农田监测系统及监测农田的方法
【专利摘要】本发明公开了一种农田监测系统及监测农田的方法。所述系统包括无人机和监控终端，所述无人机和所述监控终端无线连接；其中，所述无人机用于根据设置在农田中的位置标识定位桩识别农田类型，并根据所述农田类型对农田的农业警情进行监测，将监测到的农田的农业警情发送给所述监控终端；所述监控终端用于接收所述无人机发送来的农田的农业警情，并通知管理人员。本发明实现了大范围内无人值守农田的智能监测与预警，不再依赖于人力进行监测，可以减少人力资本的投入，提高了大规模的农业生产中的农田监测效率。
【专利说明】
农田监测系统及监测农田的方法
技术领域
[0001] 本发明实施例涉及农业监测预警技术，尤其涉及一种农田监测系统及监测农田的 方法。
【背景技术】
[0002] 我国是传统农业大国，农业是我国国民经济的命脉。我国信息化、智能化的农业发 展还处于初步阶段，随着大规模的土地流转使得大规模的自动化的农业生产成为未来的重 要农业生产方式。
[0003] 而在现有技术中，农业管理还高度的依赖于人力，容易造成资源的浪费，生产成本 过高，不利于解放农村劳动力，而且过于依赖工作人员的经验，所以使得农作物的生产管理 效率不高，这种现象在大规模的农业生产中尤为明显。
【发明内容】
[0004] 有鉴于此，本发明实施例提供一种农田监测系统及监测农田的方法，以提高大规 模的农业生产中的农田监测效率。
[0005] 第一方面，本发明实施例提供了一种农田监测系统，所述系统包括无人机和监控 终端，所述无人机和所述监控终端无线连接；
[0006] 其中，所述无人机用于根据设置在农田中的位置标识定位粧识别农田类型，并根 据所述农田类型对农田的农业警情进行监测，将监测到的农田的农业警情发送给所述监控 终端；
[0007] 所述监控终端用于接收所述无人机发送来的农田的农业警情，并通知管理人员。
[0008] 第二方面，本发明实施例还提供了一种监测农田的方法，所述方法包括：
[0009] 通过无人机在农田上空巡航，根据设置在农田中的位置标识定位粧识别农田类 型，并根据所述农田类型对农田的农业警情进行监测，将监测到的农田的农业警情发送给 监控终端；
[0010]通过监控终端接收所述无人机发送来的农田的农业警情，并通知管理人员。
[0011] 本发明实施例的技术方案，通过无人机根据设置在农田中的位置标识定位粧识别 出农田类型，再根据农田类型监测农田的农业警情，并发送给监控终端，由监控终端通知管 理人员，实现了大范围内无人值守农田的智能监测与预警，不再依赖于人力进行监测，可以 减少人力资本的投入，提高了大规模的农业生产中的农田监测效率。
【附图说明】
[0012] 图1是本发明实施例一提供的一种农田监测系统的结构示意图；
[0013] 图2是本发明实施例提供的农田监测系统监测农田的示意图；
[0014] 图3是本发明实施例二提供的一种农田监测系统的结构示意图；
[0015] 图4是本发明实施例提供的农田监测系统中的嵌入式载荷计算机的结构示意图；
[0016] 图5是本发明实施例三提供的一种农田监测系统监测农田的方法的流程图。
【具体实施方式】
[0017] 下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描 述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便 于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部内容。
[0018] 实施例一
[0019] 图1是本发明实施例一提供的一种农田监测系统的结构示意图，本实施例可适用 于在大规模的农业生产中对农田进行监测的情况，如图1所示，本实施例所示的农田监测系 统包括:无人机10和监控终端20，无人机10和监控终端20无线连接。
