油菜移栽田间作业质量在线监测系统及其监测方法与流程

本发明涉及一种油菜移栽田间作业质量在线监测系统，更具体的说是基于图像采集处理的油菜移栽作业质量实时监测系统及方法。特别适用于大田作业情况下的油菜移栽作业质量的实时在线监测，属于农田管理设备领域。

背景技术：

我国冬油菜种植地主要是在长江中下游平原，在冬油菜种植前主要是种植水稻，通常采用水稻-油菜或者水稻-水稻-油菜的轮作模式，由于收获种植时间紧张，采用直播的方式将会导致油菜生长周期不足，因此长江中下游平原多采用移栽的方式进行，油菜移栽的方式能够缩短周转时间，保证了合理的轮作，对实现稳产和高产有着重要的意义。在目前的油菜移栽机中，缺少作业质量监测，需要人工进行不间断观测，影响机具作业效率的提高，增加人力劳动强度，作业质量得不到保证。因此油菜移栽作业质量实时监控有着重要的意义。

目前已有主要为针对水稻插秧的质量监测专利公开，由于水田作业误差小，并未考虑图像校准对计算结果的影响。但是在田间移栽油菜过程中，油菜栽植密度大，旱地平整度差，质量监测过程中田地高度不平问题对计算影响较大，实际作业过程中不能根据机具作业工况进行实时记录和统计，且移栽过程中田地的高低不平影响株距和栽植数目。受上述因素的影响，利用无校准的图像处理方法导致株距计算误差较大，影响栽植质量统计精度。

现阶段油菜移栽的质量监控基本以在栽取苗前判断秧苗有无为主，并未涉及到大田作业时的作业质量在线监测问题。由于实际田间作业情况差异，其他作物的栽后监测系统无法直接应用于油菜移栽。

技术实现要素：

针对现有技术存在的不足，本发明目的是提供一种可靠性强、校准精确度高的油菜移栽田间作业质量在线监测系统。

为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：油菜移栽田间作业质量在线监测系统，包括移栽装置和安装于移栽装置后方的仿形机构，其特征在于：还包括移栽监测系统，所述移栽监测系统包括连接在移栽装置后挡板侧面的距离传感器、位于移栽装置尾部横梁上的可调节支架和固定安装于所述可调节支架上的外箱体；所述外箱体内设有相机、工控机以及校准传感器；所述距离传感器用于监测仿形机构中连杆到挡板侧面之间的水平距离；所述校准传感器用于测量工业相机距离地面的高度。

当移栽装置准备作业时，仿形机构控制其下落，连杆到后挡板侧面之间距离减小，当距离小于闭合节点值时，距离传感器信号传输至工控机，工控机控制相机与校准传感器电路的闭合；当距离大于断开节点值时，距离传感器信号传输至工控机，工控机控制相机、校准传感器的电源断开；当相机，校准传感器处于工作状态时，工控机中对拍摄的图像进行处理，不断计算并反馈给操作者；当计算值小于设定指标时，可实时发出警示信号提醒操作者。

