農田監測系統及監測農田的方法

農田監測系統及監測農田的方法
【專利摘要】本發明公開了一種農田監測系統及監測農田的方法。所述系統包括無人機和監控終端，所述無人機和所述監控終端無線連接；其中，所述無人機用于根據設置在農田中的位置標識定位樁識別農田類型，并根據所述農田類型對農田的農業警情進行監測，將監測到的農田的農業警情發送給所述監控終端；所述監控終端用于接收所述無人機發送來的農田的農業警情，并通知管理人員。本發明實現了大范圍內無人值守農田的智能監測與預警，不再依賴于人力進行監測，可以減少人力資本的投入，提高了大規模的農業生產中的農田監測效率。
【專利說明】
農田監測系統及監測農田的方法
技術領域
[0001] 本發明實施例涉及農業監測預警技術，尤其涉及一種農田監測系統及監測農田的 方法。
【背景技術】
[0002] 我國是傳統農業大國，農業是我國國民經濟的命脈。我國信息化、智能化的農業發 展還處于初步階段，隨著大規模的土地流轉使得大規模的自動化的農業生產成為未來的重 要農業生產方式。
[0003] 而在現有技術中，農業管理還高度的依賴于人力，容易造成資源的浪費，生產成本 過高，不利于解放農村勞動力，而且過于依賴工作人員的經驗，所以使得農作物的生產管理 效率不高，這種現象在大規模的農業生產中尤為明顯。

【發明內容】

[0004] 有鑒于此，本發明實施例提供一種農田監測系統及監測農田的方法，以提高大規 模的農業生產中的農田監測效率。
[0005] 第一方面，本發明實施例提供了一種農田監測系統，所述系統包括無人機和監控 終端，所述無人機和所述監控終端無線連接；
[0006] 其中，所述無人機用于根據設置在農田中的位置標識定位粧識別農田類型，并根 據所述農田類型對農田的農業警情進行監測，將監測到的農田的農業警情發送給所述監控 終端；
[0007] 所述監控終端用于接收所述無人機發送來的農田的農業警情，并通知管理人員。
[0008] 第二方面，本發明實施例還提供了一種監測農田的方法，所述方法包括：
[0009] 通過無人機在農田上空巡航，根據設置在農田中的位置標識定位粧識別農田類 型，并根據所述農田類型對農田的農業警情進行監測，將監測到的農田的農業警情發送給 監控終端；
[0010]通過監控終端接收所述無人機發送來的農田的農業警情，并通知管理人員。
[0011] 本發明實施例的技術方案，通過無人機根據設置在農田中的位置標識定位粧識別 出農田類型，再根據農田類型監測農田的農業警情，并發送給監控終端，由監控終端通知管 理人員，實現了大范圍內無人值守農田的智能監測與預警，不再依賴于人力進行監測，可以 減少人力資本的投入，提高了大規模的農業生產中的農田監測效率。
【附圖說明】
[0012] 圖1是本發明實施例一提供的一種農田監測系統的結構示意圖；
[0013] 圖2是本發明實施例提供的農田監測系統監測農田的示意圖；
[0014] 圖3是本發明實施例二提供的一種農田監測系統的結構示意圖；
[0015] 圖4是本發明實施例提供的農田監測系統中的嵌入式載荷計算機的結構示意圖；
[0016] 圖5是本發明實施例三提供的一種農田監測系統監測農田的方法的流程圖。
【具體實施方式】
[0017] 下面結合附圖和實施例對本發明作進一步的詳細說明。可以理解的是，此處所描 述的具體實施例僅僅用于解釋本發明，而非對本發明的限定。另外還需要說明的是，為了便 于描述，附圖中僅示出了與本發明相關的部分而非全部內容。
[0018] 實施例一
[0019] 圖1是本發明實施例一提供的一種農田監測系統的結構示意圖，本實施例可適用 于在大規模的農業生產中對農田進行監測的情況，如圖1所示，本實施例所示的農田監測系 統包括:無人機10和監控終端20，無人機10和監控終端20無線連接。
