一种设施作物生长信息无损检测装置和方法

专利名称：一种设施作物生长信息无损检测装置和方法
技术领域：
本发明涉及一种设施作物生长信息无损检测装置和方法，属于设施作物监测技术领域。特指利用设施作物的可见光-近红外反射光谱、多光谱图像、冠层温度、冠层光照、环境温湿度和荷重传感器进行作物生长信息的无损检测，能够通过光谱、视觉图像、红外温度探测等多种无损探测技术的有机融合，结合作物生长的光照和温湿度环境监测，全方位同步获取设施作物的氮、磷、钾、水分和冠层面积、茎粗、株高、果实质量等作物生长的综合信息，通过该装置提供的信息，能够根据设施作物的生长状态和动态需求，进行水肥管理和设施环境调控。
背景技术：
设施作物生长信息是指包括作物的主要营养元素水平、水分、茎果叶长势等的综
合fe息。我国设施园艺总面积世界第一，其中代表设施园艺现代化水平的大型连栋温室面积的比例逐年增加。但是由于缺乏先进适用的设施作物需肥需水信息与长势信息检测系统，无法对作物的营养水份、长势信息进行全面、精确的检测和解析，无法感知和反映作物生长真实的调控要求，造成作物产量潜力没有被充分挖掘。而要获得高产优质的产品和高经济效益的回报，就必须依据作物的实际需求，通过获取一系列的作物生长信息，并对生长信息进行综合评价，根据评价结果进行水肥管理和环境调控。因此，迫切需要应用更加全面、系统、科学的作物生长信息检测装置，指导现代设施的生产运行，以提高产量，降低调控成本，减少过量施肥造成的浪费和面源污染，提高经济效益。设施作物生长信息无损检测主要包括作物氮磷钾营养、水分等养分检测和冠层面积、茎粗、株高、植株生长速率、果实质量和生长速率等长势信息检测两个方面。由于作物营养和水分缺乏和过剩时，会引起作物叶片表面和内部组织生理特性改变，从而引起作物叶片和冠层对光谱的反射特性和图像特征发生改变。同时，作物的水分胁迫状态与其冠层温度显著相关，通过对不同饱和水汽压下冠-气温差(冠层温度与环境温度之差)变化规律的分析，可以对植株的水分信息进行无损检测。而作物的冠层面积、茎粗、株高、果实外观等长势信息也可以通过图像方法进行获取。目前，作物营养、水分检测方面已有一些相关研究。作物营养缺乏和过剩会引起作物光谱反射特性的改变。基于这一原理，在光谱检测方面，申请号为200510088935. 0的发明专利申请，公开了一种便携式植物氮素和水分含量的无损检测方法及测量仪器，通过检测植株叶片在四个特征波长处的光谱反射强度信息来进行植物的营养诊断，利用对四个波长植被指数的反演来获取植物的氮素和含水率信息。申请号为200820078489. 4的实用新型专利申请，公开了一种氮反射指数检测仪，利用作物叶片在两个特定波长处的光谱反射信息作为氮反射指数，进而推断作物的产量和品质。申请号为200510088935. 0的发明专利申请，公开了一种植物叶片生理指标的无损检测方法，可以利用380 IlOOnm的光谱反射信息对叶绿素、叶黄素，氮素和水分等进行检测。在申请号为200410048127. 7的发明专利CN 102384767 A
说明书