[0020] 其中，无人机10用于根据设置在农田中的位置标识定位粧识别农田类型，并根据 所述农田类型对农田的农业警情进行监测，将监测到的农田的农业警情发送给监控终端 20；
[0021] 监控终端20用于接收无人机10发送来的农田的农业警情，并通知管理人员。
[0022]图2是本发明实施例提供的农田监测系统监测农田的示意图，如图2所示，利用包 括无人机10和监控终端20的农田监测系统监测农田时，需要对农田进行数字化，以利于无 人机10进行识别定位，主要是在农田中设置位置标识定位粧31，来实现数字化农田30，在无 人机的监测视场中位置标识定位粧的数量要不少于两个。其中，位置标识定位粧是为了方 便无人机对农田进行识别和定位，在农田中设置具有位置标识的定位粧，以实现农田的数 字化。所述位置标识定位粧优选包括位置标识，所述位置标识优选包括农田类型和所述位 置标识定位粧在农田坐标系中的位置坐标的信息，即位置标识主要包含该定位粧在农田坐 标系中的位置坐标及其特征，如：（ID，X，y)，其中，ID表示农田类型（如小麦田、玉米田、西红 柿田等等），（X，y)为该定位粧在农田坐标系中的位置坐标。其中，定位粧在农田坐标系中的 位置坐标是定位粧的中心在农田坐标系中的位置坐标。
[0023]其中，所述位置标识为高冗余度的二维码标识。
[0024]在数字化农田中，使用的位置标识定位粧为农田中的凸起部分，上端面的位置标 识是用耐腐蚀漆喷涂的具有高冗余度的二维码(QR CODE)。使用高冗余度二维码的有益之 处在于无人机拍摄同一地块的时间较短，拍摄过程中容易受气流影响使得拍摄相机出现晃 动，这需要无人机能够快速对二维码进行识别，而且农田环境复杂需要无人机巡航相机（即 定位识别相机)对二维码具有较强纠错能力，而具有较高冗余度的二维码可以满足这些要 求。
[0025]无人机10可以根据所述位置标识定位粧识别出当前巡航农田的农田类型，再根据 所述农田类型，调用与所述农田类型相应的识别算法监测农田的农业警情，当监测到农业 警情时，将所述农业警情发送给监控终端20。监控终端20接收到无人机10发送来的农田的 农业警情后，通过邮件或者短信的方式通知管理人员，使得管理人员尽快采取措施消除所 述农业警情。其中，所述农田的农业警情优选包括下述至少一种:苗情警情、长势警情和病 虫害警情。
[0026]通过无人机可以实现不同农作物指标的监测，如：苗情监测、长势监测、病虫害监 测等等。
[0027]本实施例的技术方案，通过无人机根据设置在农田中的位置标识定位粧识别出农 田类型，再根据农田类型监测农田的农业警情，并发送给监控终端，由监控终端通知管理人 员，实现了大范围内无人值守农田的智能监测与预警，不再依赖于人力进行监测，可以减少 人力资本的投入，提高了大规模的农业生产中的农田监测效率，而且可以及时发现农业生 产过程中的各类警情、降低农作物受各类病害影响的概率、控制养殖成本，有利于更加科 学、规范的进行农业生产。
[0028] 实施例二
[0029]图3是本发明实施例二提供的一种农田监测系统的结构示意图，本实施例在实施 例一的基础上进行了优化，将无人机10进一步优化为包括定位识别相机11、监测相机12和 嵌入式载荷计算机13。
[0030] 其中，定位识别相机11和监测相机12同轴固定安装在无人机10的无人机平台上， 且分别与嵌入式载荷计算机13连接，嵌入式载荷计算机13与监控终端20无线连接；
[0031] 定位识别相机11用于拍摄设置在农田中的位置标识定位粧，并将拍摄到的定位图 像传输至嵌入式载荷计算机13;
[0032] 监测相机12用于拍摄农田的监测图像，并将拍摄到的监测图像传输至嵌入式载荷 计算机13，来监测农田中的农业警情；
