專利名稱：一種蝗災超低空預警系統(tǒng)及其田間蝗蟲自動識別方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及精準農(nóng)業(yè)中的電氣化與自動化領(lǐng)域，具體涉及一種蝗災超低空預警系統(tǒng)。本發(fā)明還涉及一種田間蝗蟲自動識別方法。
背景技術(shù)：
蝗災屬于毀滅性的生物災害，它和水災、旱災一起構(gòu)成人類社會的三大自然災害。20世紀80年代中期以來，受異常氣候和農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境變化的影響，我國各地新蝗區(qū)不斷產(chǎn)生，老蝗區(qū)出現(xiàn)反復，蝗蟲發(fā)生頻率上升，危害程度加重。據(jù)初步統(tǒng)計，目前我國飛蝗發(fā)生區(qū)涉及16個省市區(qū)，發(fā)生面積在2億畝以上。上述蝗蟲發(fā)生區(qū)涉及農(nóng)牧民1億多人。“九五”期間，盡管積極采取了防治措施，但因蝗災造成的經(jīng)濟損失仍在100億元以上。
目前，我國蝗蟲監(jiān)測手段極為落后，常用的偵測手段有三種1)主要依靠人海戰(zhàn)術(shù)。在蝗災可能發(fā)生的區(qū)域，大面積的布點，人工循環(huán)進行檢查。主要是查蟲卵和實際地面蝗蟲的齡期來預測蝗災的發(fā)生期。2)衛(wèi)星遙感預測。該技術(shù)通過地面植被指數(shù)來間接測量，需要摸清蝗蟲生境特征與當?shù)鼗认x種群的發(fā)生、繁育之間的關(guān)系機理。但一般來說，這種機理是十分復雜的，而且是隨地而異的，并不存在一個固定模式。3)雷達監(jiān)測系統(tǒng)。該方法只能偵測大面積的飛蝗，不能進行預報。通常用于已起飛的蝗災情況監(jiān)測。
由于蝗區(qū)多為地形復雜、出入因難的沿海灘涂和湖、庫沼澤地帶，對于蝗蟲動態(tài)的監(jiān)測，過去一般是在各個蝗區(qū)設立多個測報站點、通過人工調(diào)查和趨勢分析的方法進行的。這種方法在一定時空范圍內(nèi)能起到作用，但對于飛蝗這種分布范圍廣、棲息環(huán)境復雜、遷移性和突發(fā)性強的害蟲，僅通過人工地面調(diào)查的手段進行監(jiān)測是遠遠不夠的。為此，改進和提高蝗蟲監(jiān)測技術(shù)水平，將先進的預警系統(tǒng)技術(shù)引入蝗蟲的監(jiān)測中，無疑是十分重要的。

發(fā)明內(nèi)容
(一)要解決的技術(shù)問題本發(fā)明的目的是提供一種機動靈活、探測范圍大、地面圖像分辨率高、且能解決人工無法探測的蝗災超低空預警系統(tǒng)。本發(fā)明還提供一種能繪制蝗蟲密度分布圖并預測蝗災爆發(fā)的時期和程度的田間蝗蟲自動識別方法。
(二)技術(shù)方案為了達到上述目的，本發(fā)明采用以下方案包括越野汽車，用于裝載測量儀器并作為地面工作站；無人駕駛飛行器，用于攜帶在空中拍攝的攝像機和通訊系統(tǒng)；自動導航控制系統(tǒng)，用于控制無人駕駛飛行器的空中飛行；攝像機或照相機，用于實時采集地面蝗蟲圖像信息；通訊系統(tǒng)，用于將蝗蟲圖像信息傳送到信號處理系統(tǒng)；信號處理系統(tǒng)，用于處理蝗蟲圖像信息并獲得蝗災的發(fā)生面積。
其中，無人駕駛飛行器是用于離地面2-200米的超低空飛行器。
其中，無人駕駛飛行器采用旋翼機。
為了準確、自動識別田間蝗蟲，本發(fā)明還有以下方法步驟步驟一將小型超低空無人駕駛飛行器安裝在越野汽車上，偵測蝗災時，由越野車攜帶飛行器飛抵預定地點，然后控制小型超低空無人駕駛飛行器按設定的航線進行飛行；步驟二應用全球定位系統(tǒng)進行超低空飛行器的自動導航，借助于地理信息系統(tǒng)設計計劃航線，由自動導航控制系統(tǒng)將飛行器引導至蝗災發(fā)生地區(qū)上空，進行采樣；
