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，使用飛機進行農(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：小型無人機機載農(nóng)藥變量噴灑系統(tǒng)設(shè)計(徐興，2014)、無人機噴灑技術(shù)的研究(吳小偉)、農(nóng)藥噴灑多旋翼無人機控制系統(tǒng)研究(黃水長)、無人機噴灑農(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行變量噴灑。

進一步的，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，是n行高光譜數(shù)據(jù)的背景自相關(guān)矩陣的逆矩陣，此公式的計算結(jié)果是單個像元的探測結(jié)果。

進一步的，n行高光譜數(shù)據(jù)的背景自相關(guān)矩陣的逆矩陣的計算過程為：根據(jù)前(n-1)高光譜數(shù)據(jù)的背景自相關(guān)矩陣的逆矩陣可計算得到前(n)行數(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)中各單元進行詳細介紹：

目前，有大量文獻研究作物病蟲害脅迫下引起光譜響應的生理機制，這些機理機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)傳輸與存儲負擔，需要針對特定的成像方式采用與其對應的算法，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擔。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)，并對其求逆計算公式為：

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)。

由于每一次進入一行數(shù)據(jù)，都需要計算背景矩陣r(n)和隨著行數(shù)的增加，計算r(n)的時間逐漸增大，而且還需要對其求逆，為了解決耗時過長的問題，目前實現(xiàn)行掃描探測的方法主要是引用woodbury引理，計算過程中不必每次都計算r(n，而是由上一行計算得出的直接計算得到從而使得每次計算背景矩陣的時間相同。

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)矩陣的逆矩陣可計算得到前(n)行數(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，嚴重程度來決定噴灑量大??；如果有病蟲害，病蟲害的位置也可獲取，針對病蟲害的位置來進行噴灑。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)高光譜影像進行是否缺水判斷過程參見現(xiàn)有技術(shù)文獻《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)高光譜影像進行是否缺水判斷過程參見現(xiàn)有技術(shù)文獻《養(yǎng)分脅迫下的夏玉米生理反應與光譜特征》(程一松，2001，資源科學)。

以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應當指出，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和變型，這些改進和變型也應視為本發(fā)明的保護范圍。