网络型多维度植物成像NDVI测量装置

摘要

网络型多维度植物成像NDVI测量装置，其特征在于，通过摄像头成像系统控制垂直电机，驱动铅垂丝杠旋动轴，带动铅垂丝母在竖直方向移动，从而完成摄像头在竖直方向上的高度调节，成像系统控制水平电机，驱动水平丝杆旋动轴，带动水平丝母在水平方向移动，从而完成摄像头在水平方向上的位置调节；装置进行NDVI测量时，由660nm摄像头先行拍摄，后通过水平丝杠的回转运动，将两摄像头左移0.15m，后由740nm摄像头进行拍摄，获得两波段同视场图像的灰度值；所获图像通过有线或无线的方式传送给服务器，利用两波段的图像自动生成视场内NDVI分布图；所述装置通过物联网平台对其进行控制，并支持监测结果的自动采集、上传、存储、查询等。

说明书

技术领域

本发明为网络型多维度植物成像NDVI测量装置，属于植物生长信息监测领域。

背景技术

遥感技术在农业上获得了大量的应用，其中归一化植被指数已经广泛用来定性和定量评价植被覆盖及其生活力，简称为NDVI（NormalizedDifferenceVegetationIndex），它是基于物理知识，将电磁波辐射、大气、土壤、植被覆盖等相互作用集合在一起，对植物在红光和近红外波段的光谱进行分析。NDVI广泛应用在植被研究中，是植物生长状态以及植被空间分布密度的最佳指示因子，与植被分布密度呈线性相关。NDVI对绿色植被的长势和生长量非常敏感，可用于进行区域和全球尺度上的植被覆盖研究和识别不同生态区，监测地球表面的植被物候类型，评价植被生长期与干枯季节的长短，监测野生动物的栖息地变化，农作物识别和产量预报等。基于航空、航天遥感手段的NDVI监测，多用于区域尺度的作物生长状况调查，而受季节变化、传感器分辨率、过境时间、监测周期等因素的影响，监测数据的质量、可用性、连续性、周期性、时效性相对较弱。另外，NDVI还受到观测条件和研究尺度的限制。作物表面反射的电磁波经过大气和气溶胶，能量会被衰减。衰减程度不同，得到的NDVI也不同。图像间土壤亮度的差异也会对NDVI造成影响。不同传感器获得的NDVI间存在差异。研究的空间尺度不同也造成NDVI间的差异。这些因素导致NDVI监测的空间、时间分辨率较低，NDVI的区域间、传感器间的可比性较差，尚不能满足田间尺度作物精细观测的需求。因此，适用于田间尺度全天候观测的NDVI仪器亟待应用于精细农作中，以便及时反映作物的生长状况、营养状况、潜在产量以及病虫害等，是田间尺度作物的冻害、干热风、病虫害、干旱以及养分胁迫等监测的重要手段，并有助于提高灾害防治的及时性。然而，近年来在中国NDVI值的测定很多是依赖于国外进口的光谱仪器，成本高，在很大程度上限制了这一技术在中国大面积的应用普及，为此开展这方面仪器的研究与开发具有重要的现实意义。

目前，市面上流行的NDVI仪多利用日光作光源，将仪器置于植被上方一定高度，分别运用可见光、近红外特定波长范围的窄带滤光片（可见光范围内多采用620~680nm窄带滤镜，近红外范围内多采用770~860nm窄带滤镜），过滤出植被反射光谱中的两个目标波段，对二波段反射率进行归一化运算，获得视场内的NDVI平均值。

现有的NDVI仪器，多采用手持式或便携式设计，只能获得仪器视场范围内所有地物平均的归一化植被指数值，所获得的植被信息量相当有限。现行NDVI仪器中能兼具归一化植被指数提取和实时成像功能的仪器更是少之又少。另外，现行NDVI仪器多需人工操控，需测量人员实地测量，NDVI检测结果存储于设备内部，需手动记录或手动导出，这无疑会耗费大量的人力物力，且工作效率低下，因此，基于网络的NDVI自动测量装置的研发势在必行。

