CN104238523A - 基于图像采集的农药喷洒平台 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于图像采集的农药喷洒平台，包括定位子***、图像处理子***、农药喷洒子***和计算机控制子***，定位子***用于将无人机定位到目标喷洒区域，图像处理子***用于对目标喷洒区域的农作物生长状况执行图像采集，对采集到的农作物图像执行图像处理，计算机控制子***与定位子***、图像处理子***和农药喷洒子***分别连接，控制定位子***的定位，并根据图像处理子***的图像处理结果控制农药喷洒子***的农药喷洒。通过本发明，能够实现大面积高效率的农药喷洒，同时能够根据喷洒区域农作物的生长状况自适应地控制喷洒的农药剂量，便于农业部门的操纵和管理。

Description

基于图像采集的农药喷洒平台

技术领域

本发明涉及农药喷洒管理领域，尤其涉及一种基于图像采集的农药喷洒平台。

背景技术

农药喷洒是否有效，直接决定了农作物是否能够正常生长，耕耘者是否能够获得丰收。但是农药的施用也会带来农田环境恶化、操作人员身心损害的不良后果。因此，如何实现农药的适量喷洒，是各地农业管理部门迫切需要解决的问题之一。

现有技术中，农药的喷洒主要采用人工模式，基于所看到的农作物生长情况，凭借操作人员的历史经验，确定每一个农田位置的喷洒剂量，这样，对操作人员的要求比较高，达到的也是一种模糊控制的效果，同时，人工模式的喷药，不能适用于大面积农田的快速作业，还会为操作人员的健康造成危害。

因此，需要一种新型农业喷洒模式，替代现有的人工模式，依靠机械作为载体，对农田进行快速喷洒，而且，基于农田中农作物的生长情况确定喷洒剂量，对农田进行有效喷洒，避免操作人员与农药直接接触，在保障农作物免于害虫糟蹋的同时，减少对农田的化学污染。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了一种基于图像采集的农药喷洒平台，将农药喷洒***设置在无人机平台上，引入无线电通信设备、导航设备和高度检测设备将无人机控制到预定空域中，引入摄像设备和图像处理设备对目标区域的农作物生长情况进行分析，基于图像分析结果确定喷洒设备剂量，从而提高整个农药喷洒***的喷洒效率和喷洒面积。

根据本发明的一方面，提供了一种基于图像采集的农药喷洒平台，所述平台包括定位子***、图像处理子***、农药喷洒子***和计算机控制子***，所述定位子***用于将所述无人机定位到目标喷洒区域，所述图像处理子***用于对所述目标喷洒区域的农作物生长状况执行图像采集，对采集到的农作物图像执行图像处理，所述计算机控制子***与所述定位子***、所述图像处理子***和所述农药喷洒子***分别连接，控制所述定位子***的定位，并根据所述图像处理子***的图像处理结果控制所述农药喷洒子***的农药喷洒。