[0033] 嵌入式载荷计算机13用于接收所述定位图像和所述监测图像，根据所述定位图像 和所述监测图像，识别所述监测图像中的农业警情，并根据所述定位图像定位出所述农业 警情的位置坐标，并将所述监测图像和所述农业警情的位置坐标发送给监控终端20。
[0034] 定位识别相机11和监测相机12同轴固定安装在无人机10的无人机平台上，且同时 拍摄定位图像和监测图像，从而根据定位图像和监测图像分析出农田的农业警情及相应的 位置坐标。
[0035] 监测相机为高清相机，可以包括多个具有不同功能的相机，根据不同的农田和农 情来使用不同类型的相机，如：用红外相机来监测农田鼠害、使用高光谱相机来监测农作物 的病害(如小麦条锈病、水稻的稻痕病等等）。
[0036] 图4是本发明实施例提供的农田监测系统中的嵌入式载荷计算机的结构示意图， 如图4所示，嵌入式载荷计算机13包括FPGA(Field - Programmable Gate Array，现场可编 程门阵列）131、DSP(Digital Signal Processor，信号处理器）132和信号发生器133;
[0037] 其中，FPGA 131与DSP 132连接，DSP 132与信号发生器133连接，信号发生器133与 监控终端20无线连接；
[0038] FPGA 131用于接收所述定位图像和所述监测图像，并获取所述定位图像和所述监 测图像的数据，将所述图像的数据传输给DSP 132;
[0039] DSP 132对所述定位图像和所述监测图像的数据进行分析，得到农田的农业警情 和农业警情的位置坐标；
[0040]信号发生器133用于将所述农田的农业警情和所述农业警情的位置坐标发送至监 控终端20。
[0041 ] 其中，FPGA为接口电路，DSP为运算电路。DSP 132与信号发生器133之间通过串口 或者IO (Input/Output，输入/输出）连接。
[0042]本实施例的技术方案，通过无人机上的定位识别相机和监测相机拍摄定位图像和 监测图像，由嵌入式载荷计算机对所述定位图像和监测图像进行分析，识别出农田的农业 警情及相应的位置坐标，提高了识别的精度，进一步提高了监测效率。
[0043]在上述技术方案的基础上，当所述无人机在预设巡航高度范围内时，在所述定位 识别相机的监测视场中位置标识定位粧的数量优选为至少两个，且所述位置标识定位粧的 间距满甩加下备件·
[0044；
[0045」XlTUi且仍、IcU Jtti，nmin为所述预设巡航尚度范围中的最低巡 航高度、Smin为无人机中定位识别相机的视场角最小值，σ为无人机工作时的稳定度。
[0046] 通过位置标识定位粧满足的上述条件，可以保证无人机的定位精度。
[0047] 实施例三
[0048]图5是本发明实施例三提供的一种农田监测系统监测农田的方法的流程图，本实 施例所述的农田监测系统监测农田的方法是以上述实施例提供的农田监测系统来执行，具 体包括如下步骤：
[0049] 步骤510,通过无人机在农田上空巡航，根据设置在农田中的位置标识定位粧识别 农田类型，并根据所述农田类型对农田的农业警情进行监测，将监测到的农田的农业警情 发送给监控终端。
[0050] 通过无人机在待监测的农田上空巡航，根据所述位置标识定位粧识别出当前巡航 农田的农田类型，再根据所述农田类型，调用与所述农田类型相应的识别算法监测农田的 农业警情，当监测到农业警情时，将所述农业警情发送给监控终端。
[0051] 其中，根据设置在农田中的位置标识定位粧识别农田类型，并根据所述农田类型 对农田的农业警情进行监测，将监测到的农田的农业警情发送给监控终端优选包括：
[0052] 通过定位识别相机拍摄设置在农田中的位置标识定位粧，并将拍摄到的定位图像 传输至嵌入式载荷计算机；
[0053]通过监测相机拍摄农田的监测图像，并将拍摄到的监测图像传输至嵌入式载荷计 算机；
