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基本信息
- 項(xiàng)目名稱：
- 基于低空平臺(tái)及無(wú)線傳輸?shù)淖魑锏貭I(yíng)養(yǎng)診斷系統(tǒng)
- 來(lái)源：
- 第十二屆“挑戰(zhàn)杯”省賽作品
- 小類：
- 信息技術(shù)
- 大類：
- 科技發(fā)明制作B類
- 簡(jiǎn)介：
- 本項(xiàng)目借助航模低空平臺(tái)及無(wú)線傳輸技術(shù)，以之前“863課題”研究成果作為基礎(chǔ)，建立了一套屬于低空遙感平臺(tái)的作物氮素營(yíng)養(yǎng)快速診斷系統(tǒng)。通過(guò)收集作物冠層反射光譜信息和對(duì)應(yīng)采樣位置GPS信息，并應(yīng)用自主開(kāi)發(fā)的兩款軟件演算獲得研究區(qū)域范圍內(nèi)的氮素營(yíng)養(yǎng)空間分布專題圖，為作物氮肥管理提供指導(dǎo)，以此提高氮肥利用率，節(jié)約施肥開(kāi)支，減少因過(guò)量施肥引起的面源污染。
- 詳細(xì)介紹：
- 本系統(tǒng)旨在建立一套基于低空遙感平臺(tái)的作物氮素營(yíng)養(yǎng)快速診斷系統(tǒng)，系統(tǒng)包括冠層反射光譜探測(cè)模塊、GPS模塊、無(wú)線通訊模塊、地面站（數(shù)據(jù)接收及處理軟硬件），獲得研究區(qū)域范圍內(nèi)的氮素營(yíng)養(yǎng)空間分布專題圖，為作物氮肥管理提供指導(dǎo)。 使用遙控直升機(jī)搭載安裝有680nm、730nm、765nm濾光系統(tǒng)的光學(xué)傳感器、GPS模塊，飛臨農(nóng)田5米左右上空，進(jìn)行“S”形掃描飛行，GPS信號(hào)與光學(xué)傳感器信號(hào)通過(guò)433MHz無(wú)線頻段返回地面站接收，地面站配有自主開(kāi)發(fā)的專用軟件計(jì)算氮素含量并給出營(yíng)養(yǎng)養(yǎng)分空間分布。 創(chuàng)新點(diǎn)： 1.本系統(tǒng)較傳統(tǒng)的化學(xué)分析方法節(jié)約大量的人力物力，消除了人工選點(diǎn)時(shí)主觀因素的影響，大大提高測(cè)量效率； 2.相比使用飛機(jī)及熱氣球等遙感平臺(tái)，運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)更小、效率高、可操控性強(qiáng)、價(jià)格低、能耗小，填補(bǔ)了地面平臺(tái)和高空遙感之間的空缺，不僅適合大規(guī)模種植的農(nóng)場(chǎng)也適合分散種植的農(nóng)戶使用； 3.診斷速度快，數(shù)據(jù)可讀性強(qiáng)，組裝簡(jiǎn)單、重量輕便于野外使用； 4.光學(xué)系統(tǒng)自選性強(qiáng)，配合不同波段的濾光系統(tǒng)，可以使用多種模型進(jìn)行診斷； 5.可顯示GPS坐標(biāo)信息、飛行路徑、方向、速度等參數(shù)，飛行情況及傳感器原始數(shù)據(jù)可實(shí)時(shí)獲得；模型分析軟件可繪制氮素營(yíng)養(yǎng)立體網(wǎng)格空間分布圖，觀察角度可由用戶自定義，并導(dǎo)出為Object網(wǎng)格(*.obj)供通用軟件使用； 6.飛行器安裝有攝像頭，通過(guò)與GPS時(shí)間的同步可分辨采樣點(diǎn)冠層生長(zhǎng)情況。 技術(shù)關(guān)鍵： 1.光學(xué)傳感器選擇，光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)； 2.單片機(jī)對(duì)GPS模塊信息的獲取與分類，多串口通訊； 3.光學(xué)傳感器信號(hào)與GPS信息使用自定協(xié)議的穩(wěn)定回傳； 4.計(jì)算機(jī)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控飛行器運(yùn)行信息； 5.氮素營(yíng)養(yǎng)診斷模型的計(jì)算機(jī)可視化成圖。 主要技術(shù)指標(biāo)： 飛行設(shè)備：電動(dòng)直升機(jī)（也可選用多旋翼飛行器），尺寸90×17×35（長(zhǎng)×寬×高，單位cm），重量1.2kg（含電池、儀器等全套部件）。 地面站：尺寸60×70×220，拆卸收起后為25×15×105（長(zhǎng)×寬×高，單位cm），重量2.5Kg（含三腳架），5V供電，RS-232串口通訊。 定位精度：2～15m（受限于不同的GPS模塊） 無(wú)線通訊速率：4800bps 無(wú)線通訊距離：200m、500m、1200m（可選） 無(wú)線通訊頻段：433MHz， 256個(gè)通道。 