本發(fā)明涉及智能噴灑系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于高光譜實時探測技術(shù)的智能噴灑系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
目前，使用飛機(jī)進(jìn)行農(nóng)田的農(nóng)藥噴灑、施肥越來越常見。農(nóng)藥、肥料噴灑的量往往是在飛機(jī)飛行前就設(shè)定好，是一個固定的量，但整個地塊作物生長狀況不一樣，有些地方缺肥或有病蟲害，但有些地方卻是健康的，如果整個地塊都按一個量來噴灑，勢必會造成農(nóng)藥和肥料的浪費以及對環(huán)境的污染。
現(xiàn)有技術(shù)中智能噴灑系統(tǒng)的研究有：小型無人機(jī)機(jī)載農(nóng)藥變量噴灑系統(tǒng)設(shè)計(徐興，2014)、無人機(jī)噴灑技術(shù)的研究(吳小偉)、農(nóng)藥噴灑多旋翼無人機(jī)控制系統(tǒng)研究(黃水長)、無人機(jī)噴灑農(nóng)藥控制系統(tǒng)設(shè)計(陳愛國)等研究的噴灑系統(tǒng)，均無法對作物進(jìn)行實時的探測，更不能實時探測藥量。
因此，本發(fā)明將從解決精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)中對高光譜遙感信息的實時性要求出發(fā)，研究基于高光譜遙感信息實時獲取的重大技術(shù)問題，研制形成面向精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的實時智能噴灑感系統(tǒng)，解決高光譜遙感信息獲取過程所碰到的數(shù)據(jù)量大、處理流程長、時效性差等技術(shù)難題，為農(nóng)田作物生長狀況的實時監(jiān)測和診斷，精準(zhǔn)變量施肥管理技術(shù)的實施提供依據(jù)。
技術(shù)實現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供了一種基于高光譜實時探測技術(shù)的智能噴灑系統(tǒng)，實時根據(jù)遙感信息獲取病蟲害狀況，并依據(jù)此病蟲害信息進(jìn)行智能噴灑。
為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種基于高光譜實時探測技術(shù)的智能噴灑系統(tǒng)，其特征是，包括作物病蟲害信息提取系統(tǒng)和智能噴灑系統(tǒng)；
作物病蟲害信息提取系統(tǒng)包括遙感影像獲取單元、異常探測單元和病蟲害信息提取單元和信息輸出反饋單元，遙感影像獲取單元利用高光譜成像儀獲取作物區(qū)域的高光譜遙感影像，異常探測單元對高光譜遙感影像數(shù)據(jù)逐行進(jìn)行異常探測獲得異常探測結(jié)果，病蟲害信息提取單元對異常探測結(jié)果進(jìn)行閾值判斷獲得作物病蟲害的狀況，信息輸出反饋單元將作物病蟲害的狀況傳輸至智能噴灑系統(tǒng)；
智能噴灑系統(tǒng)依據(jù)作物病蟲害的狀況對作物進(jìn)行變量噴灑。
進(jìn)一步的，異常探測單元中采用rx異常探測方法來提取病蟲害信息。
進(jìn)一步的，計算第n行異常探測結(jié)果公式為：
其中ri表示獲取的第n行數(shù)據(jù)xn的第i個像元，
進(jìn)一步的，n行高光譜數(shù)據(jù)的背景自相關(guān)矩陣的逆矩陣
式中，i為l×l維單位矩陣。
進(jìn)一步的，作物病蟲害信息提取系統(tǒng)還包括缺水狀況提取單元，缺水狀況提取單元根據(jù)高光譜遙感影像數(shù)據(jù)獲得作物是否缺水狀況。
進(jìn)一步的，作物病蟲害信息提取系統(tǒng)還包括缺肥狀況提取單元，缺肥狀況提取單元根據(jù)高光譜遙感影像數(shù)據(jù)獲得作物是否缺肥狀況。