[0054] 通过嵌入式载荷计算机接收所述定位图像和所述监测图像，根据所述定位图像识 别当前农田类型，根据当前农田类型对所述监测图像进行识别，如果识别到农田的农业警 情，则对与所述监测图像相同时戳的定位图像进行识别，定位出所述农业警情的位置坐标， 将所述监测图像和所述农业警情的位置坐标发送给所述监控终端。
[0055] 当无人机启动后，为定位识别相机、监测相机和嵌入式载荷计算机通电。由于当所 述无人机在预设巡航高度范围内时，在所述定位识别相机的监测视场中位置标识定位粧的 数量为至少两个，定位识别相机拍摄到的定位图像中包括至少两个位置标识定位粧。监测 相机与定位识别相机同轴安装在无人机平台上，且监测相机的视场角小于定位识别相机的 视场角，那么监测相机拍摄到的监测图像是定位识别相机拍摄到的定位图像的中间的一部 分。
[0056] 嵌入式载荷计算机接收到所述定位图像和监测图像后，先识别所述定位图像中的 位置标识定位粧，并识别所述位置标识定位粧中的当前农田类型，从而根据当前农田类型 调用相应农田类型的识别算法对所述监测图像进行识别，即不同类型的农作物需要根据相 应类型的识别算法进行识别，并调用相应的监测算法来识别农田的农业警情（当监测苗情 时，调用苗情算法；当检测病虫害时，调用病虫害算法）。如果识别到出现了农业警情(如病 虫害警情），则根据与识别出农业警情的监测图像相同时戳的定位图像进行识别，通过定位 图像中的至少两个位置标识定位粧，来定位出农业警情的位置坐标。提高了农业警情的监 测精度，并提高了农业警情的位置坐标的定位精度。
[0057]步骤520,通过监控终端接收所述无人机发送来的农田的农业警情，并通知管理人 员。
[0058]通过监控终端接收无人机发送来的农田的农业警情后，并以邮件或者短信的方式 通知管理人员，使得管理人员尽快采取措施消除所述农业警情。
[0059] 本实施例的技术方案，通过无人机根据设置在农田中的位置标识定位粧识别出的 农田类型，再根据农田类型监测农田的农业警情，并发送给监控终端，由监控终端通知管理 人员，实现了大范围内无人值守农田的智能监测与预警，不再需要人力进行监测，可以减少 人力资本的投入，提高了大规模的农业生产中的农田监测效率，而且可以及时发现农业生 产过程中的各类警情、降低农作物受各类病害影响的概率、控制养殖成本，有利于更加科 学、规范的进行农业生产。
[0060] 在上述技术方案的基础上，如果识别到农田的农业警情，则对与所述监测图像相 同时戳的定位图像进行识别，定位出所述农业警情的位置坐标优选包括：
[0061] 如果识别到农田的农业警情，通过DSP根据所述监测图像以及所述监测相机的视 场角与定位识别相机的视场角的关系，确定所述农业警情在图像坐标系中的图像坐标；
[0062] 通过DSP根据与所述监测图像相同时戳的定位图像，确定该定位图像中的位置标 识定位粧在农田坐标系中的位置坐标，以及所述位置标识定位粧的图像中形心在图像坐标 系中的图像坐标；
[0063]通过DSP根据所述位置标识定位粧在农田坐标系中的位置坐标以及所述位置标识 定位粧的图像中形心在图像坐标系中的图像坐标，确定从图像坐标系转换到农田坐标系的 转移矩阵；
[0064]通过DSP根据所述农业警情在图像坐标系中的图像坐标和所述转移矩阵，确定所 述农业警情在农田坐标系中的位置坐标。
[0065] 其中，所述图像坐标系是指定位图像的图像坐标系，且以定位图像的中心为原点。 当识别到农田的农业警情时，首先确定出所述农业警情在所述监测图像的图像坐标系中的 图像坐标，由于监测相机和定位识别相机是同轴安装在无人机平台上的，且定位识别相机 的视场角大于监测相机的视场角，则监测图像是定位图像的中间相应监测相机视场角的一 部分图像(如，监测相机的视场角为10° Xl〇°，定位识别相机的视场角为20° X20°，则监测 图像映射到定位图像中是定位图像的中心的10° X 10°的图像），则根据监测相机与定位识 别相机的视场角的关系，可以将农业警情在所述监测图像的图像坐标系中的图像坐标映射 到定位图像的图像坐标系中，得到农业警情在定位图像的图像坐标系中的图像坐标，该图 像坐标记为(Y y )。