儀器數(shù)據(jù)刷新時(shí)間：2～3s（當(dāng)GPS的返回?cái)?shù)據(jù)中有NMEA-0183的GSV語(yǔ)句時(shí)刷新時(shí)間為3s） 光強(qiáng)采集范圍：0.1～430 lx（陽(yáng)光，極值范圍連續(xù)可調(diào)） 光學(xué)系統(tǒng)視場(chǎng)角：20° 最適診斷飛行高度：5m 通訊協(xié)議：GPS NMEA-0183 2.00～3.00版本兼容、GPAD-IEAI（自定協(xié)議） 操作系統(tǒng)：Win98以上版本系統(tǒng)（推薦XP SP3）。 GPAD-IEAI協(xié)議航空在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng) V1.0： 軟件適用于通過(guò)串口通訊且通訊協(xié)議為GPAD-IEAI協(xié)議的設(shè)備，1.0版本適用3通道A/D轉(zhuǎn)換設(shè)備。GPAD-IEAI協(xié)議航空在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件(V1.0)界面使用Frame框劃分為四大部分，通過(guò)“視圖”菜單可以任意設(shè)定四部分在界面上的分布位置，設(shè)置可以自動(dòng)保存。 (1)左上部分為GPS可見(jiàn)衛(wèi)星位置示意圖、衛(wèi)星信號(hào)強(qiáng)度表和GPS定位信息表。GPS可見(jiàn)衛(wèi)星位置示意圖中使用極坐標(biāo)繪圖方式表示出對(duì)應(yīng)PRN碼衛(wèi)星的方位角和高度角，右下角綠色數(shù)字顯示了可見(jiàn)衛(wèi)星數(shù)量；衛(wèi)星信號(hào)強(qiáng)度表顯示了可見(jiàn)衛(wèi)星的信噪比，作為信號(hào)強(qiáng)度的參考； GPS定位信息表內(nèi)容包含當(dāng)?shù)貢r(shí)間（需預(yù)先設(shè)置好時(shí)區(qū)）、時(shí)區(qū)、定位類型、經(jīng)度、緯度、海拔高度、PDOP位置精度因子、HDOP水平精度因子、VDOP垂直精度因子、解算衛(wèi)星數(shù)量、可見(jiàn)衛(wèi)星數(shù)量。 (2)左中部分為GPS運(yùn)動(dòng)信息，內(nèi)容包括GPS羅盤、速度表。其中GPS羅盤下方顯示有航向方位角和方便快速判讀的漢字方向指示；航速單位有m/s、km/h、節(jié)、英里/小時(shí)四種可選，量程范圍可由1%（6.55節(jié)）到100%（655.35節(jié)）選擇，也可選擇智能模式，智能模式下軟件將以出現(xiàn)最大的一次速度作為量程最大值。 (3)右上部分為GPS運(yùn)動(dòng)軌跡，邊緣采用自動(dòng)縮放模式，同時(shí)允許用戶實(shí)時(shí)進(jìn)行縮放，通過(guò)點(diǎn)選“點(diǎn)型”和“線型”按鈕，可以選擇多種定位點(diǎn)外形和連接線外形。 (4)下方部分為A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果處理區(qū)域，選擇好串口編號(hào)和通訊速率后打開(kāi)串口，單擊黑色方塊可以根據(jù)A/D轉(zhuǎn)換值記錄黑環(huán)境校正值，單擊白色方塊可以根據(jù)A/D轉(zhuǎn)換值記錄白板校正值。完成校正后即可進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，中間灰色文本框顯示有3個(gè)通道的A/D轉(zhuǎn)換值和根據(jù)黑環(huán)境和白板計(jì)算出的反射率，右側(cè)空白區(qū)域?qū)?huì)以紅、綠、藍(lán)三色點(diǎn)繪制出對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)“反射率-時(shí)間”散點(diǎn)圖。 軟件可以在記錄數(shù)據(jù)時(shí)將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)記錄為名為GPAD_Data.tmp的臨時(shí)文件，即使軟件意外關(guān)閉數(shù)據(jù)仍能保留。完成存儲(chǔ)后，可以保存為名為*.gpad的軌跡文件，文件包含有儀器返回的所有數(shù)據(jù)，并能夠在斷開(kāi)鏈接的情況下對(duì)軌跡文件進(jìn)行回放還原，回放還原速度有標(biāo)準(zhǔn)、2倍、5倍、最高速度四種可選。 