進(jìn)一步的，信息輸出反饋單元與智能噴灑系統(tǒng)的連接采用rs485串口通信方式或rj45網(wǎng)絡(luò)方式。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明所達(dá)到的有益效果是：本發(fā)明通過作物病蟲害信息提取系統(tǒng)利用高光譜實時探測作物健康狀況，并將結(jié)果反饋給智能噴灑系統(tǒng)，以實現(xiàn)對作物實時變量噴灑，可以大大減少農(nóng)藥的施用量，做到按需噴灑，從根本上解決農(nóng)藥污染問題。
附圖說明
圖1是本發(fā)明系統(tǒng)中異常探測單元的處理流程圖。
具體實施方式
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步描述。以下實施例僅用于更加清楚地說明本發(fā)明的技術(shù)方案，而不能以此來限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。
本發(fā)明的一種基于高光譜實時探測技術(shù)的智能噴灑系統(tǒng)，包括作物病蟲害信息提取系統(tǒng)和智能噴灑系統(tǒng)；
作物病蟲害信息提取系統(tǒng)包括遙感影像獲取單元、異常探測單元和病蟲害信息提取單元和信息輸出反饋單元，遙感影像獲取單元利用高光譜成像儀獲取作物區(qū)域的高光譜遙感影像，異常探測單元對高光譜遙感影像數(shù)據(jù)逐行進(jìn)行異常探測獲得異常探測結(jié)果，病蟲害信息提取單元對異常探測結(jié)果進(jìn)行閾值判斷獲得作物病蟲害的狀況，信息輸出反饋單元將作物病蟲害的狀況傳輸至智能噴灑系統(tǒng)；
智能噴灑系統(tǒng)依據(jù)作物病蟲害的狀況對作物進(jìn)行變量噴灑。
本發(fā)明通過作物病蟲害信息提取系統(tǒng)利用高光譜實時探測作物健康狀況，并將結(jié)果反饋給智能噴灑系統(tǒng)，以實現(xiàn)對作物實時變量噴灑，可以大大減少農(nóng)藥的施用量，做到按需噴灑，從根本上解決農(nóng)藥污染問題。
以下對本發(fā)明系統(tǒng)中各單元進(jìn)行詳細(xì)介紹：
目前，有大量文獻(xiàn)研究作物病蟲害脅迫下引起光譜響應(yīng)的生理機(jī)制，這些機(jī)理機(jī)制為利用高光譜遙感技術(shù)研究感病植物在不同波段下的光譜響應(yīng)變化奠定理論依據(jù)。
本發(fā)明中遙感影像獲取單元采用推掃式高光譜成像儀獲取目標(biāo)作物的高光譜影像，此光譜儀采用逐行采集數(shù)據(jù)的方式獲取地物信息。
數(shù)據(jù)獲取的方式不同，存儲與傳輸數(shù)據(jù)的方式也不同，由于高光譜數(shù)據(jù)具有高維性，數(shù)據(jù)量巨大，為了減輕實時探測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸與存儲負(fù)擔(dān)，需要針對特定的成像方式采用與其對應(yīng)的算法，減少因數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換所引起的時間消耗。由于推掃式高光譜成像光譜儀采用逐行采集數(shù)據(jù)的方式，因此，采用與數(shù)據(jù)獲取方式相同的方式進(jìn)行實時處理，大大節(jié)約數(shù)據(jù)傳輸與轉(zhuǎn)換所帶來的時間消耗和存儲負(fù)擔(dān)。在高光譜遙感器獲取每一行數(shù)據(jù)的同時，將該行掃描數(shù)據(jù)實時輸入到異常探測單元中，采用逐行處理的方式，不改變數(shù)據(jù)的格式，直接利用原始數(shù)據(jù)進(jìn)行探測運算，在保證精度的前提下，提高探測效率。