[0066] 假设定位图像中拍摄到的位置标识定位粧的数量为n(n 2 2)，识别定位图像中的 位置标识定位粧上的位置标识，并识别所述位置标识得到位置标识定位粧的位置标识的中 心在农田坐标系中的位置坐标分别为(Xi，yi)、（X2，y2)、......、（χη，yn)，并确定所述位置标识 定位粧的图像中形心在定位图像的图像坐标系中的图像坐标分别为U/ )、（χ/， y/)、……、（Xr/，y/)。其中，图像中形心是指图像的中心。
[0067] 假设从图像坐标系转换到农田坐标系的转移矩阵为T，转移矩阵为2X2的矩阵，同 时将所述位置标识的图像坐标和位置坐标分别表示为矩阵的形式，分别为A和B，则A和B分 别表示如下：
[0068]
[0069] 矩阵A和矩阵B满足如下关系：
[0070] A · ?2Χ2 = Β
[0071] 根据上述矩阵A和矩阵B的关系，通过最新二乘法得到转移矩阵T如下：
[0072] τ2χ2=(Ατ · Α)-1 · At · B
[0073] 根据农业警情在图像坐标系中的图像坐标(X'，y')所述转移矩阵Τ，确定农业警情 在农田坐标系中的位置坐标为：
[0074] [X y] =T · [X' y' ]
[0075] 其中，（x，y)为农业警情在农田坐标系中的位置坐标。
[0076] 通过上述方法确定的农业警情的位置比较准确，可以进一步提高大规模农业生产 中的监测效率。
[0077]注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解， 本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、 重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行 了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还 可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。
【主权项】
1. 一种农田监测系统，其特征在于，所述系统包括无人机和监控终端，所述无人机和所 述监控终端无线连接； 其中，所述无人机用于根据设置在农田中的位置标识定位粧识别农田类型，并根据所 述农田类型对农田的农业警情进行监测，将监测到的农田的农业警情发送给所述监控终 端； 所述监控终端用于接收所述无人机发送来的农田的农业警情，并通知管理人员。2. 根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述无人机包括定位识别相机、监测相机 和嵌入式载荷计算机； 其中，所述定位识别相机和所述监测相机同轴固定安装在所述无人机的无人机平台 上，且分别与嵌入式载荷计算机连接，所述嵌入式载荷计算机与所述监控终端无线连接； 所述定位识别相机用于拍摄设置在农田中的位置标识定位粧，并将拍摄到的定位图像 传输至所述嵌入式载荷计算机； 所述监测相机用于拍摄农田的监测图像，并将拍摄到的监测图像传输至所述嵌入式载 荷计算机，来监测农田中的农业警情； 所述嵌入式载荷计算机用于接收所述定位图像和所述监测图像，根据所述定位图像和 所述监测图像，识别所述监测图像中的农业警情，并根据所述定位图像定位出所述农业警 情的位置坐标，并将所述监测图像和所述农业警情的位置坐标发送给所述监控终端。3. 