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申请，公开了一种基于自然光照反射光谱的黄瓜叶片含氮量预测方法，可以通过黄瓜叶片在指定波长处的光谱反射强度得出叶片的反射植被指数，进而判断其氮素水平。目前，作物营养和水分等养分信息光谱诊断的专利所涉及的研究方法，主要是利用植物叶片在某些特定波长处的光谱反射率及其组合信息对作物的营养进行检测，也就是说，通过对单个叶片的光谱反射率分析，进而推断单个植株的营养状况，并据此分析区域内植物的群体营养水平。而仅仅利用植物的叶片信息，无法充分表征整株植物的营养状态，因此，通过单个叶片来推知作物的营养水平则会造成很大的误差。因此，基于冠层水平的营养诊断方法才能真正满足需要。另外，由于光谱信息采集采用的是点源采样方式，对采样点要求较高，且易受背景和环境因素的影响，因此，仅利用作物的反射光谱信息进行营养和水分检测误差较大。作物营养的视觉图像检测是根据作物营养缺乏所引起的物理特性变化，利用图像传感器获取与营养水平有关的作物颜色(灰度)、纹理等特征。在视觉图像检测方面，申请号为200710069116.0的发明专利，公开了一种多光谱成像技术快速无损测量茶树含氮量的方法。申请号为200510062298. X的发明专利申请和申请号为200520134360. 7的实用新型专利申请，公布了一种油菜氮素营养多光谱图像诊断方法及诊断系统。上述系统均采用 3CCD多光谱摄像系统作为视觉采集装置，在计算机控制下，通过3CCD多光谱摄像系统采集植株冠层多光谱图像信息，能够非破坏性的诊断植株的氮素营养状况。此类系统虽然能够通过对植株冠层多光谱图像的颜色和纹理特征的分析，来诊断植物的氮营养状况，但由于植株营养彼此之间存在着交互作用，尤其是氮素和水分之间存在明显的正交互作用，而此类系统无法对植株的水分胁迫信息进行检测，因此在无法确知水分信息的情况下，氮素的检测也会受到一定的影响。且3CCD多光谱摄像系统仅能获取特定波长的多光谱图像信息， 很难对作物营养特征进行准确有效的提取和筛选，因此，只有采用光谱分辨率更高的可变波长的多光谱或超光谱成像系统才能准确获取作物的养分信息，提高营养检测精度。在利用冠层温度进行作物水分检测方面。申请号为200710178192. 5的发明专利申请和申请号为200720190401.3的实用新型专利申请，公开了一种在线式作物冠气温差灌溉决策监测系统，通过一组高速云台内部安装的红外冠层温度传感器和支架立杆上设置的环境温度传感器等监测装置，可以实现对小区内作物的冠层温度的监测。但由于基于冠气温差的水分胁迫指数指标只能表明水分胁迫的趋势，无法对植株的含水率进行定量评价，且水分胁迫指数受环境温湿度的影响较大，必须利用同步采集的环境信息进行实时修正。因此，仅采用单一冠气温差信息进行植株的水分监测，只能进行趋势判断，因此，必须引进如近红外反射光谱和图像信息等多种特征，并对环境因子进行实时修正，才能提高植株水分检测的精度。在作物的长势检测方面，申请号为200610097576. X的发明专利申请，公开了一种嵌入式农业植物生长状态监测仪及其工作方法，可以对作物生长的环境温湿度、茎粗、株高、土壤粘度和酸碱度进行探测，该系统仅通过茎粗、株高判断作物长势，且缺少动态的作物生长评价模型，因此难以对作物长势做出全面科学的评价。申请号为200410014648. 0的发明专利申请公开了一种用于农作物生长监测及营养施肥处方生成装置和方法，该发明采用摄像机来获取作物的茎、叶、花、果、皮图像信息，利用营养成分检测仪获取农作物和土壤营养信息进行检测，由于摄像机仅能获取可见光合成图像，难以对作物的氮磷钾营养和水分特征进行精确分析，营养成分检测仪虽然可以获取作物的营养信息，但其取样和检测方式会对作物造成损害。目前作物的生长信息的无损检测主要基于光谱和图像技术。光谱技术可以较便捷获得含氮量、含水率与光谱反射率或其演生量的关系；可见光或近红外视觉图像颜色(灰度)、纹理、形态特征在一定程度上也能表征作物营养水平、水分胁迫、叶面积、茎果叶等信息，作物的冠-气温差与水分胁迫也显著相关。