更具体地，所述基于图像采集的农药喷洒平台中，所述定位子***还包括，无线电收发设备，连接当地农业局管理平台以接收所述目标喷洒区域，并向所述当地农业局管理平台返回状态信息，所述目标喷洒区域包括目标北斗星导航位置和目标高度，所述状态信息包括无人机的实时北斗星导航位置、无人机的当前高度和剩余农药剂量；北斗星导航设备，用于接收北斗星导航卫星发送的无人机的实时北斗星导航位置；高度检测设备，包括无线电发射机、无线电接收机和计算装置，所述计算装置与所述无线电发射机和所述无线电接收机分别连接，所述无线电发射机向地面发射无线电波，所述无线电接收机接收地面反射的无线电波，所述计算装置根据所述无线电发射机的发射时间、所述无线电接收机的接收时间和无线电波传播速度计算无人机的当前高度，所述无线电波传播速度为光速；所述图像处理子***还包括，航空摄像设备，用于对所述目标喷洒区域的农作物生长状况执行图像采集，以捕获所述农作物图像；图像划分设备，连接所述航空摄像设备以接收所述农作物图像，计算所述农作物图像中每一个像素的绿色分量值在亮度值中所占的比例数值，当所述比例数值大于所述预置比例阈值时，所述比例数值对应的像素为绿色像素，当所述比例数值小于等于所述预置比例阈值时，所述比例数值对应的像素为非绿色像素，基于绿色像素和非绿色像素将所述农作物图像，以输出二值化喷洒图像；图像滤波设备，连接所述图像划分设备以接收所述二值化喷洒图像，基于中值滤波算法对所述二值化喷洒图像滤波，以获得二值化平滑喷洒图像；所述农药喷洒子***还包括，农药喷头，用于对所述目标喷洒区域的农作物喷洒农药；流量控制器，连接所述农药喷头，用于实时控制所述农药喷头的喷洒速率；农药储存容器，连接所述农药喷头，用于容纳当地农业局管理平台预先调制的农药；农药剩余容量检测器，位于所述农药储存容器中，通过检测剩余农药在所述农药储存容器中的高度，计算剩余农药剂量；所述计算机控制子***还包括，存储设备，用于存储用户设定的预置比例阈值和比例速率对照表，所述比例速率对照表列举了图像中绿色比例与所述农药喷头的喷洒速率的一一对照关系，所述绿色比例为图像中绿色像素数量占据总像素数量的比例；控制设备，连接所述无线电收发设备、所述北斗星导航设备、所述高度检测设备、所述航空摄像设备、所述图像划分设备、所述图像滤波设备、所述流量控制器、所述农药剩余容量检测器和所述存储设备，当所述实时北斗星导航位置与所述目标北斗星导航位置一致且所述当前高度与所述目标高度一致时，启动农药喷洒自动控制模式；其中，在所述农药喷洒自动控制模式中，所述控制设备启动所述航空摄像设备、所述图像划分设备和所述图像滤波设备，计算所述二值化平滑喷洒图像中的绿色比例，基于所述绿色比例在所述比例速率对照表中查找对应的喷洒速率，将所述对应的喷洒速率发送给所述流量控制器；所述控制设备将接收到的所述实时北斗星导航位置、所述无人机的当前高度和所述剩余农药剂量转发给所述无线电收发设备。

更具体地，所述基于图像采集的农药喷洒平台还包括，用户输入设备，位于所述计算机控制子***中并连接所述存储设备，用于接收用户设定的预置比例阈值和比例速率对照表。

更具体地，所述基于图像采集的农药喷洒平台还包括，喷杆，位于所述农药喷洒子***中，用于固定所述农药喷头。

更具体地，所述基于图像采集的农药喷洒平台中，将所述定位子***和所述图像处理子***集成在一块工业控制卡上。

更具体地，所述基于图像采集的农药喷洒平台中，所述航空摄像设备为线阵数码航空摄影机，包括减震底架、前盖玻璃、镜头、滤镜和成像电子单元，所述镜头为150毫米的广角镜头。

附图说明

以下将结合附图对本发明的实施方案进行描述，其中：

图1为根据本发明实施方案示出的基于图像采集的农药喷洒平台的结构方框图。

具体实施方式

下面将参照附图对本发明的基于图像采集的农药喷洒平台的实施方案进行详细说明。

农药广义的定义是指用于预防、消灭或者控制危害农业、林业的病、虫、草和其他有害生物以及有目的地调节植物、昆虫生长的化学合成或者来源于生物、其他天然物质的一种物质或者几种物质的混合物及其制剂。农药，是指在农业生产中，为保障、促进植物和农作物的成长，所施用的杀虫、杀菌、杀灭有害动物(或杂草)的一类药物统称。特指在农业上用于防治病虫以及调节植物生长、除草等药剂。

农药根据原料来源可分为有机农药、无机农药、植物性农药、微生物农药。此外，还有昆虫激素。根据加工剂型可分为粉剂、可湿性粉剂、可溶性粉剂、乳剂、乳油、浓乳剂、乳膏、糊剂、胶体剂、熏烟剂、熏蒸剂、烟雾剂、油剂、颗粒剂和微粒剂等。大多数是液体或固体，少数是气体。

最早使用的农药有滴滴涕、六六六等，它们能大量消灭害虫。但它们的稳定性好，能在环境中长期存在，并在动植物及人体中不断积累，为此被淘汰。后来改用有机磷农药，如敌敌畏等，替代最初的农药。然而它们的毒性太大，对人畜的危害很大。近年来，一批高效低毒的农药出现，现在人们已经找到了具有专一性的农药，即激素类农药。

