基于多光谱/高光谱成像技术的野外监控系统的制作方法与工艺

本实用新型属于野外监控技术领域，具体涉及一种基于多光谱/高光谱成像技术的野外监控系统。

背景技术：
目前，主要采用人工测量的方式获得植物生长节律、物候观测以及植被盖度等基础数据。具体的，人工采用多光谱/高光谱照相机，手工拍摄被监测植物的图片，然后再将拍摄到的植物图片上传到服务器，通过服务器对植物图片进行分析。上述方式存在的主要不足为：(1)由于多光谱/高光谱照相机的厂家设计工作温度范围窄，为0-40℃，因此，多光谱/高光谱照相机在野外使用时，有时会出现超出工作温度的情况，一方面影响照相机拍摄质量，另一方面也缩短了照相机使用寿命。(2)手工操作多光谱/高光谱照相机拍摄图片，并人工将其传输到服务器中，具有费工、费时、费力等不足，影响了监测数据获取效率，不利于全面大范围对不同位置的植物进行有效监测；(3)手工操作多光谱/高光谱照相机拍摄图片时，为了确认在不同光照下的色温，还需要人工定期拍摄标定板进行标定，进一步加大了操作人员的工作量。(4)人工观测主观性较大，不同业务人员观测数据误差较大，降低了监测数据的准确性。