[0020] 其中，無人機10用于根據設置在農田中的位置標識定位粧識別農田類型，并根據 所述農田類型對農田的農業警情進行監測，將監測到的農田的農業警情發送給監控終端 20；
[0021] 監控終端20用于接收無人機10發送來的農田的農業警情，并通知管理人員。
[0022]圖2是本發明實施例提供的農田監測系統監測農田的示意圖，如圖2所示，利用包 括無人機10和監控終端20的農田監測系統監測農田時，需要對農田進行數字化，以利于無 人機10進行識別定位，主要是在農田中設置位置標識定位粧31，來實現數字化農田30，在無 人機的監測視場中位置標識定位粧的數量要不少于兩個。其中，位置標識定位粧是為了方 便無人機對農田進行識別和定位，在農田中設置具有位置標識的定位粧，以實現農田的數 字化。所述位置標識定位粧優選包括位置標識，所述位置標識優選包括農田類型和所述位 置標識定位粧在農田坐標系中的位置坐標的信息，即位置標識主要包含該定位粧在農田坐 標系中的位置坐標及其特征，如：（ID，X，y)，其中，ID表示農田類型（如小麥田、玉米田、西紅 柿田等等），（X，y)為該定位粧在農田坐標系中的位置坐標。其中，定位粧在農田坐標系中的 位置坐標是定位粧的中心在農田坐標系中的位置坐標。
[0023]其中，所述位置標識為高冗余度的二維碼標識。
[0024]在數字化農田中，使用的位置標識定位粧為農田中的凸起部分，上端面的位置標 識是用耐腐蝕漆噴涂的具有高冗余度的二維碼(QR CODE)。使用高冗余度二維碼的有益之 處在于無人機拍攝同一地塊的時間較短，拍攝過程中容易受氣流影響使得拍攝相機出現晃 動，這需要無人機能夠快速對二維碼進行識別，而且農田環境復雜需要無人機巡航相機（即 定位識別相機)對二維碼具有較強糾錯能力，而具有較高冗余度的二維碼可以滿足這些要 求。
[0025]無人機10可以根據所述位置標識定位粧識別出當前巡航農田的農田類型，再根據 所述農田類型，調用與所述農田類型相應的識別算法監測農田的農業警情，當監測到農業 警情時，將所述農業警情發送給監控終端20。監控終端20接收到無人機10發送來的農田的 農業警情后，通過郵件或者短信的方式通知管理人員，使得管理人員盡快采取措施消除所 述農業警情。其中，所述農田的農業警情優選包括下述至少一種:苗情警情、長勢警情和病 蟲害警情。
[0026]通過無人機可以實現不同農作物指標的監測，如：苗情監測、長勢監測、病蟲害監 測等等。
[0027]本實施例的技術方案，通過無人機根據設置在農田中的位置標識定位粧識別出農 田類型，再根據農田類型監測農田的農業警情，并發送給監控終端，由監控終端通知管理人 員，實現了大范圍內無人值守農田的智能監測與預警，不再依賴于人力進行監測，可以減少 人力資本的投入，提高了大規模的農業生產中的農田監測效率，而且可以及時發現農業生 產過程中的各類警情、降低農作物受各類病害影響的概率、控制養殖成本，有利于更加科 學、規范的進行農業生產。
[0028] 實施例二
[0029]圖3是本發明實施例二提供的一種農田監測系統的結構示意圖，本實施例在實施 例一的基礎上進行了優化，將無人機10進一步優化為包括定位識別相機11、監測相機12和 嵌入式載荷計算機13。
[0030] 其中，定位識別相機11和監測相機12同軸固定安裝在無人機10的無人機平臺上， 且分別與嵌入式載荷計算機13連接，嵌入式載荷計算機13與監控終端20無線連接；
[0031] 定位識別相機11用于拍攝設置在農田中的位置標識定位粧，并將拍攝到的定位圖 像傳輸至嵌入式載荷計算機13;
[0032] 監測相機12用于拍攝農田的監測圖像，并將拍攝到的監測圖像傳輸至嵌入式載荷 計算機13，來監測農田中的農業警情；