根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述嵌入式载荷计算机包括现场可编程口 阵列FPGA、数字信号处理器DSP和信号发生器； 其中，所述FPGA与DSP连接，DSP与信号发生器连接，信号发生器与所述监控终端无线连 接； FPGA用于接收所述定位图像和所述监测图像，并获取所述定位图像和所述监测图像的 数据，将所述图像的数据传输给DSP; DSP对所述定位图像和所述监测图像的数据进行分析，得到农田的农业警情和农业警 情的位置坐标； 所述信号发生器用于将所述农田的农业警情和所述农业警情的位置坐标发送至所述 监控终端。4. 根据权利要求2所述的系统，其特征在于，当所述无人机在预设巡航高度范围内时， 在所述定位识别相机的监测视场中位置标识定位粧的数量为至少两个，且所述位置标识定 位粧的间距满足如下条件：其中，D为所述位置标识定位粧的间距，Hmin为所述预设巡航高度范围中的最低巡航高 度、θηιη为无人机中定位识别相机的视场角最小值，σ为无人机工作时的稳定度。5. 根据权利要求1-4任一所述的系统，其特征在于，所述位置标识定位粧包括位置标 识，所述位置标识包括农田类型和所述位置标识定位粧在农田坐标系中的位置坐标的信 息。6. 根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述位置标识为高冗余度的二维码标识。7. 根据权利要求1-4任一所述的系统，其特征在于，所述农田的农业警情包括下述至少 一种:苗情警情、长势警情和病虫害警情。8. -种基于权利要求1所述的农田监测系统监测农田的方法，其特征在于，所述方法包 括： 通过无人机在农田上空巡航，根据设置在农田中的位置标识定位粧识别农田类型，并 根据所述农田类型对农田的农业警情进行监测，将监测到的农田的农业警情发送给监控终 端； 通过监控终端接收所述无人机发送来的农田的农业警情，并通知管理人员。9. 根据权利要求8所述的方法，其特征在于，根据设置在农田中的位置标识定位粧识别 农田类型，并根据所述农田类型对农田的农业警情进行监测，将监测到的农田的农业警情 发送给监控终端包括： 通过定位识别相机拍摄设置在农田中的位置标识定位粧，并将拍摄到的定位图像传输 至嵌入式载荷计算机； 通过监测相机拍摄农田的监测图像，并将拍摄到的监测图像传输至嵌入式载荷计算 机； 通过嵌入式载荷计算机接收所述定位图像和所述监测图像，根据所述定位图像识别当 前农田类型，根据当前农田类型对所述监测图像进行识别，如果识别到农田的农业警情，贝U 对与所述监测图像相同时戳的定位图像进行识别，定位出所述农业警情的位置坐标，将所 述监测图像和所述农业警情的位置坐标发送给所述监控终端。10. 根据权利要求9所述的方法，其特征在于，如果识别到农田的农业警情，则对与所述 监测图像相同时戳的定位图像进行识别，定位出所述农业警情的位置坐标包括： 如果识别到农田的农业警情，通过DSP根据所述监测图像W及所述监测相机的视场角 与定位识别相机的视场角的关系，确定所述农业警情在图像坐标系中的图像坐标； 通过DSP根据与所述监测图像相同时戳的定位图像，确定该定位图像中的位置标识定 位粧在农田坐标系中的位置坐标，W及所述位置标识定位粧的图像中形屯、在图像坐标系中 的图像坐标； 通过DSP根据所述位置标识定位粧在农田坐标系中的位置坐标W及所述位置标识定位 粧的图像中形屯、在图像坐标系中的图像坐标，确定从图像坐标系转换到农田坐标系的转移 矩阵； 通过DSP根据所述农业警情在图像坐标系中的图像坐标和所述转移矩阵，确定所述农 业警情在农田坐标系中的位置坐标。
【文档编号】G01C21/00GK105842246SQ201610364952
【公开日】2016年8月10日
【申请日】2016年5月27日
【发明人】李哲敏, 庄家煜, 陈威, 张永恩, 仲晓春, 黄敏
【申请人】中国农业科学院农业信息研究所