基于無人機遙感通信農(nóng)業(yè)種植數(shù)測量系統(tǒng)設計

李 艷

(四川工業(yè)科技學院 , 四川 德陽 618500)

0 引言

隨著農(nóng)業(yè)的發(fā)展,我國進入了精準農(nóng)業(yè)的新時代。精準農(nóng)業(yè)[1]是以現(xiàn)有的農(nóng)業(yè)方式作為基礎,通過采集的農(nóng)情數(shù)據(jù),及時地獲取作物需求并投入,從而實現(xiàn)精準生產(chǎn)的作業(yè)方式。現(xiàn)有的農(nóng)作物生長仍主要受到自然環(huán)境的影響,實時且準確地獲取農(nóng)業(yè)種植數(shù)量,可以為農(nóng)業(yè)的安全生產(chǎn)提供數(shù)據(jù)支持[2]。傳統(tǒng)的大面積農(nóng)業(yè)種植數(shù)量的統(tǒng)計主要為人工測量,一般包括丈量法或PDA實地測量法等[3-4],這種測量方式效率低、誤差較大且易受到環(huán)境干擾,無法滿足人們對于作物數(shù)量統(tǒng)計精度的要求。因此,如何快速且準確地獲取農(nóng)業(yè)種植數(shù)量信息成為目前亟待解決的問題。

為了對農(nóng)業(yè)種植數(shù)進行統(tǒng)計,可以建立測量系統(tǒng)。遙感技術是利用傳感器實現(xiàn)對目標遠程觀測的技術,集合了地理學、光學等學科。目前,衛(wèi)星遙感技術因其具有快速、無損和可監(jiān)測范圍廣的優(yōu)點,在農(nóng)作物的生長發(fā)育監(jiān)測方面應用較為廣泛[5]。但是,該技術存在易受環(huán)境影響且精度較低的缺點,無法將其應用于農(nóng)業(yè)種植數(shù)測量系統(tǒng)。

無人機(Unmanned aerial vehicle,UAV)是一種通過無線電控制的、可重復使用的無人駕駛飛行器,通過在無人機上配置的設備,可執(zhí)行多種任務。無人機遙感通信技術是通過在無人機上裝載傳感器和影響采集設備,并利用圖像解析技術獲得特定的結(jié)果,從而對目標實現(xiàn)監(jiān)測的技術。該技術將無人機和遙感技術的優(yōu)點集合在一起,包括易于使用、可無人駕駛、高時效性及更為安全的優(yōu)點。目前,無人機遙感技術已廣泛的應用于軍事等領域,還未在種植數(shù)方面得到應用。為此,基于無人機遙感通信技術對農(nóng)業(yè)種植數(shù)測量系統(tǒng)進行了設計。

1 系統(tǒng)硬件設計

1.1 總體設計

農(nóng)業(yè)種植數(shù)測量系統(tǒng)主要由無人機飛行平臺、飛行控制系統(tǒng)、遙感設備、地面監(jiān)控站、無線電通訊系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)等部分組成,如圖1所示。

1.2 無人機飛行平臺

無人機飛行平臺主要為遙感設備提供一個搭載平臺,其布局合理性及性能的穩(wěn)定性是系統(tǒng)能夠作業(yè)的基本保證。目前,無人機分為多旋翼、固定翼、直升機類和飛艇,通過對各類無人機進行分析,四旋翼無人機具有可定點懸停、可慢速航行的特點,更適合于精度較高的農(nóng)田信息采集[6]。因此,選擇四旋翼無人機作為飛行平臺。無人機的主要組成為執(zhí)行機構和傳感器。其中,傳感器主要包括GPS、陀螺儀、加速度計及磁力計,用于采集無人機飛行過程中的俯仰/橫滾姿態(tài)角及角速度等信號;執(zhí)行機構主要包括機架、飛控、槳葉及電池等,用于執(zhí)行飛行指令。

1.3 飛行控制系統(tǒng)