氮素營(yíng)養(yǎng)診斷可視化工具 V1.0： 軟件用于識(shí)別“*.gpad”軌跡文件，根據(jù)GPS定位信息和三波長(zhǎng)處傳感器信息繪制出立體網(wǎng)格。 軟件使用三波長(zhǎng)處冠層反射率對(duì)NDVI和RERI值進(jìn)行計(jì)算。NDVI值使用680nm、765nm兩波長(zhǎng)，RERI值使用680nm、730nm、765nm三波長(zhǎng)。 以經(jīng)度、緯度、NDVI或RERI值建立立體坐標(biāo)系，設(shè)定數(shù)據(jù)點(diǎn)間隔距離后，可以將采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化成圖分析。分析手段包括平面標(biāo)記和立體網(wǎng)格，平面標(biāo)記可以直觀顯示診斷結(jié)果，立體網(wǎng)格可以進(jìn)行旋轉(zhuǎn)、俯視角調(diào)整，有助于比對(duì)演示、細(xì)節(jié)查看。生成的網(wǎng)格會(huì)自動(dòng)存儲(chǔ)在temp.obj文件中，可供通用軟件打開(kāi)。 氮素營(yíng)養(yǎng)診斷系統(tǒng)與化學(xué)方法對(duì)比分析： 以水稻作為受試作物進(jìn)行地面精度驗(yàn)證，選取“圣稻88”、“圣稻16”和“圣稻15”三品種同時(shí)分別采用本系統(tǒng)提供方法和凱氏定氮法進(jìn)行驗(yàn)證。 將應(yīng)用本系統(tǒng)方法獲得的RERI數(shù)據(jù)收集，根據(jù)“863計(jì)劃”課題“水稻氮素營(yíng)養(yǎng)高光譜診斷實(shí)用化關(guān)鍵技術(shù)研究”提出的基于光譜的氮素營(yíng)養(yǎng)診斷模型，可診斷出作物氮素營(yíng)養(yǎng)含量。結(jié)果與凱氏定氮法進(jìn)行回歸分析，分析結(jié)果表明診斷精度在80%以上。
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作品專業(yè)信息
設(shè)計(jì)、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點(diǎn)、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)
- 目的： 本項(xiàng)目旨在建立一套基于低空遙感平臺(tái)的作物氮素營(yíng)養(yǎng)快速診斷系統(tǒng)，獲得研究區(qū)域范圍內(nèi)的氮素營(yíng)養(yǎng)空間分布專題圖，為作物氮肥管理提供指導(dǎo)。 基本思路： 使用遙控電直搭載自制儀器，飛臨農(nóng)田5米上空掃描飛行，數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線模塊返回地面站，配合自主開(kāi)發(fā)專用軟件計(jì)算氮素含量并給出營(yíng)養(yǎng)養(yǎng)分空間分布。 創(chuàng)新點(diǎn)： 1.較傳統(tǒng)化學(xué)分析節(jié)約人力物力，消除主觀因素影響，提高效率； 2.相比飛機(jī)等平臺(tái)，運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)小、效率高、可控性強(qiáng)、價(jià)格低、能耗小，填補(bǔ)地面平臺(tái)和高空遙感之間空缺； 3.診斷速度快，組裝簡(jiǎn)單、重量輕便于野外使用； 4.光學(xué)系統(tǒng)自選性強(qiáng)； 5.實(shí)時(shí)顯示飛行參數(shù)和傳感器數(shù)據(jù)，可繪制氮素營(yíng)養(yǎng)立體分布圖； 6.安裝有攝像頭，可分辨采樣點(diǎn)冠層生長(zhǎng)情況。 技術(shù)關(guān)鍵： 1.光學(xué)傳感器選擇，光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)； 2.儀器對(duì)GPS信息的獲取與分類，多串口通訊； 3.光學(xué)傳感器信號(hào)與GPS信息穩(wěn)定回傳； 4.現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控飛行器運(yùn)行信息； 5.氮素營(yíng)養(yǎng)診斷模型的計(jì)算機(jī)可視化成圖。 主要技術(shù)指標(biāo)： 飛行設(shè)備：電動(dòng)直升機(jī)，1.2kg。 地面站：2.5Kg，RS-232串口。 數(shù)據(jù)刷新時(shí)間：2～3s 光強(qiáng)采集范圍：0.1～430 lx 光學(xué)系統(tǒng)視場(chǎng)角：20° 通訊協(xié)議：GPS NMEA-0183、GPAD-IEAI