但仅光谱、图像和冠层温度单一检测方法， 获取营养或水分或叶面积指数、茎干、果重等孤立信息，很难对作物生长状态做出全面、系统、科学的判断。且营养之间、营养与水分之间具有交互作用，检测过程受作物冠层结构、土壤背景光谱及大气窗口、温湿度等环境因子的影响较大，因此，仅仅用光谱技术，或可见光视觉图像、或近红外视觉图像、或植株的冠气温差等单一探测技术不足以准确、全面反映作物营养、水分和长势等生长信息。综上所述，设施生产中急需一种能够融合多种无损检测技术，综合运用多种信息对作物营养、水分和长势等生长信息进行快速提取，准确分析和科学评价的设施作物生长信息检测装置，科学指导设施环境调控和水肥管理，提高农产品的品质和产量，降低设施环境调控的成本，以提高经济效益，实现我国设施园艺的跨越式发展。

发明内容
本发明的目的是提供一种基于多传感信息融合技术的，能够充分利用设施作物的可见光-近红外反射光谱、多光谱图像、冠层温度、冠层光照、环境温湿度等多种有效信息， 对作物的营养、水分水平和长势信息进行综合判断和科学评价的设施作物生长信息快速无损检测系统，为现代设施环境调控和水肥管理提供科学依据。为实现上述目的，本发明一种设施作物生长信息无损检测装置和方法采用以下技术方案
一种设施作物生长信息无损检测装置，包括电控机械摇臂、生长信息传感系统和控制计算机三个部分，其中生长信息传感系统和控制计算机安装在电控机械摇臂上；
其中电控机械摇臂包括三脚架、垂直升降杆、水平移动杆、电控云台A和电控云台B;其中三脚架安装在电控机械摇臂的底部，其底端安装有三个万向轮，三脚架上端中心有固定内螺纹孔，下端中心有轴套，套接安装垂直升降杆；垂直升降杆为丝杠结构，其顶端通过十字连接件连接水平移动杆；水平移动杆为丝杠结构，位于垂直升降杆的顶端和电控机械摇臂的最上方；所述电控云台A通过内螺纹滑块安装在水平移动杆的丝杠上，电控云台B通过内螺纹滑块安装在垂直升降杆的丝杆上。其中生长信息传感系统包括多传感器单元、数据采集卡和光源，多传感器单元安装在电控机械摇臂的电控云台A和电控云台B上；光源安装在电控云台A上，位于多传感器单元的正下方；数据采集卡与多传感器单元连接，安装所述电控机械摇臂的三脚架上方。其中控制计算机安装在电控机械摇臂的三脚架上方，与数据采集卡、运动控制卡和多光谱成像仪A、多光谱成像仪B通过USB总线相连。本发明中所述多传感器单元包括由多光谱成像仪A、多光谱成像仪B、红外温度探测器A、红外温度探测器B、红外温度探测器C、辐照度传感器、温湿度传感器、荷重传感器、 遮光罩和标尺；其中多光谱成像仪A、红外温度探测器A、红外温度探测器B、辐照度传感器、 温湿度传感器、遮光罩安装在所述电控机械摇臂的电控云台A上，固定在电控云台A的下方，处于俯视位置；所述多光谱成像仪B、红外温度探测器C安装在电控机械摇臂的电控云台B上，固定在电控云台B的左侧，处于侧视位置；所述荷重传感器位于检测样本果实的下方，通过支撑杆垂直固定在温室土槽中；所述标尺固定在检测样本旁垂直与地面，与检测样本平行。本发明一种设施作物生长信息无损检测方法，按照下述步骤进行
(1)利用多光谱成像仪A和多光谱成像仪B，采集检测样本的俯视和侧视视场的可见光-近红外反射光谱和多光谱图像，并通过USB总线上传控制计算机，据此可判断检测样本的氮、磷、钾营养水平和冠层面积、果实形态信息；
(2 )利用红外温度探测器A、红外温度探测器B、红外温度探测器C采集检测样本的冠层温度信息；利用荷重传感器，采集检测样本的果实质量信息；利用辐照度传感器和温湿度传感器，采集检测样本生长环境的光照和温湿度信息；将上述信息输入数据采集卡进行数字化转换后，通过USB总线上传控制计算机；
