工控机(73)的另一个输出端经步进电机驱动器(77)分别与第一、第二和第三步进电机(4、5、6)相连。
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