发明内容

本发明为了提供更方便的植被NDVI田间监测方式，针对现行NDVI仪器存在的应用缺点，以及实际生产生活需要，根据作物生长对日光的反射特性，提供一种用于测量归一化植被指数的新方法，旨在构造一种基于网络的NDVI测量与图像生成并行的自动化装置，该装置支持二维空间内观测点的自动调节和移动，以满足随植物生长而进行精细测量和观察的需要，并支持NDVI监测结果通过系统平台予以发布，为用户提供实时的作物生长信息。

本发明旨在设计网络型多维度植物成像NDVI测量装置。所述装置包括：水平电机、垂直电机、上水平滑轨、下水平滑轨、左铅垂滑轨、右铅垂滑轨、铅垂丝杠、水平丝杠、上水平滑块、下水平滑块、左水平滑块、右水平滑块、摄像头托台、云台、红光660nm波段摄像头、近红外740nm波段摄像头、支撑架、电机驱动器、无线通讯模块、水平丝姆、铅垂丝姆、铅垂丝杠旋动轴、水平丝杠旋动轴。

所述水平滑轨、铅垂滑轨、水平丝杠、铅垂丝杠和支撑架均具有防雨、防尘、防腐蚀、防盐雾的功能，其中上水平滑轨、下水平滑轨支撑上水平滑块、下水平滑块，上水平滑块和下水平滑块分别连接于铅垂丝杠的上下两端。左铅垂滑轨、右铅垂滑轨分别支撑左铅垂滑块、右铅垂滑块，左铅垂滑块、右铅垂滑块分别连接于水平丝杠的左右两端。铅垂丝杠和水平丝杠两端连接滑块的位置不设旋动丝，与丝杠中部旋动部位同轴连接，嵌套于丝杠旋动轴外，不随丝杠旋动。所述铅垂滑轨上设有铅垂丝母，铅垂丝母和铅垂丝杠紧密贴合，铅垂电机通过铅垂丝杠旋动轴带动铅垂丝杠转动，从而带动铅垂丝母在竖直方向运动，铅垂丝母与水平丝杠通过水平丝母连接，铅垂丝母的运动能直接带动水平丝杠在竖直方向运动。所述水平滑轨上设有水平丝母，水平丝母和水平丝杠紧密贴合，水平电机通过水平丝杠旋动轴带动水平丝杠转动，从而带动水平丝母在水平方向运动，水平丝母与水平丝杠通过铅垂丝母连接，水平丝母的运动能直接带动铅垂丝杠在水平方向运动。摄像头托台装设在铅垂丝杠上，与铅垂丝母上连接，摄像头托台上装设有云台摄像头，所述云台摄像头的水平移动是通过水平电机驱动水平丝杠，水平丝杠带动水平丝母，实现云台摄像头的水平移动。所述云台摄像头的垂直移动是通过铅垂电机来驱动铅垂丝杠，铅垂丝杠带动铅垂丝母实现云台摄像头的竖直移动。

两铅垂丝杠上分别装设红光660nm波段、近红外740nm波段云台摄像头，两摄像头分别由同款同设置云台摄像头，镜头处加设660nm、740nm窄带滤光片改装而成，其中660nm、740nm窄带滤光片半带宽为5nm，中心处透过率>95%。两摄像头共用同一水平丝杠，其高度一致，沿水平丝杠的水平运动幅度一致，因此两摄像头的相对位置固定，为使两摄像头在最短时间内分别获取相同视场范围内的图像信息，将两摄像头所连接的水平丝母中心位置的水平间距设为0.15m。两摄像头的参数设置一致，摄像头的拍摄角度定位采用同一控制系统，以保证两摄像头获取的视场范围相同。装置工作时，通过控制铅垂丝杠转动，调节两摄像头拍摄高度，通过控制水平丝杠转动，调节摄像头拍摄位置，通过摄像头成像系统，控制两摄像头处于同一拍摄角度，拍摄时由660nm摄像头先行拍摄，以获取660nm波段图像灰度信息，拍摄完毕后，水平丝杠自动回转，两摄像头自动左移0.15m，740nm摄像头到达660nm摄像头拍摄原位置，进行同视场自动拍摄，获得740nm波段图像灰度信息，并将图像数据传送给服务器。