(4)对采集的可见光-近红外反射光谱和多光谱图像进行分析处理，控制计算机提取检测样本的氮、磷、钾的光谱特征波长和多光谱图像的颜色、纹理、灰度均值及融合特征，利用同步获取的光强信息进行特征补偿，进而将提取的氮磷钾的光谱特征波长、多光谱图像的颜色、纹理、灰度均值及融合特征进行优化，构建氮磷钾光谱和图像组合特征空间；
(5)利用采集的可见光-近红外反射光谱和检测样本的冠层温度信息，控制计算机提取检测样本水分的光谱特征和冠层温度特征，结合环境温湿度信息，获取冠-气温差和饱和水汽压；利用同步获取的环境光照信息进行特征补偿，通过特征优化构建水分的光谱和冠层温度组合特征空间；
(6)利用采集的多光谱图像和果实质量信息，结合参考标尺，控制计算机提取检测样本的冠层面积、茎粗、株高、果实形态和质量数据；并根据连续观测数据，求得冠层面积扩张速率、植株生长速率和果实生长速率；
(7)利用获取的作物氮、磷、钾营养、水分和长势信息，利用控制计算机进行连续监测记录，作为检测样本的生长信息的检测数据。其中步骤(4)中所述的采用的反射光谱的分析处理方法包括首先进行滤波，之后进行逐步回归和主成分分析；多光谱图像的分析处理方法包括首先增强多光谱图像并进行像素级图像融合，之后通过超绿特征和二维直方图分割背景，最后进行颜色(灰度)均值计算、纹理分析和融合特征分析。本发明的效果是(1)本发明同时采用作物的可见光-近红外反射光谱和多光谱图像、冠层温度、冠层光照、环境温湿度和荷重传感器进行作物生长信息的无损检测，能够通过光谱、图像、红外温度、辐射强度等多种无损探测技术的有机融合，结合作物生长的环境和温湿度监测，全方位同步获取作物生长的综合信息，不仅信息获取量更大，更丰富，而且能够更全面、准确地把握作物的生长状态，这在以往的文件中都没有涉及；(2)传统的营养检测方法通常仅针对氮营养和水分进行检测，长势信息也仅通过叶面积、茎粗和株高等信息进行经验判断，由于作物营养之间具有交互和拮抗作用，营养水分之间也有交互，且作物长势及其成因具有不确定性，因此，仅根据对作物的氮素、水分或株高、茎粗信息的检测不足以全面地反映作物的生长状态。与传统的单一检测手段和检测对象相比，本发明通过获取作物的氮磷钾、水分等养分信息和冠层面积、茎粗、株高、果实质量、植株和果实生长速率等长势信息，结合环境信息探测，可对设施作物生长状态进行连续的全面综合的监测，这在以往的文件中都没有涉及；(3)本发明通过作物的可见光-近红外反射光谱和多光谱图像信息的融合，来综合判断作物的氮磷钾营养水平；通过近红外光谱和冠层红外温度的信息融合来判断作物的水分胁迫状态，通过作物的视觉图像，提取形态特征进而判断作物的长势，并通过环境光照和温湿度信息对测量误差进行补偿，以全面准确地获取作物的生长信息，这在以往的文件中都没有涉及；(4)本发明将多种无损探测技术进行有机融合，全方位同步获取作物的综合生长信息，提高了效率，较低了劳动强度。


图1是本发明-1 一标尺
4一辐照度传感器 7—多光谱成像仪A 10 一电控云台A 13 一荷重传感器 16 一垂直升降杆 19 一三脚架 22 一控制计算机
-种设施作物生长信息无损检测装置结构示意2 一遮光罩
5
1湿度传感器
8一红外温度探测器B 11 一多光谱摄像机B 14 一检测样本 17 —电控云台B 20 一数据采集卡
3 -卤素灯光源A 6—红外温度探测器A 9 -卤素灯光源B 12—红外温度探测器C 15 一水平移动杆 18 —电控机械摇臂 21 一运动控制卡