異常探測單元中采用rx異常探測方法來提取病蟲害信息，具體過程如圖1所示，首先計算行掃描rx算法的起始行數(shù)n：
n＝band/l+1(1)
式中，band為成像光譜儀所獲取的波段數(shù)目，l為行掃描所獲取的每一行高光譜數(shù)據(jù)的樣本數(shù)。
隨著掃描行數(shù)(記高光譜數(shù)據(jù)總行數(shù)為n，n<n)，計算n行高光譜數(shù)據(jù)的背景自相關(guān)矩陣r(n)，并對其求逆
其中，xi代表實時掃入的第i行高光譜數(shù)據(jù)，為band×l維矩陣。n為掃入的行數(shù)(隨著掃描行數(shù)的增加而增加)。
由于每一次進(jìn)入一行數(shù)據(jù)，都需要計算背景矩陣r(n)和
對于實時掃入的第(n)行數(shù)據(jù)，根據(jù)前(n-1)高光譜數(shù)據(jù)的背景自相關(guān)矩陣的逆矩陣
式中，i為l×l維單位矩陣。
計算第n行異常探測結(jié)果并輸出：
其中ri表示獲取的第n行數(shù)據(jù)xn的第i個像元，此公式的計算結(jié)果是單個像元的探測結(jié)果。
對于掃入的第(n+1)行，按照公式(3)重新計算背景自相關(guān)矩陣的逆矩陣，并根據(jù)公式(4)輸出探測結(jié)果，直到n行數(shù)據(jù)全部掃完(n為成像光譜儀一景的行數(shù))。
病蟲害信息提取單元根據(jù)輸出的探測結(jié)果，結(jié)合作物的光譜信息確定異常信息的閾值t，根據(jù)閾值t判別是否異常，將異常信息標(biāo)識到探測結(jié)果上。
信息輸出反饋單元將作物病蟲害的狀況傳輸至智能噴灑系統(tǒng)，此信息輸出反饋單元與智能噴灑系統(tǒng)的連接采用rs485串口通信方式、rj45網(wǎng)絡(luò)方式。
智能噴灑系統(tǒng)根據(jù)每一行實時探測結(jié)果，來判斷并決定是否噴灑、噴灑量大小、噴灑位置、噴灑范圍控制。即，高光譜成像儀每掃描一行，智能噴灑系統(tǒng)就得到一行的實時作物病蟲害信息，根據(jù)這行的病蟲害信息獲知有無病蟲害，來選擇是否噴灑，嚴(yán)重程度來決定噴灑量大?。蝗绻胁∠x害，病蟲害的位置也可獲取，針對病蟲害的位置來進(jìn)行噴灑。此智能噴灑系統(tǒng)屬于現(xiàn)有技術(shù)，具體如何噴灑參見現(xiàn)有技術(shù)。
作為本發(fā)明的優(yōu)選實施例，作物病蟲害信息提取系統(tǒng)還包括缺水狀況提取單元，根據(jù)高光譜遙感影像數(shù)據(jù)獲得作物是否缺水狀況。作物缺水時在高光譜影像中會有光譜變化，依據(jù)高光譜影像進(jìn)行是否缺水判斷過程參見現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)《水分脅迫下棉花冠層葉片高光譜數(shù)據(jù)生物量變化研究》(孫莉，2006，科學(xué)通報)。
作為本發(fā)明的優(yōu)選實施例，作物病蟲害信息提取系統(tǒng)還包括缺肥狀況提取單元，根據(jù)高光譜遙感影像數(shù)據(jù)獲得作物是否缺肥狀況。作物缺肥時在高光譜影像中會有光譜變化，依據(jù)高光譜影像進(jìn)行是否缺水判斷過程參見現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)《養(yǎng)分脅迫下的夏玉米生理反應(yīng)與光譜特征》(程一松，2001，資源科學(xué))。
以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明技術(shù)原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和變型，這些改進(jìn)和變型也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。