步驟三采用超低空測量方法，飛行高度2-200米，同時利用旋翼飛行器能夠在空中旋停進行定點采集地面圖像的特點，通過攝像機或照相機采集地面蝗蟲分布圖像信息；步驟四將采集到的圖像信息通過通訊系統(tǒng)發(fā)送到越野車中的地面控制站的信號處理系統(tǒng)中，或?qū)D像信息儲存在DV帶中由飛行器返回時輸入到地面控制站的信號處理系統(tǒng)中；步驟五將采集到的圖像信息進行處理，通過地面控制站的信號處理系統(tǒng)直接計算單位面積下的蝗蟲頭數(shù)，并繪制蝗蟲在該監(jiān)測區(qū)域的密度分布圖并預測蝗災爆發(fā)的時期和程度。
在步驟五中，還包括以下步驟1)對原始彩色圖像進行奇偶場分離校正，以解決運動模糊問題；2)對彩色圖像進行亮度和對比度的調(diào)整，以改善圖像質(zhì)量問題；3)對彩色圖像進行中值濾波，以濾除噪聲；4)對彩色圖像進行顏色空間變換，以解決光照問題；5)對色度H和飽和度S灰度圖像進行基于色彩的圖像分割，從背景中分割蝗蟲；6)對分割的蝗蟲圖像進行區(qū)域標記，以統(tǒng)計蝗蟲在單位面積下的頭數(shù)；7)根據(jù)圖像分析獲得蝗災的發(fā)生面積。
(三)有益效果1、由于采用了超低空測量方法，較之衛(wèi)星遙感和一般航空遙感，大大提高了地面圖像的分辨率，并能直接測量地面蝗蟲。
2、由于利用了越野汽車攜帶小型超低空無人駕駛飛行器配合GIS地理信息系統(tǒng)，因此，大大地擴展了探測范圍，達到大型遙感系統(tǒng)的覆蓋范圍，且機動靈活；較之人工探測蝗蟲分布情況，實現(xiàn)了高效率作業(yè)、探測準確。
3、由于采用了飛行器的模式，并應用全球定位系統(tǒng)進行超低空飛行器的自動導航，借助于地理信息系統(tǒng)設計計劃航線，由自動導航控制系統(tǒng)將飛行器引導至蝗災發(fā)生地區(qū)上空，進行采樣，因此，能進入湖泊、灘涂、沼澤等地區(qū)，解決了人工探測無法到達地區(qū)的監(jiān)測。
4、由于采用了旋翼飛行器，能夠在超低空的高度進行飛行，可以在空中旋停，進行定點采集地面圖像，同時可以定點進行測量，高速的定點采樣功能大大提高取樣速度。
5、由于采用了圖像自動識別技術(shù)，能對蝗災進行檢測和預報，本發(fā)明不僅能對保證蝗蟲不起飛起到了重要的監(jiān)視作用，而且能預測蝗災爆發(fā)的時期和程度。


圖1是本發(fā)明蝗災超低空預警系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本發(fā)明田間蝗蟲自動識別方法的原理框圖；圖3是本發(fā)明自動導航控制系統(tǒng)工作原理框圖。
圖中1、越野汽車；2、飛行器；3、自動導航控制系統(tǒng)；4、攝像機；5、通訊系統(tǒng)；6、信號處理系統(tǒng)；7、航向給定計算機；8、導航通訊系統(tǒng)；9、飛行控制計算機；10、舵機及控制器裝置；11、姿態(tài)，經(jīng)度，緯度，高度測量裝置。
具體實施例方式
以下實施例用于說明本發(fā)明，但不用來限制本發(fā)明的范圍。
如圖1所示。本發(fā)明在結(jié)構(gòu)上包括6個部分越野汽車1、小型超低空無人駕駛飛行器2、自動導航控制系統(tǒng)3、攝像機4、通訊系統(tǒng)5、信號處理系統(tǒng)6。其中攝像機4和自動導航控制系統(tǒng)3、通訊系統(tǒng)5的一部分安裝在小型飛行器2底部的支架上；信號處理系統(tǒng)6主要由計算機和蝗蟲圖像自動識別軟件組成。越野汽車1既用于裝載測量設備，又作為地面工作站。