[0033] 嵌入式載荷計算機13用于接收所述定位圖像和所述監測圖像，根據所述定位圖像 和所述監測圖像，識別所述監測圖像中的農業警情，并根據所述定位圖像定位出所述農業 警情的位置坐標，并將所述監測圖像和所述農業警情的位置坐標發送給監控終端20。
[0034] 定位識別相機11和監測相機12同軸固定安裝在無人機10的無人機平臺上，且同時 拍攝定位圖像和監測圖像，從而根據定位圖像和監測圖像分析出農田的農業警情及相應的 位置坐標。
[0035] 監測相機為高清相機，可以包括多個具有不同功能的相機，根據不同的農田和農 情來使用不同類型的相機，如：用紅外相機來監測農田鼠害、使用高光譜相機來監測農作物 的病害(如小麥條銹病、水稻的稻痕病等等）。
[0036] 圖4是本發明實施例提供的農田監測系統中的嵌入式載荷計算機的結構示意圖， 如圖4所示，嵌入式載荷計算機13包括FPGA(Field - Programmable Gate Array，現場可編 程門陣列）131、DSP(Digital Signal Processor，信號處理器）132和信號發生器133;
[0037] 其中，FPGA 131與DSP 132連接，DSP 132與信號發生器133連接，信號發生器133與 監控終端20無線連接；
[0038] FPGA 131用于接收所述定位圖像和所述監測圖像，并獲取所述定位圖像和所述監 測圖像的數據，將所述圖像的數據傳輸給DSP 132;
[0039] DSP 132對所述定位圖像和所述監測圖像的數據進行分析，得到農田的農業警情 和農業警情的位置坐標；
[0040]信號發生器133用于將所述農田的農業警情和所述農業警情的位置坐標發送至監 控終端20。
[0041 ] 其中，FPGA為接口電路，DSP為運算電路。DSP 132與信號發生器133之間通過串口 或者IO (Input/Output，輸入/輸出）連接。
[0042]本實施例的技術方案，通過無人機上的定位識別相機和監測相機拍攝定位圖像和 監測圖像，由嵌入式載荷計算機對所述定位圖像和監測圖像進行分析，識別出農田的農業 警情及相應的位置坐標，提高了識別的精度，進一步提高了監測效率。
[0043]在上述技術方案的基礎上，當所述無人機在預設巡航高度范圍內時，在所述定位 識別相機的監測視場中位置標識定位粧的數量優選為至少兩個，且所述位置標識定位粧的 間距滿甩加下備件·
[0044；
[0045」XlTUi且仍、IcU Jtti，nmin為所述預設巡航尚度范圍中的最低巡 航高度、Smin為無人機中定位識別相機的視場角最小值，σ為無人機工作時的穩定度。
[0046] 通過位置標識定位粧滿足的上述條件，可以保證無人機的定位精度。
[0047] 實施例三
[0048]圖5是本發明實施例三提供的一種農田監測系統監測農田的方法的流程圖，本實 施例所述的農田監測系統監測農田的方法是以上述實施例提供的農田監測系統來執行，具 體包括如下步驟：
[0049] 步驟510,通過無人機在農田上空巡航，根據設置在農田中的位置標識定位粧識別 農田類型，并根據所述農田類型對農田的農業警情進行監測，將監測到的農田的農業警情 發送給監控終端。
[0050] 通過無人機在待監測的農田上空巡航，根據所述位置標識定位粧識別出當前巡航 農田的農田類型，再根據所述農田類型，調用與所述農田類型相應的識別算法監測農田的 農業警情，當監測到農業警情時，將所述農業警情發送給監控終端。
[0051] 其中，根據設置在農田中的位置標識定位粧識別農田類型，并根據所述農田類型 對農田的農業警情進行監測，將監測到的農田的農業警情發送給監控終端優選包括：
[0052] 通過定位識別相機拍攝設置在農田中的位置標識定位粧，并將拍攝到的定位圖像 傳輸至嵌入式載荷計算機；