由于NDVI由地物红光和近红外波段反射率计算获得，因此需将成像装置记录的视场灰度值转化为反射率值。由于环境、光照等因素影响，在每次测量前运用NDVI值为0的标准漫反射参考白板对装置进行校准。校准时调节摄像头角度，将摄像头对准布设于装置前方地面上的具有自动开启关闭防护盖功能的漫反射参考白板，摄像头成像系统控制漫反射白板防护盖自动开启，660nm和740nm摄像头分别在同一拍摄位置自动采集漫反射板图像信息，后漫反射板防护盖自动关闭。摄像头自动记录参考板在红光660nm和近红外740nm波段灰度值的全视场平均值，分别记作DN_R0、DN_NIR0。然后，利用装置进行目标地物图像采集，分别将视场内第i行j列的红光660nm和近红外740nm波段地物灰度值记为DN_Rij、DN_NIRij。根据公式：

（1）ref_R=DN_Rij/DN_R0

（2）ref_NIR=DN_NIRij/DN_NIR0

（3）NDVI=(ref_NIR-ref_R)/(ref_NIR+ref_R)

得到：

（4）NDVI=DN_Rij*DN_NIR0-DN_NIRij*DN_R0。

摄像头成像系统根据公式1、2、3、4，自动计算每个象元的NDVI值。摄像头成像系统通过相应的控制程序和协议能够使服务器远程控制装置的拍摄。

本发明以作物远程监控平台为依托，通过远程控制技术对NDVI的监测进行控制。系统平台对该装置设置了专门的操作界面，包括NDVI的校准控制，丝杠的左、右、上、下移动控制，摄像头的角度控制、物距控制、对焦控制等功能。所述水平电机和铅垂电机均通过电机驱动器进行驱动，所述电机驱动器的控制接口连接有无线通讯模块，所述无线通讯模块可以设置成无线或有线方式，本发明通过无线通讯模块可以以无线或有线的方式连接远端的服务器，通过相应的控制程序和协议能够使远端的服务器远程控制水平电机和铅垂电机的运动从而控制本发明的运动。所述云台摄像头的转动是通过集成于摄像头球机内部的摄像控制模块进行驱动，所述控制模块也可通过有线和无线的方式接入网络，通过系统平台端的控制程序对本发明进行控制。电机驱动器控制接口和摄像头控制模块采用了Socket通信方法，根据TCP/IP协议进行数据传输，基于Windows系统平台，设计了客户端应用程序，用户可以通过PC、手机或平板电脑的客户端，对丝杠和云台摄像头进行远程控制，从而实现图像和NDVI的获取。

本发明的两个自由度的运动是由高精度的丝杠实现传动，由于丝杠的定位精度高，速度可调范围广，这样通过对云台摄像头的两自由度的控制可以实现对一定范围内的农作物精确定位，精细实时的观察，结合云台摄像头的360度旋转，可以从更多的角度获得作物图像，可以实现远程对农作物实时观察和诊断。本发明通过丝杠驱动云台摄像头在垂直和水平方向移动，通过上位机可以实现把云台摄像头定位在二维平面上的任意一个点，实现对二维范围内不同位置的农作物监控成像，本发明可通过有线或无线的方式连接远端的服务器，通过相应的控制程序和协议能够使远端的服务器远程控制水平电机和铅垂电机的运动从而控制本发明的运动。用户也可以通过PC或手机等终端实时观察作物的生长情况，并控制本发明的移动实现对不同区域的农作物进行观测。所述NDVI测量结果，对农作物缺素、冻害、病虫害、干旱等的监测具有重要的意义和价值。

本发明能够克服光谱仪测量NDVI时视场角小、设备结构复杂、价格昂贵、操作困难的缺点，能够完成田间作物NDVI的实时、快速、准确的测量，且设备架设简便，并进行防水、防盐雾设计以增强其田间适应性，多台设备并行使用，可完成田间作物图像和NDVI的多点、多区域监测，将监测范围由田块尺度上升为区域尺度，对于区域尺度精细农作具有重要的意义。利用本发明可对植被生长状况、生产率及其他生物物理、生物化学特征进行实时、多点、多区域田间监测，以完善NDVI在植被长势监测、产量估测、营养诊断以及病虫害管理中的数据支持，在土地利用覆盖监测、植被覆盖密度评价、作物识别、灾害预警和作物产量预报等方面广泛适用。