本发明还涉及一种油菜移栽田间作业质量在线监测系统的监测方法，其特征在于包括以下几个步骤：

第一步、校准数据库的建立

1.1)选择量程为l1，刻度明显的直尺作为标定对象，将直尺固定于地面；

1.2)将相机固定在高度可以调节的支架上，通过支架高度的调节，带动校准传感器的高度变化；

1.3)从距离地面50cm高度开始，到250cm止，每1cm拍摄一张照片，一共拍摄200张照片；

1.4)图片进行打印，测量图片上固定刻度的直尺的长度lx’；

1.5)多次拍摄，取测量的平均值作为lx；

1.6)以距离地面高度为横坐标，为纵坐标，建立散点图，得到拟合的函数图像；

第二步、油菜移栽后的图像处理步骤

2.1)对油菜移栽后的图像进行拉普拉斯锐化，提高图像的对比度；

2.2)基于otsu方法对图像进行二值分割；

2.3)利用m个半径不同圆形的结构元素对图像进行腐蚀，利用n个边长不同的正方形的结构元素对图像m1进行膨胀，选出异常连通域最少的组合即为最优的膨胀结构元素；

2.4)利用最优的腐蚀膨胀结构元素对二值图像进行先腐蚀后膨胀，得到图像a；

2.5)根据分水岭分割算法，得出图像a的轮廓和面积，计算出质心；

2.6)依次将照片进行配准，计算出相邻的连通域质心之间的欧式距离x；

第三步、工控机计算校正步骤

3.1)根据校准传感器数据得出的函数图像，工控机经过插值计算得到实际高度对应的误差系数k；

3.2)工控机计算得到综合距离y，y＝k×x，当y≥300mm时，即为漏载，当y<300mm时，即为正常移栽状态，记录穴盘苗数m，漏载数目m0；

3.3)输出株距y，漏载率p，

3.4)当p≥8％时，开始触发报警状态，提醒操作员移栽机发生故障。

本发明的有益效果：本发明解决了油菜移栽作业质量监测问题，能够根据机具作业状态，实现监测作业自动化；基于图像处理技术，实现了在线监测，实时反馈信息；利用高度传感器实时校准，减少株距计算误差。在油菜移栽实验中，表明通过校准装置计算数据比未经过校准的数据，误差减小了5％，同时无须人工辅助统计，降低了人力成本并提高了效率和准确度。本发明在大田作业情况下，能判断机具作业状态并实现油菜栽植穴数，同时能自动获取株行距、漏栽、倒伏等栽植质量信息的数据，可实现油菜移栽过程中高低不同的视角校准。采样视角实时校正，解决油菜移栽作业过程中地面高地不平和机具上下弹跳等导致的株距计算不准确等问题。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明实施例1中的整体结构示意图。

图2为本发明实施例1中的外箱体内部结构示意图。

图3为本发明实施例1中的使用状态示意图。

图4为本发明实施例1的控制原理图。

图5为本发明实施例1的监测流程图。

图6为本发明实施例1中图像a示意图。

具体实施方式

为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。

请参阅图1-图3，本发明提供一种油菜移栽田间作业质量在线监测系统，包括移栽装置和安装于移栽装置后方的仿形机构4、连接在移栽装置后挡板6上的距离传感器5、位于移栽机尾部横梁3上的可调节支架2、固定安装于可调节支架2上的外箱体1，外箱体内固定安装有工业相机1-2，工控机1-1以及校准传感器1-3。其中距离传感器5通过螺栓连接在后挡板6侧面，可调节支架为内外套管结构，通过螺栓链接在尾部横梁上。外箱体通过螺栓链接在支架末端，工业相机，工控机及校准传感器安装在外箱体内，通过螺栓固定。

距离传感器用于监测仿形机构中连杆到挡板侧面之间的水平距离。当移栽机准备作业时，仿形机构控制其下落，连杆到挡板侧面之间距离减小，当距离小于闭合节点值86mm时，传感器通过信号传输保持工业相机与校准传感器电路的闭合；当距离大于断开节点值时107mm，传感器通过信号传输实现工业相机、校准传感器的电源断开。这样就可以避免在不同的田间移动时，或者在运输过程中还在不断监测。工作状态判断有利于节约电能，还可以避免不在移栽状态时，也发出警报声。

当工业相机，校准传感器处于工作状态时，工控机中的软件对拍摄的图像进行处理，不断计算并反馈给操作者。当计算值小于设定指标时，可实时发出警示信号提醒操作者。

如图4-6所示：本发明还涉及一种油菜移栽田间作业质量在线监测系统的监测方法，其特征在于包括以下几个步骤：

第一步、校准数据库的建立

1.1)选择量程为l1，刻度明显的直尺作为标定对象，将直尺固定于地面；

1.2)将相机固定在高度可以调节的支架上，通过支架高度的调节，带动校准传感器的高度变化；

1.3)从距离地面50cm高度开始，到250cm止，每1cm拍摄一张照片，一共拍摄200张照片；

1.4)图片进行打印，测量图片上固定刻度的直尺的长度lx’；

1.5)多次拍摄，取测量的平均值作为lx；

1.6)以距离地面高度为横坐标，为纵坐标，建立散点图，得到拟合的函数图像；

第二步、油菜移栽后的图像处理步骤

2.1)对油菜移栽后的图像进行拉普拉斯锐化，提高图像的对比度；

2.2)基于otsu方法对图像进行二值分割；

2.3)利用m个半径不同圆形的结构元素对图像进行腐蚀，利用n个边长不同的正方形的结构元素对图像m1进行膨胀，选出异常连通域最少的组合即为最优的膨胀结构元素；

2.4)利用最优的腐蚀膨胀结构元素对二值图像进行先腐蚀后膨胀，得到图像a；

2.5)根据分水岭分割算法，得出图像a的轮廓和面积，计算出质心；

2.6)依次将照片进行配准，计算出相邻的连通域质心之间的欧式距离x；

第三步、工控机计算校正步骤

3.1)根据校准传感器数据得出的函数图像，工控机经过插值计算得到实际高度对应的误差系数k；

3.2)工控机计算得到综合距离y，y＝k×x，当y≥300mm时，即为漏载，当y<300mm时，即为正常移栽状态，记录穴盘苗数m，漏载数目m0；

3.3)输出株距y，漏载率p，

3.4)当p≥8％时，开始触发报警状态，提醒操作员移栽机发生故障；当漏载率超过阈值时，工控机将信号传输到上位机，上位机将信息传输到信号显示器并发出警报声。

本实施例采用本方法后，能够有效监测油菜移栽过程的实时情况，大幅度降低移栽过程装置故障的发生概率，提高机具作业效率，降低人力劳动强度，提高工作收益。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点,对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。