23
室土槽t
具体实施例方式下面结合附图对本发明进行详细的描述。参照附图1，本发明一种设施作物生长信息无损检测装置包括电控机械摇臂18、 生长信息传感系统和控制计算机22三个部分。所述生长信息传感系统和控制计算机22安装在电控机械摇臂18上，通过控机械摇臂18进行前后、左右、上下位置的调整，使生长信息传感系统到达检测位置。所述电控机械摇臂18包括三脚架19、垂直升降杆16、水平移动杆15、电控云台 AlO和电控云台Β17。所述三脚架19安装在电控机械摇臂18的底部，其底端安装有三个万向轮，作用是稳定电控机械摇臂18，并可使电控机械摇臂18在作业方向前后左右移动；三脚架上端中心有固定内螺纹孔，下端中心有轴套，套接安装垂直升降杆16 ；垂直升降杆16 为丝杠结构，其顶端通过十字连接件连接水平移动杆15 ；水平移动杆15为丝杠结构，位于垂直升降杆16的顶端，在电控机械摇臂18的最上方；电控云台AlO通过内螺纹滑块安装在水平移动杆15的丝杠上，电控云台Β17通过内螺纹滑块安装在垂直升降杆16的丝杆上。 所述电控机械摇臂18可通过垂直升降杆16的丝杠旋转驱动内螺纹滑块带动电控云台Β17 在500 3000mm高度范围内进行垂直方向的位置调整；电控机械摇臂18可通过水平移动杆15的丝杠旋转驱动内螺纹滑块带动电控云台AlO在200 2000mm范围内进行水平位置调整。通过电控机械摇臂18的前后、左右位移运动，结合电控云台AlO和电控云台B17的水平和垂直方向的位置调整，可带动安装在电控机械摇臂18的生长信息传感系统到达所需的检测位置。所述生长信息传感系统包括多传感器单元、数据采集卡20和光源。所述多传感器单元安装在电控机械摇臂18的电控云台AlO和电控云台B17上，光源安装在电控云台AlO 上，位于电控机械摇臂18的电控云台AlO上安装的多传感器单元部分的正下方；数据采集卡20与多传感器单元连接，安装在电控机械摇臂18的三脚架19上方。所述多传感器单元包括多光谱成像仪A7、多光谱成像仪B11、红外温度探测器A6、红外温度探测器B8、红外温度探测器C12、辐照度传感器4、温湿度传感器5、荷重传感器13、遮光罩2和标尺1。其中多光谱成像仪A7、红外温度探测器A6、红外温度探测器B8、遮光罩2安装在所述电控机械摇臂的电控云台AlO上，固定在电控云台AlO的下方，处于俯视位置，其中多光谱成像仪A7 安装在电控云台A下方中心位置，红外温度探测器A6、红外温度探测器B8安装在电控云台 AlO下方的矩形中心线两端的四分之一处的对称位置，分别位于多光谱成像仪A7的左侧和右侧；辐照度传感器4、温湿度传感器5固定在电控云台AlO的上方矩形中心线两端的三分之一处的对称位置。多光谱成像仪Bl 1、红外温度探测器C12安装在电控机械摇臂的电控云台B17上，固定在电控云台B17的左侧矩形中心线两端的三分之一处的对称位置，处于侧视位置，多光谱成像仪Bll位于红外温度探测器C12的上方。所述荷重传感器位于检测样本 14的果实下方，安装在支撑杆上，支撑杆固定在温室土槽23上，垂直于温室土槽23 ；所述标尺1固定在检测样本14左侧20cm处，垂直与温室土槽23，与检测样本14平行。上述所述传感器中，红外温度探测器A6、红外温度探测器B8、红外温度探测器C12、辐照度传感器4、 温湿度传感器5、荷重传感器13的电源输入端采用并联方式连接，均采用DC24V电源供电， 其输出均为 5V信号，信号输出端均与数据采集卡20的信号输入端相连，进行数字化转换后通过数据采集卡20的USB总线上传控制计算机22 ；多光谱成像仪A7、多光谱成像仪Bll 通过USB总线与控制计算机22相连，采用控制计算机的USB总线供电和数据传输，将采集的可见光-近红外反射光谱和多光谱图像信息上传控制计算机22。