飛行控制系統(tǒng)用于控制無人機的飛行和任務的管理,主要是通過飛行控制計算機實現(xiàn)控制。為了提高飛行控制系統(tǒng)的可靠性,保證信號傳遞的精度且不受外界的干擾,無人機的傳感器、執(zhí)行機構等之間的信息傳遞以數(shù)字化方式進行。飛行控制系統(tǒng)的控制框圖如圖2所示。

圖1 系統(tǒng)組成結(jié)構簡圖Fig.1 The system composition structure diagram

圖2 飛行控制系統(tǒng)的控制框圖Fig.2 The control diagram of flight control system

1.4 遙感設備

遙感設備主要為遙感傳感器,根據(jù)任務需求且在無人機平臺的載荷范圍內(nèi),可以搭載一種或多種傳感器,如數(shù)碼相機、多光譜相機和激光雷達等。在拍攝時,高分辨率與寬幅面攝影互相矛盾,為增加攝影面積,采用多個相機結(jié)合的方式,增加攝影角度。多相機的圖像拼接原理圖如圖3所示。

圖3 多相機的圖像拼接原理圖Fig.3 The image mosaic schematic of multiple cameras

1.5 地面監(jiān)控站

地面監(jiān)控站的主要任務是實時接收并分析遙測和飛行數(shù)據(jù),發(fā)送指令,遠程操控無人機完成作業(yè)任務,動態(tài)顯示無人機的飛行狀態(tài)及采集到的目標信息。地面監(jiān)控站的功能主要包括飛行狀態(tài)監(jiān)控、數(shù)據(jù)分析和飛行控制。地面監(jiān)控站的工作流程圖如圖4所示。

圖4 地面監(jiān)控站的工作流程圖Fig.4 The work flow chart of ground monitoring station

對于無人機飛行狀態(tài)的監(jiān)控是地面監(jiān)控站的最核心功能之一。通過無線電通訊系統(tǒng)實現(xiàn)無人機與地面的實時通信,將無人機的GPS信息、飛行姿態(tài)和狀態(tài)等及時地傳遞并顯示,實現(xiàn)對無人飛行平臺的監(jiān)控。

數(shù)據(jù)分析主要是對無人機的GPS位置信息、飛行姿態(tài)和狀態(tài)數(shù)據(jù)進行解算、顯示、存儲和分析處理。

飛行控制則是根據(jù)數(shù)據(jù)分析的結(jié)果,實時調(diào)整無人機的飛行狀態(tài)和飛行路線,滿足無人機的飛行任務要求。

1.6 無線電通訊系統(tǒng)

無線電通訊系統(tǒng)一方面將無人機和遙感設備的作業(yè)參數(shù)傳遞至地面監(jiān)控站,一方面將地面操控人員的指令傳輸至無人機,使無人機按照地面人員的指令完成相關任務。

為了便于架設且易攜帶,將地面監(jiān)控站和通訊系統(tǒng)設計為一體化,主要硬件由發(fā)射機、接收機、天線、電源、計算機和顯示器等組成,如圖5所示。

圖5 無線電通訊系統(tǒng)和地面監(jiān)控站的結(jié)構框圖Fig.5 The structural block diagram of radio communication system and ground monitoring station

1.7 數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)

數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)是為了實現(xiàn)無人機和遙感數(shù)據(jù)的快速處理,制作的數(shù)據(jù)處理軟件。

2 圖像特征分析與種植數(shù)測量方法

遙感圖像的特征是指從圖像中提取出來的關鍵信息,作為分類器的輸入值,統(tǒng)計農(nóng)業(yè)種植數(shù)。

2.1 圖像特征分析

遙感圖像信息特征的提取是統(tǒng)計農(nóng)業(yè)種植數(shù)的核心和基礎。一般圖像的特征主要包括顏色特征和紋理特征。因此,需要研究圖像的特征確定方法。