技术实现要素：
针对现有技术存在的缺陷，本实用新型提供一种基于多光谱/高光谱成像技术的野外监控系统，可有效解决上述问题。本实用新型采用的技术方案如下：本实用新型提供一种基于多光谱/高光谱成像技术的野外监控系统，包括多光谱/高光谱成像子系统、自动温度控制子系统、自动标定子系统、数据采集器以及无线传输子系统；所述数据采集器分别与所述多光谱/高光谱成像子系统、所述自动温度控制子系统、所述自动标定子系统和所述无线传输子系统连接。优选的，所述多光谱/高光谱成像子系统包括多光谱/高光谱照相机以及防水盒；所述多光谱/高光谱照相机安装于所述防水盒中。优选的，所述防水盒采用IP67等级的密封控制机箱；所述防水盒安装于固定在监测点的支撑架上。优选的，所述自动温度控制子系统包括温度传感器、加热装置、散热装置和温度控制器；所述温度传感器、所述加热装置和所述散热装置均安装于所述防水盒的内腔；所述温度控制器的输入端与所述温度传感器连接；所述温度控制器的输出端分别与所述加热装置和所述散热装置连接；所述温度控制器与所述数据采集器连接。优选的，所述自动标定子系统包括标定控制器、驱动电机、标定板和毛刷；所述标定控制器与所述驱动电机连接，用于以脉冲方式控制所述驱动电机转动；所述驱动电机的输出轴通过连接杆固定安装所述标定板，当所述驱动电机转动时，带动所述标定板以所述连接杆为半径进行旋转；所述标定板旋转轨迹经过标定位和停止位；其中，所述标定位即指所述标定板位于所述多光谱/高光谱照相机的镜头正下方；所述停止位固定安装所述毛刷，当所述标定板旋转到停止位时，经过所述毛刷，使所述毛刷自动清洁所述标定板。优选的，还包括供电子系统；所述供电子系统与所述数据采集器连接。优选的，所述供电子系统为太阳能供电装置。本实用新型提供的基于多光谱/高光谱成像技术的野外监控系统具有以下优点：结构简单、工作可靠性高、功能多样、自动化程度高，数据采集科学准确，实现全面精准的对植物进行全方面监测，从而减轻观测人员劳动强度，提高观测效率，提高生态观测资料的客观性和数据质量，有效解决了传统人工进行生态观测的诸多弊端，有利于生态物候观测业务的展开，填补了物候监测领域自动化的空白。附图说明图1为本实用新型提供的基于多光谱/高光谱成像技术的野外监控系统的结构示意图；图2为图1沿A-A剖视放大图；其中，1-标定板；2-毛刷；A代表标定位；B代表停止位；3-标定控制器；4-支撑架。具体实施方式为了使本实用新型所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。本实用新型提供一种基于多光谱/高光谱成像技术的野外监控系统，为一种可在野外自动工作并能够自动标定的多光谱及高光谱摄像系统。本系统利用多光谱摄像技术、数据采集技术、无线通讯技术、太阳能供电等技术综合集成研发，用以实现对植物生长的自动化观测。结合图1，基于多光谱/高光谱成像技术的野外监控系统，包括多光谱/高光谱成像子系统、自动温度控制子系统、自动标定子系统、数据采集器以及无线传输子系统；数据采集器分别与多光谱/高光谱成像子系统、自动温度控制子系统、自动标定子系统和无线传输子系统连接。数据采集器用于分别对多光谱/高光谱成像子系统、自动温度控制子系统和自动标定子系统控制，多光谱/高光谱成像子系统采集到的图片可自动通过无线传输子系统传输给远程控制器，实现拍摄图片自动上传功能。实际应用中，数据采集器型号为CR1000或者CR6，数据传输采用公网的3G/4G无线传输，在程序控制下自动启动和关闭，节省能耗。以下对各子系统分别详细介绍：(1)多光谱/高光谱成像子系统多光谱/高光谱成像子系统包括多光谱/高光谱照相机以及防水盒；多光谱/高光谱照相机安装于防水盒中。其中，防水盒采用IP67等级的密封控制机箱；防水盒安装于固定在监测点的支撑架上，通过安装防水盒，提高多光谱/高光谱照相机的使用寿命，更适应野外工作环境。实际应用中，多光谱/高光谱照相机采用320万像素的传感器实现，可捕捉波长520nm～920nm之间的光谱，该相机的视场角：30.6×23.2°，理论上，在太阳天顶角为0度时候照相最好。但是天顶角不得低于视场角的1/2，一个理想的角度是大于15度。因此，根据本地的经纬度和太阳黄经进行自动的高度角天顶角计算，进而自动设置拍照时间。该系统接口有USB和RS232等接口，通过USB接口可本地读取数据；通过RS232接口与无线传输子系统连接，进而实现与远程服务器的通信。进一步的，多光谱相机可以使用UHD118和ADCmicro，也可以使用高光谱相机得到更多波段的图片数据。多光谱照相机可以得到TM2，TM3这3个波段的分光谱数据，这3个波段分别为：红色、绿色和近红外光谱波段，可以根据此信息提取NDVI、绿色指数等。(2)自动温度控制子系统由于多光谱/高光谱照相机设计工作温度范围窄，为0-40℃，因为，本实用新开进设计了自动温度控制子系统，自动温度控制子系统包括温度传感器、加热装置、散热装置和温度控制器；温度传感器、加热装置和散热装置均安装于防水盒的内腔；温度控制器的输入端与温度传感器连接；温度控制器的输出端分别与加热装置和散热装置连接；温度控制器与数据采集器连接。其工作原理为：温度传感器实时或定时采集防水盒腔室的温度值，并上传给温度控制器，温度控制器判断实际温度值是否在正常工作温度范围内，如果不在，则区分两种情况：如果实际温度值高于正常工作温度范围的极大值，则表明温度偏高，启动散热装置降温，其中，散热装置包括但不限于风扇。如果实际温度值低于正常工作温度范围的极小值，则表明温度偏低，启动加热装置升温，其中，加热装置包括但不限于加热片。通过上述方案，实现将防水盒腔室的温度稳定在工作温度范围，保证了多光谱/高光谱照相机长期可靠工作。(3)自动标定子系统由于多光谱/高光谱照相机每次拍照时，天空明朗程度及太阳高度角不同，在每次拍摄的时候，均需要预先拍摄标定板一次，用以校正NDVI值。因此，本实用新型设计了自动标定子系统。参考图1和图2，自动标定子系统包括标定控制器、驱动电机、标定板和毛刷；标定控制器与驱动电机连接，用于以脉冲方式控制驱动电机转动；驱动电机的输出轴通过连接杆固定安装标定板，当驱动电机转动时，带动标定板以连接杆为半径进行旋转；标定板旋转轨迹经过标定位和停止位；其中，标定位即指标定板位于多光谱/高光谱照相机的镜头正下方；停止位固定安装毛刷，当标定板旋转到停止位时，经过毛刷，使毛刷自动清洁标定板。其工作原理为：自动标定子系统采用脉冲控制电机旋转，每发送一个脉冲电机旋转一次，当电机带动标定板到达标定位时，启动照相片拍照；然后，再发送一个脉冲，带动标定板返回到停止位等待，由于在停止位设计毛刷，因此，在标定板通过停止位的毛刷时候，就实现了自动清洁，从而保障标定板的清洁。自动标定子系统具有设计简单、功耗低、无故障运行时间长等优点。与传统的轨道式自动伸出收缩的标定板相比，本实用新型的自动标定子系统，具有性能可靠，不需要维护轴承，结果简单，重量轻，功耗低等优点。与传统的气动式自动伸缩标定板相比，本实用新型不需设置电磁阀、储气罐、气泵等多个环节，在机构复杂性，功耗，可靠性等发面有着很好的优势。(4)供电子系统供电子系统与数据采集器连接，供电子系统采用太阳能供电装置，既节约资源，也保证了多/高光谱成像技术的野外监控系统长期运行，解决传统电池供电方式导致的工作人员需频繁更换电池的弊端。由此可见，本实用新型提供的基于多光谱/高光谱成像技术的野外监控系统，具有以下优点：结构简单、工作可靠性高、功能多样、自动化程度高，数据采集科学准确，实现全面精准的对植物进行全方面监测，从而减轻观测人员劳动强度，提高观测效率，提高生态观测资料的客观性和数据质量，有效解决了传统人工进行生态观测的诸多弊端，有利于生态物候观测业务的展开，填补了物候监测领域自动化的空白。以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视本实用新型的保护范围。