[0053]通過監測相機拍攝農田的監測圖像，并將拍攝到的監測圖像傳輸至嵌入式載荷計 算機；
[0054] 通過嵌入式載荷計算機接收所述定位圖像和所述監測圖像，根據所述定位圖像識 別當前農田類型，根據當前農田類型對所述監測圖像進行識別，如果識別到農田的農業警 情，則對與所述監測圖像相同時戳的定位圖像進行識別，定位出所述農業警情的位置坐標， 將所述監測圖像和所述農業警情的位置坐標發送給所述監控終端。
[0055] 當無人機啟動后，為定位識別相機、監測相機和嵌入式載荷計算機通電。由于當所 述無人機在預設巡航高度范圍內時，在所述定位識別相機的監測視場中位置標識定位粧的 數量為至少兩個，定位識別相機拍攝到的定位圖像中包括至少兩個位置標識定位粧。監測 相機與定位識別相機同軸安裝在無人機平臺上，且監測相機的視場角小于定位識別相機的 視場角，那么監測相機拍攝到的監測圖像是定位識別相機拍攝到的定位圖像的中間的一部 分。
[0056] 嵌入式載荷計算機接收到所述定位圖像和監測圖像后，先識別所述定位圖像中的 位置標識定位粧，并識別所述位置標識定位粧中的當前農田類型，從而根據當前農田類型 調用相應農田類型的識別算法對所述監測圖像進行識別，即不同類型的農作物需要根據相 應類型的識別算法進行識別，并調用相應的監測算法來識別農田的農業警情（當監測苗情 時，調用苗情算法；當檢測病蟲害時，調用病蟲害算法）。如果識別到出現了農業警情(如病 蟲害警情），則根據與識別出農業警情的監測圖像相同時戳的定位圖像進行識別，通過定位 圖像中的至少兩個位置標識定位粧，來定位出農業警情的位置坐標。提高了農業警情的監 測精度，并提高了農業警情的位置坐標的定位精度。
[0057]步驟520,通過監控終端接收所述無人機發送來的農田的農業警情，并通知管理人 員。
[0058]通過監控終端接收無人機發送來的農田的農業警情后，并以郵件或者短信的方式 通知管理人員，使得管理人員盡快采取措施消除所述農業警情。
[0059] 本實施例的技術方案，通過無人機根據設置在農田中的位置標識定位粧識別出的 農田類型，再根據農田類型監測農田的農業警情，并發送給監控終端，由監控終端通知管理 人員，實現了大范圍內無人值守農田的智能監測與預警，不再需要人力進行監測，可以減少 人力資本的投入，提高了大規模的農業生產中的農田監測效率，而且可以及時發現農業生 產過程中的各類警情、降低農作物受各類病害影響的概率、控制養殖成本，有利于更加科 學、規范的進行農業生產。
[0060] 在上述技術方案的基礎上，如果識別到農田的農業警情，則對與所述監測圖像相 同時戳的定位圖像進行識別，定位出所述農業警情的位置坐標優選包括：
[0061] 如果識別到農田的農業警情，通過DSP根據所述監測圖像以及所述監測相機的視 場角與定位識別相機的視場角的關系，確定所述農業警情在圖像坐標系中的圖像坐標；
[0062] 通過DSP根據與所述監測圖像相同時戳的定位圖像，確定該定位圖像中的位置標 識定位粧在農田坐標系中的位置坐標，以及所述位置標識定位粧的圖像中形心在圖像坐標 系中的圖像坐標；
[0063]通過DSP根據所述位置標識定位粧在農田坐標系中的位置坐標以及所述位置標識 定位粧的圖像中形心在圖像坐標系中的圖像坐標，確定從圖像坐標系轉換到農田坐標系的 轉移矩陣；
[0064]通過DSP根據所述農業警情在圖像坐標系中的圖像坐標和所述轉移矩陣，確定所 述農業警情在農田坐標系中的位置坐標。