遙感圖像是在自然條件下拍攝的,會受到天氣原因的影響,從而產(chǎn)生噪聲,降低圖像質(zhì)量。在進行圖像特征確定前,首先對圖像進行預處理,降低噪聲,提高圖像精度。在此,采用中值濾波的方式進行圖像的預處理,實現(xiàn)公式為

g(i,j)=

median{f(i±Δi,j±Δj),i±Δi,j±Δj∈S}

Δi,Δj≤INT(N/2)

其中,INT為對數(shù)進行取整;S表示窗口的覆蓋范圍。中值濾波的原理如圖6所示。

圖6 中值濾波原理圖Fig.6 The median filtering schematic diagram

在進行顏色特征的選取時,采用數(shù)碼相機拍攝的圖像均為RGB模型;與RGB模型相比較,HIS模型更符合人類感官對顏色、明暗和色調(diào)對色彩的定義。因此,需要將圖像的RGB模型轉(zhuǎn)變?yōu)镠IS模型,轉(zhuǎn)變方式為[7]

紋理特征的信息主要通過灰度共生矩陣(GLCM)進行計算,共包括8類。第一類為對比度(Contrast),計算公式為

其中,A為與紋理相關方向的GLCM;m、n和i為各不同方向的灰度值和分辨率。第二類為角二階矩(Energy),表示圖像的灰度分布是否均勻,即

第三類為均一性,表示紋理分布的規(guī)則性(Homogeniety),即

第四類為熵(Entroy),表示圖像的復雜性,即

第五類為均值(Mean),表示圖像的色調(diào)明暗程度,即

第六類為方差(Variance),表示圖像紋理變化的快慢,即

第七類為相關性(Correlation),表示圖像紋理在某方向的近似程度,即

第八類為相異性(Dissimilarity),表示圖像紋理的清晰程度,即

通過以上計算方式,得出紋理相關信息。

2.2 種植數(shù)測量方法

在對種植數(shù)進行測量時,采用支持向量機(SVM)的方法進行計算[8]。該算法采用徑向基核函數(shù)作為支持向量機的核函數(shù),即

其中,xm為算法的樣本因子;x為預測因子;σ為核參數(shù)因子。在引入核函數(shù)后,SVM的決策函數(shù)則更改為

f(x)=Sgn{αm*(xm·x)+b*}

通過以上方式可以得到種植數(shù)。

3 試驗結(jié)果

為了驗證該種植數(shù)測量系統(tǒng)的性能,需要對其進行種植數(shù)測量試驗。試驗地點為四川省德陽市的主要農(nóng)業(yè)區(qū)域,主要種植作物為水稻、玉米、小麥、油菜和洋芋等農(nóng)作物,故主要對這5種農(nóng)作物進行樣本點統(tǒng)計。以實地調(diào)查的數(shù)據(jù)為準,采用本系統(tǒng)對該片區(qū)域的農(nóng)作物樣本點進行精度檢驗。試驗結(jié)果如表1所示。

表1 種植數(shù)測量試驗Table 1 Measurement test of planting number

由表1可知:系統(tǒng)對樣本點統(tǒng)計的相對精度均在78%以上,能夠滿足大面積農(nóng)作物種植數(shù)的測量。

4 結(jié)論

1)為了快速且準確地取農(nóng)業(yè)種植數(shù)量信息,基于無人機遙感通信技術對農(nóng)業(yè)種植數(shù)測量系統(tǒng)進行設計。系統(tǒng)主要由無人機飛行平臺、飛行控制系統(tǒng)、遙感設備、地面監(jiān)控站、無線電通訊系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)等部分組成。

2)通過對遙感圖像信息的顏色和紋理特征的提取方式進行設計,并采用支持向量機(SVM)對種植數(shù)進行計算,使系統(tǒng)可以準確測量農(nóng)業(yè)種植數(shù)。

3)為了驗證測量系統(tǒng)的性能,對其進行種植數(shù)測量試驗,結(jié)果表明:系統(tǒng)對樣本點統(tǒng)計的精度較高,可以用于大面積農(nóng)作物種植數(shù)的測量。