但是，即使使用高效低毒的农药，以当前主要的人工喷洒模式长期使用后，仍存在以下弊端：(1)无法根据农作物的实地情况确定喷洒剂量，导致一些农作物较多的区域，喷洒农药相对较少，达不到根治害虫的效果，而在一些农作物较少的区域，喷洒农药相对较多，影响农作物的品质，污染了当地农田环境；(2)人工操作下，操作人员长期接触农药，人身损害不可避免；(3)采用人工推进的喷洒方式，推进速度慢，无法进行大面积农田的快速喷药。

本发明的基于图像采集的农药喷洒平台，以无人机为喷洒载体，避免人员的直接接触，提高农药喷洒的推进速度，采用图像分析的方式，根据农作物实际情况自适应确定农药的喷洒速率，另外，无人机的定位子***帮助农药喷洒平台快速到达目标区域，从而提高了农药喷洒的效率，保证了操作人员的人身安全。

图1为根据本发明实施方案示出的基于图像采集的农药喷洒平台的结构方框图，如图1所示，所述平台包括定位子***1、图像处理子***2、农药喷洒子***3和计算机控制子***4，所述定位子***1用于将所述无人机定位到目标喷洒区域，所述图像处理子***2用于对所述目标喷洒区域的农作物生长状况执行图像采集，对采集到的农作物图像执行图像处理，所述计算机控制子***4与所述定位子***1、所述图像处理子***2和所述农药喷洒子***3分别连接，控制所述定位子***1的定位，并根据所述图像处理子***2的图像处理结果控制所述农药喷洒子***3的农药喷洒。

接着，对本发明的基于图像采集的农药喷洒平台的具体结构进行进一步的说明。

在所述基于图像采集的农药喷洒平台中，所述定位子***1还包括，无线电收发设备，连接当地农业局管理平台以接收所述目标喷洒区域，并向所述当地农业局管理平台返回状态信息，所述目标喷洒区域包括目标北斗星导航位置和目标高度，所述状态信息包括无人机的实时北斗星导航位置、无人机的当前高度和剩余农药剂量；北斗星导航设备，用于接收北斗星导航卫星发送的无人机的实时北斗星导航位置；高度检测设备，包括无线电发射机、无线电接收机和计算装置，所述计算装置与所述无线电发射机和所述无线电接收机分别连接，所述无线电发射机向地面发射无线电波，所述无线电接收机接收地面反射的无线电波，所述计算装置根据所述无线电发射机的发射时间、所述无线电接收机的接收时间和无线电波传播速度计算无人机的当前高度，所述无线电波传播速度为光速。

所述图像处理子***2还包括，航空摄像设备，用于对所述目标喷洒区域的农作物生长状况执行图像采集，以捕获所述农作物图像；图像划分设备，连接所述航空摄像设备以接收所述农作物图像，计算所述农作物图像中每一个像素的绿色分量值在亮度值中所占的比例数值，当所述比例数值大于所述预置比例阈值时，所述比例数值对应的像素为绿色像素，当所述比例数值小于等于所述预置比例阈值时，所述比例数值对应的像素为非绿色像素，基于绿色像素和非绿色像素将所述农作物图像，以输出二值化喷洒图像；图像滤波设备，连接所述图像划分设备以接收所述二值化喷洒图像，基于中值滤波算法对所述二值化喷洒图像滤波，以获得二值化平滑喷洒图像。

所述农药喷洒子***3还包括，农药喷头，用于对所述目标喷洒区域的农作物喷洒农药；流量控制器，连接所述农药喷头，用于实时控制所述农药喷头的喷洒速率；农药储存容器，连接所述农药喷头，用于容纳当地农业局管理平台预先调制的农药；农药剩余容量检测器，位于所述农药储存容器中，通过检测剩余农药在所述农药储存容器中的高度，计算剩余农药剂量。