所述处于俯视位置的多光谱成像仪A7，可同时获取30(Tll00nm波长范围的5个不同特征波长处的检测样本14的可见光-近红外反射光谱和多光谱图像信息，据此可判断作物的氮、磷、钾营养水平和冠层面积、果实形态信息。处于侧视位置的多光谱成像仪Bll 与多光谱成像仪A7型号相同，结合标尺1，可获取作物的茎秆、植株和不同视场角度的检测样本的可见光-近红外反射光谱和多光谱图像信息，据此可得到作物的茎粗、株高信息和氮磷钾营养信息。红外温度探测器A6、红外温度探测器B8、红外温度探测器C12为相同型号，测量范围为-40 80° C，其主要功能是获取作物不同位置的冠层温度信息，结合温湿度传感器5获取的环境温、湿度度信息可得到冠-气温差和饱和水汽压，据此判断检测样本的水分胁迫状态，其中温度传感器5的测量范围为-40 80° C，湿度传感器5的测量范围为0 100% RH ；辐照度传感器4用来获取实时光照强度，据此可对环境光强变化对测量精度的影响进行补偿，其测量范围为0 lOOKlux ；荷重传感器13的测量范围为0 lOOOg， 通过支撑杆固定温室土槽中，通过托举作物样本14的果实测量其质量，进而根据连续测量数据计算得到果实生长速率。所述数据采集卡20为16位USB数据采集卡，安装在电控机械摇臂18的三脚架19 上方，其信号输入端与红外温度探测器A6、红外温度探测器B8、红外温度探测器C12、辐照度传感器4、温湿度传感器5、荷重传感器13信号输出端相连，对输入信号进行A/D转换，其输出端通过数据采集卡20的USB总线与控制计算机22相连，将数字信号上传至控制计算机22进行分析和处理。
所述光源系统包括光源和遮光罩2，用来为多光谱成像仪A7和多光谱成像仪Bll 提供250 3000nm谱段的可见光-近红外光源，以获取清晰的多光谱图像和稳定的反射光谱数据。其中光源由卤素灯光源A3和卤素灯光源B9组成，分别安装在电控云台AlO与水平移动杆15连接的滑块的矩形中心线左右两端内侧；遮光罩2安装在水平移动杆15连接的滑块的矩形中心线两端外侧，其作用是对外部光源进行屏蔽，并通过漫反射的弧形反光面增强光源的辐射强度和均勻度，以屏蔽外部干扰，提高反射光谱和高光谱图像数据的精度和稳定性。所述控制计算机22的主要功能是实现信号采集控制、电控机械摇臂运动控制和数据分析。控制计算机22安装在电控机械摇臂18的三脚架19的上方，通过USB数据线与数据采集卡20、运动控制卡21、多光谱成像仪A7和多光谱成像仪Bll相连，通过控制多光谱成像仪A7和多光谱成像仪Bll采集检测样本的可见光-近红外反射光谱和多光谱图像信息；通过控制数据采集卡20采集红外温度探测器A6、红外温度探测器B8、红外温度探测器C12、辐照度传感器4、温湿度传感器5、荷重传感器13信号；通过运动控制卡21控制电控机械摇臂18的运动。并对获取的作物生长信息数据进行显示、分析和处理。实施一种设施作物生长信息无损检测方法的步骤
(1)控制计算机22控制电控机械摇臂18在设施作物之间的行间作业通道上进行前后位置调整，到达检测样本位置后，驱动垂直升降杆16的丝杠旋转，带动内螺纹滑块和电控云台B17使安装在其上的传感器升降进行高低位置调整，进而通过操控水平移动杆15上的电控云台AlO进行传感器水平位置调整到达作物正上方检测位置；