無人駕駛飛行器2為通用機型如日本雅馬哈發(fā)動機株式會社(YAMAHA MOTOR)生產(chǎn)的YAMAHA RMAX空中機器人；日本富士重工研發(fā)的RPH2；日本HIROBO公司生產(chǎn)的HIROBO 60CLASS直升機等。參數(shù)要求為，旋翼機、任務載荷大于3公斤。
攝像機4為通用的數(shù)碼攝像機如日本索尼DSR-PDX10P3CCD數(shù)碼攝像機；日本SONY的HC1000；日立MV238E DVD光盤記錄攝錄放一體機；索尼IP45E掌中寶數(shù)碼攝像機等。參數(shù)要求為100萬像素以上。
通訊系統(tǒng)5包括一對電臺與天線，直接用RS232接口與計算機連接，要求重量輕。自動導航控制系統(tǒng)3在地面站上的計算機通過RS232接口將航向信息通過電臺發(fā)送到空中，飛行器2上的電臺接收到該信息后，通過RS232接口將信息傳送到機載計算機中，由自動導航控制系統(tǒng)3引導飛行器按規(guī)定航線飛行。其工作原理是由計算機發(fā)出的數(shù)字信號通過一個電臺調(diào)制成具有一定功率的載波高頻信號后由天線向空中發(fā)射，另一個電臺收到載波高頻信號后進行解調(diào)，將數(shù)字信號送至另一臺計算機中，即完成一次通訊過程。飛行器2上安裝的攝像機4的圖像信息通過電臺送到地面站的信號處理系統(tǒng)6中。
如圖3所示，自動導航控制系統(tǒng)3包括航向給定計算機7；導航通訊系統(tǒng)8；飛行控制計算機9；姿態(tài)，經(jīng)度，緯度，高度測量裝置11；舵機及控制器裝置10。其工作原理是飛行控制計算機9在收到航向給定計算機7通過導航通訊系統(tǒng)8發(fā)來的航向數(shù)據(jù)后，與姿態(tài)，經(jīng)度，緯度，高度測量裝置11測定的航向數(shù)據(jù)進行比較，若不符合航向等要求，則向舵機控制器裝置10發(fā)出調(diào)整信號使其到達預定航線。
如圖2所示，本發(fā)明田間蝗蟲自動識別方法，是由越野汽車1攜帶小型超低空無人駕駛飛行器2到達某預定地點后，按地理信息系統(tǒng)(GIS)中所設定的航線由自動導航控制系統(tǒng)3控制飛行器在2米～200米的高度低空飛行，還包括步驟1)裝備在小型超低空飛行器2底部支架上的數(shù)碼攝像機實時的獲取地面蝗蟲圖像；或裝備數(shù)碼照相機定點獲取地面蝗蟲圖像。
2)獲取的圖像信息通過通訊系統(tǒng)5或DV帶轉(zhuǎn)發(fā)給信號處理計算機；3)計算機對輸入的圖像進行處理分析，包括如下步驟3-1)對原始彩色圖像進行奇偶場分離校正，以解決運動模糊問題；3-2)對彩色圖像進行亮度和對比度的調(diào)整，以改善圖像質(zhì)量問題；3-3)對彩色圖像進行中值濾波，以濾除噪聲；3-4)對彩色圖像進行顏色空間變換(RGB-＞HIS)，以解決光照問題；3-5)對色度H和飽和度S灰度圖像進行基于色彩的圖像分割，從背景中分割蝗蟲；3-6)對分割的蝗蟲圖像進行區(qū)域標記，以統(tǒng)計蝗蟲在單位面積下的頭數(shù)；3-7)根據(jù)圖像分析獲得蝗災的發(fā)生面積。
本發(fā)明探測范圍大，機動靈活，所獲圖像分辨率高，能解決人工探測無法到達地區(qū)的檢測，并能準確計算單位平方米內(nèi)的蝗蟲頭數(shù)，還能對農(nóng)作物的病蟲害、雜草分布、養(yǎng)分、水分等情況以及作物產(chǎn)量進行監(jiān)測，實現(xiàn)了智能化的蝗災偵測預警。
權(quán)利要求