所述计算机控制子***4还包括，存储设备，用于存储用户设定的预置比例阈值和比例速率对照表，所述比例速率对照表列举了图像中绿色比例与所述农药喷头的喷洒速率的一一对照关系，所述绿色比例为图像中绿色像素数量占据总像素数量的比例；控制设备，连接所述无线电收发设备、所述北斗星导航设备、所述高度检测设备、所述航空摄像设备、所述图像划分设备、所述图像滤波设备、所述流量控制器、所述农药剩余容量检测器和所述存储设备，当所述实时北斗星导航位置与所述目标北斗星导航位置一致且所述当前高度与所述目标高度一致时，启动农药喷洒自动控制模式。

其中，在所述农药喷洒自动控制模式中，所述控制设备启动所述航空摄像设备、所述图像划分设备和所述图像滤波设备，计算所述二值化平滑喷洒图像中的绿色比例，基于所述绿色比例在所述比例速率对照表中查找对应的喷洒速率，将所述对应的喷洒速率发送给所述流量控制器；所述控制设备将接收到的所述实时北斗星导航位置、所述无人机的当前高度和所述剩余农药剂量转发给所述无线电收发设备。

其中，所述农药喷洒平台还可以包括用户输入设备，位于所述计算机控制子***4中并连接所述存储设备，用于接收用户设定的预置比例阈值和比例速率对照表。所述农药喷洒平台还可以包括喷杆，位于所述农药喷洒子***中，用于固定所述农药喷头。可选择将所述定位子***1和所述图像处理子***2集成在一块工业控制卡上，将所述工业控制卡与所述计算机控制子***4连接。所述航空摄像设备可选为线阵数码航空摄影机，包括减震底架、前盖玻璃、镜头、滤镜和成像电子单元，所述镜头为150毫米的广角镜头。

另外，中值滤波器是一种非线性数字滤波器技术，经常用于去除图像或者其它信号中的噪声。中值滤波器的设计思想就是检查输入信号中的采样并判断它是否代表了信号，使用奇数个采样组成的观察窗实现这项功能。观察窗口中的数值进行排序，位于观察窗中间的中值作为输出，然后，丢弃最早的值，取得新的采样，重复上面的计算过程。

在图像处理中，在进行如边缘检测这样的进一步处理之前，通常需要首先进行一定程度的降噪。中值滤波是图像处理中的一个常用步骤，它对于斑点噪声和椒盐噪声来说尤其有用。保存边缘的特性使它在不希望出现边缘模糊的场合也很有用。

另外，北斗卫星导航***是中国正在实施的自主发展、独立运行的全球卫星导航***。***建设目标是：建成独立自主、开放兼容、技术先进、稳定可靠的覆盖全球的北斗卫星导航***，促进卫星导航产业链形成，形成完善的国家卫星导航应用产业支撑、推广和保障体系，推动卫星导航在国民经济社会各行业的广泛应用，北斗卫星导航***由空间段、地面段和用户段三部分组成，空间段包括5颗静止轨道卫星和30颗非静止轨道卫星，地面段包括主控站、注入站和监测站等若干个地面站，用户段包括北斗用户终端以及与其他卫星导航***兼容的终端。

采用本发明的基于图像采集的农药喷洒平台，针对现有农药喷洒模式喷洒效率低、对操作人员伤害大、推进速度慢的技术问题，使用无人机作为农药喷洒推进载体，极大地提高了农药喷洒的速度，并基于图像采集的结果判定农药喷洒的剂量，从而实现农药的自动喷洒，整个过程无需人员实地介入，适合大面积农田的农业操作。

可以理解的是，虽然本发明已以较佳实施例披露如上，然而上述实施例并非用以限定本发明。对于任何熟悉本领域的技术人员而言，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (6)

1.一种基于图像采集的农药喷洒平台，所述平台位于无人机上，其特征在于，所述平台包括定位子***、图像处理子***、农药喷洒子***和计算机控制子***，所述定位子***用于将所述无人机定位到目标喷洒区域，所述图像处理子***用于对所述目标喷洒区域的农作物生长状况执行图像采集，对采集到的农作物图像执行图像处理，所述计算机控制子***与所述定位子***、所述图像处理子***和所述农药喷洒子***分别连接，控制所述定位子***的定位，并根据所述图像处理子***的图像处理结果控制所述农药喷洒子***的农药喷洒。