(2)启动卤素灯光源3和9，并启动分别位于检测样本14正上方电控云台AlO上的多光谱成像仪A7和作物中部电控云台B17上，侧向水平位置的多光谱成像仪B11，采集检测样本14的俯视和侧视视场的可见光-近红外反射光谱和多光谱图像，并通过USB总线上传控制计算机22 ；
(3)启动位于检测样本14正上方电控云台AlO上的红外温度探测器A6、红外温度探测器B8和检测样本14中部的电控云台B17上侧向水平位置的红外温度探测器C12，获取作物的冠层温度信息；启动位于检测样本14果实下方的荷重传感器13，获取果实重量信息；同步启动位于检测样本14正上方的辐照度传感器4和温湿度传感器5，采集检测样本14生长环境的实时光照和环境温湿度信息，并将上述传感器的电压信号差分输入数据采集卡20 进行A/D转换后通过USB总线上传控制计算机22 ；
(4)利用采集的可见光-近红外反射光谱和多光谱图像进行处理，所采用的反射光谱的分析处理方法包括首先进行滤波，之后进行逐步回归和主成分分析；多光谱图像的分析处理方法包括首先增强多光谱图像并进行像素级图像融合，之后通过超绿特征和二维直方图分割背景，最后进行颜色(灰度)均值计算、纹理分析和融合特征分析。控制计算机提取检测样本14的氮磷钾的光谱特征波长和多光谱图像的颜色、纹理、灰度均值及融合特征，利用同步获取的光强信息进行特征补偿，进而将提取的氮、磷、钾的光谱特征波长、多光谱图像的颜色、纹理、灰度均值及融合特征进行优化，构建氮磷钾光谱和图像组合特征空间；
(5)利用采集的可见光-近红外反射光谱和冠层温度信息，控制计算机22提取检测样本14的水分的反射光谱特征和冠层温度特征，结合环境温湿度信息，获取冠-气温差和饱和水汽压；利用同步获取的环境光照信息进行特征补偿，通过特征优化构建水分的光谱和冠层温度组合特征空间；
(6)利用采集的多光谱图像和果实质量信息，结合参考标尺1参考目标，控制计算机22 提取检测样本14的冠层面积、茎粗、株高、果实形态和质量数据；并根据连续观测数据，求得冠层面积扩张速率、植株生长速率和果实生长速率；
(7)利用获取的检测样本14的氮磷钾营养、水分和长势信息，利用控制计算机22进行连续监测记录，作为检测样本14的生长信息的检测数据。
权利要求
1.一种设施作物生长信息无损检测装置，其特征在于包括电控机械摇臂、生长信息传感系统和控制计算机三个部分，其中生长信息传感系统和控制计算机安装在电控机械摇臂上；其中电控机械摇臂包括三脚架、垂直升降杆、水平移动杆、电控云台A和电控云台B;其中三脚架安装在电控机械摇臂的底部，其底端安装有三个万向轮，三脚架上端中心有固定内螺纹孔，下端中心有轴套，套接安装垂直升降杆；垂直升降杆为丝杠结构，其顶端通过十字连接件连接水平移动杆；水平移动杆为丝杠结构，位于垂直升降杆的顶端和电控机械摇臂的最上方；所述电控云台A通过内螺纹滑块安装在水平移动杆的丝杠上，电控云台B通过内螺纹滑块安装在垂直升降杆的丝杆上；其中生长信息传感系统包括多传感器单元、数据采集卡和光源，多传感器单元安装在电控机械摇臂的电控云台A和电控云台B上；光源安装在电控云台A上，位于多传感器单元的正下方；数据采集卡与多传感器单元连接，安装所述电控机械摇臂的三脚架上方；其中控制计算机安装在电控机械摇臂的三脚架上方，与数据采集卡、运动控制卡和多光谱成像仪A、多光谱成像仪B通过USB总线相连。