[0065] 其中，所述圖像坐標系是指定位圖像的圖像坐標系，且以定位圖像的中心為原點。 當識別到農田的農業警情時，首先確定出所述農業警情在所述監測圖像的圖像坐標系中的 圖像坐標，由于監測相機和定位識別相機是同軸安裝在無人機平臺上的，且定位識別相機 的視場角大于監測相機的視場角，則監測圖像是定位圖像的中間相應監測相機視場角的一 部分圖像(如，監測相機的視場角為10° Xl〇°，定位識別相機的視場角為20° X20°，則監測 圖像映射到定位圖像中是定位圖像的中心的10° X 10°的圖像），則根據監測相機與定位識 別相機的視場角的關系，可以將農業警情在所述監測圖像的圖像坐標系中的圖像坐標映射 到定位圖像的圖像坐標系中，得到農業警情在定位圖像的圖像坐標系中的圖像坐標，該圖 像坐標記為(Y y )。
[0066] 假設定位圖像中拍攝到的位置標識定位粧的數量為n(n 2 2)，識別定位圖像中的 位置標識定位粧上的位置標識，并識別所述位置標識得到位置標識定位粧的位置標識的中 心在農田坐標系中的位置坐標分別為(Xi，yi)、（X2，y2)、......、（χη，yn)，并確定所述位置標識 定位粧的圖像中形心在定位圖像的圖像坐標系中的圖像坐標分別為U/ )、（χ/， y/)、……、（Xr/，y/)。其中，圖像中形心是指圖像的中心。
[0067] 假設從圖像坐標系轉換到農田坐標系的轉移矩陣為T，轉移矩陣為2X2的矩陣，同 時將所述位置標識的圖像坐標和位置坐標分別表示為矩陣的形式，分別為A和B，則A和B分 別表示如下：
[0068]
[0069] 矩陣A和矩陣B滿足如下關系：
[0070] A · ?2Χ2 = Β
[0071] 根據上述矩陣A和矩陣B的關系，通過最新二乘法得到轉移矩陣T如下：
[0072] τ2χ2=(Ατ · Α)-1 · At · B
[0073] 根據農業警情在圖像坐標系中的圖像坐標(X'，y')所述轉移矩陣Τ，確定農業警情 在農田坐標系中的位置坐標為：
[0074] [X y] =T · [X' y' ]
[0075] 其中，（x，y)為農業警情在農田坐標系中的位置坐標。
[0076] 通過上述方法確定的農業警情的位置比較準確，可以進一步提高大規模農業生產 中的監測效率。
[0077]注意，上述僅為本發明的較佳實施例及所運用技術原理。本領域技術人員會理解， 本發明不限于這里所述的特定實施例，對本領域技術人員來說能夠進行各種明顯的變化、 重新調整和替代而不會脫離本發明的保護范圍。因此，雖然通過以上實施例對本發明進行 了較為詳細的說明，但是本發明不僅僅限于以上實施例，在不脫離本發明構思的情況下，還 可以包括更多其他等效實施例，而本發明的范圍由所附的權利要求范圍決定。
【主權項】
1. 一種農田監測系統，其特征在于，所述系統包括無人機和監控終端，所述無人機和所 述監控終端無線連接； 其中，所述無人機用于根據設置在農田中的位置標識定位粧識別農田類型，并根據所 述農田類型對農田的農業警情進行監測，將監測到的農田的農業警情發送給所述監控終 端； 所述監控終端用于接收所述無人機發送來的農田的農業警情，并通知管理人員。2. 根據權利要求1所述的系統，其特征在于，所述無人機包括定位識別相機、監測相機 和嵌入式載荷計算機； 其中，所述定位識別相機和所述監測相機同軸固定安裝在所述無人機的無人機平臺 上，且分別與嵌入式載荷計算機連接，所述嵌入式載荷計算機與所述監控終端無線連接； 所述定位識別相機用于拍攝設置在農田中的位置標識定位粧，并將拍攝到的定位圖像 傳輸至所述嵌入式載荷計算機； 所述監測相機用于拍攝農田的監測圖像，并將拍攝到的監測圖像傳輸至所述嵌入式載 荷計算機，來監測農田中的農業警情； 所述嵌入式載荷計算機用于接收所述定位圖像和所述監測圖像，根據所述定位圖像和 所述監測圖像，識別所述監測圖像中的農業警情，并根據所述定位圖像定位出所述農業警 情的位置坐標，并將所述監測圖像和所述農業警情的位置坐標發送給所述監控終端。3. 