附图说明

图1为网络型多维度植物成像NDVI测量装置正视图。

图中，1-水平电机，2-垂直电机，3-上水平滑轨，4-下水平滑轨，5-左铅垂滑轨，6-右铅垂滑轨，7-铅垂丝杠，8-水平丝杠，9-上水平滑块，10-下水平滑块，11-左水平滑块，12-右水平滑块，13-摄像头托台，14-云台，15-红光660nm波段摄像头，16-近红外740nm波段摄像头，17-支撑架，18-电机驱动器，19-无线通讯模块。

图2为网络型多维度植物成像NDVI测量装置侧视图。

图中，2-垂直电机，8-水平丝杠，9-上水平滑块，10-下水平滑块，13-摄像头托台，14-云台，15红-光660nm波段摄像头，16-近红外740nm波段摄像头，17-支撑架，20-水平丝母，21-铅垂丝母，22-铅垂丝杠旋动轴。

图3为网络型多维度植物成像NDVI测量装置水平丝杠与垂直丝杠连接处结构图。

图中，8-水平丝杠，16-近红外740nm波段摄像头，20-水平丝母，21-铅垂丝母，22-铅垂丝杠旋动轴，23-水平丝杠旋动轴。

实施例

下面结合附图和实施例对本发明进行详细描述。如图1、图2和图3所示，本发明包括：水平电机1、垂直电机2、上水平滑轨3、下水平滑轨4、左铅垂滑轨5、右铅垂滑轨6、铅垂丝杠7、水平丝杠8、上水平滑块9、下水平滑块10、左水平滑块11、右水平滑块12、摄像头托台13、云台14、红光660nm波段摄像头15、近红外740nm波段摄像头16、支撑架17、电机驱动器18、无线通讯模块19、水平丝姆20、铅垂丝姆21、铅垂丝杠旋动轴22、水平丝杠旋动轴23。

所述网络型多维度植物成像NDVI测量装置，通过摄像头成像系统控制垂直电机2，驱动铅垂丝杠旋动轴22，带动铅垂丝母21在竖直方向移动，从而完成摄像头在竖直方向上的高度调节。成像系统控制水平电机1，驱动水平丝杆旋动轴23，带动水平丝母20在水平方向移动，从而完成摄像头在水平方向上的位置调节。装置进行NDVI测量时，由660nm摄像头15先行拍摄，后通过水平丝杠8的回转运动，将两摄像头左移0.15m，后由740nm摄像头16进行拍摄，获得两波段同视场图像的灰度值。所获图像通过有线或无线的方式传送给服务器，根据NDVI计算和自动校正算法，利用两波段的图像自动生成视场内NDVI分布图。所述装置可通过相应的控制程序和协议，能够使远端的服务器远程控制装置的拍摄，自动存储图像信息，并生成NDVI测量结果，为远程诊断提供服务。

本发明是以作物远程监控系统为平台，以移动式多维度植物成像NDVI测量装置为任务载荷，以红光和近红外图像数据快速获取和处理技术为支撑，高机动、低成本、自动化地快速获取田间作物长势信息，并自动上传至系统平台，用户通过分析图像及NDVI信息，便可以发现杂草爆发、灌溉、病虫害、施肥等异常情况，并以此为依据，有针对性地采取措施进行农田管理。快速、无损、实时的进行田间NDVI监测，在作物农情监测、灾害预报、监测与评估等领域协助专家迅速、及时地获取数据信息，并且在抗击自然灾害时，能够尽早获得详尽的信息，从而有效减少损失。移动式多维度植物成像NDVI测量装置弥补了卫星遥感和普通航空遥感监测NDVI时时效性不强、缺乏机动灵活性、受限于天气条件、很难获取云下影像的不足，前景十分可期。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明公开的范围内，能够轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明权利要求的保护范围内。