2.根据权利要求1所述的一种设施作物生长信息无损检测装置，其特征在于所述多传感器单元包括由多光谱成像仪A、多光谱成像仪B、红外温度探测器A、红外温度探测器B、 红外温度探测器C、辐照度传感器、温湿度传感器、荷重传感器、遮光罩和标尺；其中多光谱成像仪A、红外温度探测器A、红外温度探测器B、辐照度传感器、温湿度传感器、遮光罩安装在所述电控机械摇臂的电控云台A上，固定在电控云台A的下方，处于俯视位置；所述多光谱成像仪B、红外温度探测器C安装在电控机械摇臂的电控云台B上，固定在电控云台B的左侧，处于侧视位置；所述荷重传感器位于检测样本果实的下方，通过支撑杆垂直固定在温室土槽中；所述标尺固定在检测样本旁垂直与地面，与检测样本平行。
3.一种设施作物生长信息无损检测方法，其特征在于按照下述步骤进行(1)利用多光谱成像仪A和多光谱成像仪B，采集检测样本的俯视和侧视视场的可见光-近红外反射光谱和多光谱图像，并通过USB总线上传控制计算机，据此可判断检测样本的氮、磷、钾营养水平和冠层面积、果实形态信息；(2 )利用红外温度探测器A、红外温度探测器B、红外温度探测器C采集检测样本的冠层温度信息；利用荷重传感器，采集检测样本的果实质量信息；利用辐照度传感器和温湿度传感器，采集检测样本生长环境的光照和温湿度信息；将上述信息输入数据采集卡进行数字化转换后，通过USB总线上传控制计算机；(4)对采集的可见光-近红外反射光谱和多光谱图像进行分析处理，控制计算机提取检测样本的氮、磷、钾的光谱特征波长和多光谱图像的颜色、纹理、灰度均值及融合特征，利用同步获取的光强信息进行特征补偿，进而将提取的氮磷钾的光谱特征波长、多光谱图像的颜色、纹理、灰度均值及融合特征进行优化，构建氮磷钾光谱和图像组合特征空间；(5)利用采集的可见光-近红外反射光谱和检测样本的冠层温度信息，控制计算机提取检测样本水分的光谱特征和冠层温度特征，结合环境温湿度信息，获取冠-气温差和饱和水汽压；利用同步获取的环境光照信息进行特征补偿，通过特征优化构建水分的光谱和冠层温度组合特征空间；(6)利用采集的多光谱图像和果实质量信息，结合参考标尺，控制计算机提取检测样本的冠层面积、茎粗、株高、果实形态和质量数据；并根据连续观测数据，求得冠层面积扩张速率、植株生长速率和果实生长速率；(7)利用获取的作物氮、磷、钾营养、水分和长势信息，利用控制计算机进行连续监测记录，作为检测样本的生长信息的检测数据。
4.根据权利要求3所述的一种设施作物生长信息无损检测方法，其特征在于其中步骤 (4)中所述的采用的反射光谱的分析处理方法包括首先进行滤波，之后进行逐步回归和主成分分析；多光谱图像的分析处理方法包括首先增强多光谱图像并进行像素级图像融合，之后通过超绿特征和二维直方图分割背景，最后进行颜色(灰度)均值计算、纹理分析和融合特征分析。
全文摘要
本发明一种设施作物生长信息无损检测装置和方法，属于设施作物监测技术领域。包括生长信息传感系统、电控机械摇臂和控制计算机三部分；控制计算机驱动电控机械摇臂定位到检测位置，并控制生长信息传感系统，利用多光谱成像仪、红外温度、辐照度、环境温湿度、荷重传感器获取作物的氮磷钾、水分的反射光谱、多光谱图像、冠层温度特征，冠层、茎杆、植株、果实的多光谱形态特征和果实质量信息，以及环境光照和温、湿度信息；对作物营养、水分特征进行优化和补偿，得到营养、水分特征空间；对作物的多光谱形态特征进行提取，得到冠层面积、茎粗、果实质量、株高等长势信息，结合营养、水分和长势特征，实现了对作物的生长信息的全面获取和无损检测。
文档编号G01D21/02GK102384767SQ20111036376
公开日2012年3月21日 申请日期2011年11月17日 优先权日2011年11月17日
发明者周莹, 左志宇, 张晓东, 朱文静, 毛罕平, 高洪燕 申请人:江苏大学