1.一種蝗災超低空預警系統(tǒng)，其特征在于，包括越野汽車(1)，用于裝載測量儀器并作為地面工作站；無人駕駛飛行器(2)，用于攜帶在空中拍攝的攝像機和通訊系統(tǒng)；自動導航控制系統(tǒng)(3)，用于控制無人駕駛飛行器的空中飛行；攝像機(4)或照相機，用于實時采集地面蝗蟲圖像信息；通訊系統(tǒng)(5)，用于將蝗蟲圖像信息傳送到信號處理系統(tǒng)；信號處理系統(tǒng)(6)，用于處理蝗蟲圖像信息并獲得蝗災的發(fā)生面積。
2.如權(quán)利要求1所述的一種蝗災超低空預警系統(tǒng)，其特征在于無人駕駛飛行器(2)是用于離地面2-200米的超低空飛行器。
3.如權(quán)利要求1所述的一種蝗災超低空預警系統(tǒng)，其特征在于無人駕駛飛行器(2)采用旋翼機。
4.使用如權(quán)利要求1所述的一種田間蝗蟲自動識別方法，其特征在于，有以下步驟步驟一將小型超低空無人駕駛飛行器(2)安裝在越野汽車(1)上，偵測蝗災時，由越野車攜帶飛行器飛抵預定地點，然后控制小型超低空無人駕駛飛行器(2)按設定的航線進行飛行；步驟二應用全球定位系統(tǒng)進行超低空飛行器的自動導航，借助于地理信息系統(tǒng)設計計劃航線，由自動導航控制系統(tǒng)(3)將飛行器引導至蝗災發(fā)生地區(qū)上空，進行采樣；步驟三采用超低空測量方法，飛行高度2-200米，同時利用旋翼飛行器能夠在空中旋停進行定點采集地面圖像的特點，通過攝像機(4)或照相機采集地面蝗蟲分布圖像信息；步驟四將采集到的圖像信息通過通訊系統(tǒng)(5)發(fā)送到越野車(1)中的地面控制站的信號處理系統(tǒng)(6)中，或?qū)D像信息儲存在DV帶中由飛行器返回時輸入到地面控制站的信號處理系統(tǒng)(6)中；步驟五將采集到的圖像信息進行處理，通過地面控制站的信號處理系統(tǒng)(6)直接計算單位面積下的蝗蟲頭數(shù)，并繪制蝗蟲在該監(jiān)測區(qū)域的密度分布圖并預測蝗災爆發(fā)的時期和程度。
5.如權(quán)利要求4所述的一種田間蝗蟲自動識別方法，其特征在于所述步驟五還包括步驟1)對原始彩色圖像進行奇偶場分離校正，以解決運動模糊問題；2)對彩色圖像進行亮度和對比度的調(diào)整，以改善圖像質(zhì)量問題；3)對彩色圖像進行中值濾波，以濾除噪聲；4)對彩色圖像進行顏色空間變換，以解決光照問題；5)對色度H和飽和度S灰度圖像進行基于色彩的圖像分割，從背景中分割蝗蟲；6)對分割的蝗蟲圖像進行區(qū)域標記，以統(tǒng)計蝗蟲在單位面積下的頭數(shù)；7)根據(jù)圖像分析獲得蝗災的發(fā)生面積。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種蝗災超低空預警系統(tǒng)。本發(fā)明還涉及一種田間蝗蟲自動識別方法。本發(fā)明公開的一種蝗災超低空預警系統(tǒng)及其田間蝗蟲自動識別方法，包括越野汽車，無人駕駛飛行器，自動導航控制系統(tǒng)，攝像機或照相機，通訊系統(tǒng)，信號處理系統(tǒng)。其方法包括1)裝備在小型超低空飛行器底部支架上的數(shù)碼攝像機實時的獲取地面蝗蟲圖像；或裝備數(shù)碼照相機定點獲取地面蝗蟲圖像；2)獲取的圖像信息通過通訊系統(tǒng)或DV帶轉(zhuǎn)發(fā)給信號處理計算機；3)計算機對輸入的圖像進行處理分析。
文檔編號G06K9/78GK1948904SQ20051011253
公開日2007年4月18日 申請日期2005年10月10日 優(yōu)先權(quán)日2005年10月10日
發(fā)明者張小超, 任繼平, 毛文華 申請人:中國農(nóng)業(yè)機械化科學研究院