2.如权利要求1所述的基于图像采集的农药喷洒平台，其特征在于：

所述定位子***还包括：

无线电收发设备，连接当地农业局管理平台以接收所述目标喷洒区域，并向所述当地农业局管理平台返回状态信息，所述目标喷洒区域包括目标北斗星导航位置和目标高度，所述状态信息包括无人机的实时北斗星导航位置、无人机的当前高度和剩余农药剂量；

北斗星导航设备，用于接收北斗星导航卫星发送的无人机的实时北斗星导航位置；

高度检测设备，包括无线电发射机、无线电接收机和计算装置，所述计算装置与所述无线电发射机和所述无线电接收机分别连接，所述无线电发射机向地面发射无线电波，所述无线电接收机接收地面反射的无线电波，所述计算装置根据所述无线电发射机的发射时间、所述无线电接收机的接收时间和无线电波传播速度计算无人机的当前高度，所述无线电波传播速度为光速；

所述图像处理子***还包括：

航空摄像设备，用于对所述目标喷洒区域的农作物生长状况执行图像采集，以捕获所述农作物图像；

图像划分设备，连接所述航空摄像设备以接收所述农作物图像，计算所述农作物图像中每一个像素的绿色分量值在亮度值中所占的比例数值，当所述比例数值大于所述预置比例阈值时，所述比例数值对应的像素为绿色像素，当所述比例数值小于等于所述预置比例阈值时，所述比例数值对应的像素为非绿色像素，基于绿色像素和非绿色像素将所述农作物图像，以输出二值化喷洒图像；

图像滤波设备，连接所述图像划分设备以接收所述二值化喷洒图像，基于中值滤波算法对所述二值化喷洒图像滤波，以获得二值化平滑喷洒图像；

所述农药喷洒子***还包括：

农药喷头，用于对所述目标喷洒区域的农作物喷洒农药；

流量控制器，连接所述农药喷头，用于实时控制所述农药喷头的喷洒速率；

农药储存容器，连接所述农药喷头，用于容纳当地农业局管理平台预先调制的农药；

农药剩余容量检测器，位于所述农药储存容器中，通过检测剩余农药在所述农药储存容器中的高度，计算剩余农药剂量；

所述计算机控制子***还包括：

存储设备，用于存储用户设定的预置比例阈值和比例速率对照表，所述比例速率对照表列举了图像中绿色比例与所述农药喷头的喷洒速率的一一对照关系，所述绿色比例为图像中绿色像素数量占据总像素数量的比例；

控制设备，连接所述无线电收发设备、所述北斗星导航设备、所述高度检测设备、所述航空摄像设备、所述图像划分设备、所述图像滤波设备、所述流量控制器、所述农药剩余容量检测器和所述存储设备，当所述实时北斗星导航位置与所述目标北斗星导航位置一致且所述当前高度与所述目标高度一致时，启动农药喷洒自动控制模式；

其中，在所述农药喷洒自动控制模式中，所述控制设备启动所述航空摄像设备、所述图像划分设备和所述图像滤波设备，计算所述二值化平滑喷洒图像中的绿色比例，基于所述绿色比例在所述比例速率对照表中查找对应的喷洒速率，将所述对应的喷洒速率发送给所述流量控制器；

其中，所述控制设备将接收到的所述实时北斗星导航位置、所述无人机的当前高度和所述剩余农药剂量转发给所述无线电收发设备。

3.如权利要求2所述的基于图像采集的农药喷洒平台，其特征在于，所述平台还包括：

用户输入设备，位于所述计算机控制子***中并连接所述存储设备，用于接收用户设定的预置比例阈值和比例速率对照表。

4.如权利要求2所述的基于图像采集的农药喷洒平台，其特征在于，所述平台还包括：

喷杆，位于所述农药喷洒子***中，用于固定所述农药喷头。

5.如权利要求2所述的基于图像采集的农药喷洒平台，其特征在于：

将所述定位子***和所述图像处理子***集成在一块工业控制卡上。

6.如权利要求2所述的基于图像采集的农药喷洒平台，其特征在于：

所述航空摄像设备为线阵数码航空摄影机，包括减震底架、前盖玻璃、镜头、滤镜和成像电子单元，所述镜头为150毫米的广角镜头。