根據權利要求2所述的系統，其特征在于，所述嵌入式載荷計算機包括現場可編程口 陣列FPGA、數字信號處理器DSP和信號發生器； 其中，所述FPGA與DSP連接，DSP與信號發生器連接，信號發生器與所述監控終端無線連 接； FPGA用于接收所述定位圖像和所述監測圖像，并獲取所述定位圖像和所述監測圖像的 數據，將所述圖像的數據傳輸給DSP; DSP對所述定位圖像和所述監測圖像的數據進行分析，得到農田的農業警情和農業警 情的位置坐標； 所述信號發生器用于將所述農田的農業警情和所述農業警情的位置坐標發送至所述 監控終端。4. 根據權利要求2所述的系統，其特征在于，當所述無人機在預設巡航高度范圍內時， 在所述定位識別相機的監測視場中位置標識定位粧的數量為至少兩個，且所述位置標識定 位粧的間距滿足如下條件：其中，D為所述位置標識定位粧的間距，Hmin為所述預設巡航高度范圍中的最低巡航高 度、θηιη為無人機中定位識別相機的視場角最小值，σ為無人機工作時的穩定度。5. 根據權利要求1-4任一所述的系統，其特征在于，所述位置標識定位粧包括位置標 識，所述位置標識包括農田類型和所述位置標識定位粧在農田坐標系中的位置坐標的信 息。6. 根據權利要求5所述的系統，其特征在于，所述位置標識為高冗余度的二維碼標識。7. 根據權利要求1-4任一所述的系統，其特征在于，所述農田的農業警情包括下述至少 一種:苗情警情、長勢警情和病蟲害警情。8. -種基于權利要求1所述的農田監測系統監測農田的方法，其特征在于，所述方法包 括： 通過無人機在農田上空巡航，根據設置在農田中的位置標識定位粧識別農田類型，并 根據所述農田類型對農田的農業警情進行監測，將監測到的農田的農業警情發送給監控終 端； 通過監控終端接收所述無人機發送來的農田的農業警情，并通知管理人員。9. 根據權利要求8所述的方法，其特征在于，根據設置在農田中的位置標識定位粧識別 農田類型，并根據所述農田類型對農田的農業警情進行監測，將監測到的農田的農業警情 發送給監控終端包括： 通過定位識別相機拍攝設置在農田中的位置標識定位粧，并將拍攝到的定位圖像傳輸 至嵌入式載荷計算機； 通過監測相機拍攝農田的監測圖像，并將拍攝到的監測圖像傳輸至嵌入式載荷計算 機； 通過嵌入式載荷計算機接收所述定位圖像和所述監測圖像，根據所述定位圖像識別當 前農田類型，根據當前農田類型對所述監測圖像進行識別，如果識別到農田的農業警情，貝U 對與所述監測圖像相同時戳的定位圖像進行識別，定位出所述農業警情的位置坐標，將所 述監測圖像和所述農業警情的位置坐標發送給所述監控終端。10. 根據權利要求9所述的方法，其特征在于，如果識別到農田的農業警情，則對與所述 監測圖像相同時戳的定位圖像進行識別，定位出所述農業警情的位置坐標包括： 如果識別到農田的農業警情，通過DSP根據所述監測圖像W及所述監測相機的視場角 與定位識別相機的視場角的關系，確定所述農業警情在圖像坐標系中的圖像坐標； 通過DSP根據與所述監測圖像相同時戳的定位圖像，確定該定位圖像中的位置標識定 位粧在農田坐標系中的位置坐標，W及所述位置標識定位粧的圖像中形屯、在圖像坐標系中 的圖像坐標； 通過DSP根據所述位置標識定位粧在農田坐標系中的位置坐標W及所述位置標識定位 粧的圖像中形屯、在圖像坐標系中的圖像坐標，確定從圖像坐標系轉換到農田坐標系的轉移 矩陣； 通過DSP根據所述農業警情在圖像坐標系中的圖像坐標和所述轉移矩陣，確定所述農 業警情在農田坐標系中的位置坐標。
【文檔編號】G01C21/00GK105842246SQ201610364952
【公開日】2016年8月10日
【申請日】2016年5月27日
【發明人】李哲敏, 莊家煜, 陳威, 張永恩, 仲曉春, 黃敏
【申請人】中國農業科學院農業信息研究所