科學(xué)性、先進(jìn)性
- 氮素是農(nóng)作物生長(zhǎng)三大主要營(yíng)養(yǎng)元素之一。氮肥施肥量過(guò)低，無(wú)法滿足作物生長(zhǎng)需求；過(guò)高，則造成肥料浪費(fèi)，同時(shí)會(huì)產(chǎn)生農(nóng)業(yè)上的面源污染。因此實(shí)時(shí)、快速對(duì)作物氮素營(yíng)養(yǎng)進(jìn)行診斷，進(jìn)而指導(dǎo)精確施肥具有現(xiàn)實(shí)意義。 肥料窗口法、水稻葉色卡法、SPAD測(cè)試法多基于單個(gè)葉片測(cè)試，易受各種因素影響，限制其應(yīng)用和推廣。“十一五”期間，申報(bào)者參與由指導(dǎo)老師主持的“863計(jì)劃”課題“水稻氮素營(yíng)養(yǎng)高光譜診斷實(shí)用化關(guān)鍵技術(shù)研究”中，提出了一套基于冠層光譜的氮素營(yíng)養(yǎng)診斷模型，開(kāi)發(fā)了冠層光譜氮素診斷儀—RERI Nitrogen Meter。 本項(xiàng)目在863計(jì)劃課題研制儀器基礎(chǔ)上，利用遙控低空飛行器搭載與原儀器原理相同的三波段光學(xué)傳感器、GPS模塊，在作物5米上空進(jìn)行"S"形掃描飛行，通過(guò)無(wú)線模塊將數(shù)據(jù)返回地面站接收，配合自主開(kāi)發(fā)軟件計(jì)算氮素含量并給出氮素營(yíng)養(yǎng)空間分布圖。此方法明顯克服了手持儀器不適合大面積數(shù)據(jù)采集、需采樣點(diǎn)較多、采樣受主觀因素影響等缺點(diǎn)。
獲獎(jiǎng)情況及鑒定結(jié)果
- 暫無(wú)
作品所處階段
- (A)實(shí)驗(yàn)室階段 (D)完成樣機(jī)制作及系統(tǒng)開(kāi)發(fā)
技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式
- 合作
作品可展示的形式
- √模型 √圖紙 √磁盤 √圖片 √錄像
使用說(shuō)明,技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì),適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說(shuō)明,市場(chǎng)分析,經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測(cè)
- 本系統(tǒng)通過(guò)對(duì)作物冠層運(yùn)用低空光譜遙感手段來(lái)進(jìn)行作物氮素營(yíng)養(yǎng)診斷，介于地面和高空二者之間進(jìn)行采樣，相比地面采樣效率更高、人為主觀影響小，相比高空采樣運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)小、花費(fèi)低、即裝即用，中小規(guī)模種植區(qū)域診斷極為實(shí)用。系統(tǒng)適合各地農(nóng)業(yè)科研、管理機(jī)構(gòu)等，需求面廣。 本系統(tǒng)擴(kuò)展能力強(qiáng)，儀器不僅能應(yīng)用于氮素營(yíng)養(yǎng)診斷，結(jié)合相關(guān)理論，通過(guò)替換光學(xué)器件并擴(kuò)充軟件（插件），可以應(yīng)用于作物病蟲(chóng)害監(jiān)測(cè)、林業(yè)冠層信息采集、森林防火預(yù)警、水體富營(yíng)養(yǎng)化監(jiān)測(cè)、水體污染監(jiān)測(cè)等。 系統(tǒng)整體造價(jià)相對(duì)較低，維護(hù)費(fèi)用低，運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)相比大型飛行設(shè)備更小，通過(guò)節(jié)約氮肥施肥帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)效益、環(huán)境效益都極為可觀。
同類課題研究水平概述
- 經(jīng)過(guò)文獻(xiàn)查閱，國(guó)內(nèi)尚未見(jiàn)使用航空模型搭載儀器通過(guò)冠層光譜進(jìn)行作物營(yíng)養(yǎng)監(jiān)測(cè)的裝置。關(guān)于地面定點(diǎn)的氮素營(yíng)養(yǎng)診斷裝置，國(guó)內(nèi)也有所研究（例如便攜式多通道作物葉片氮素營(yíng)養(yǎng)指標(biāo)無(wú)損監(jiān)測(cè)裝置）。但本系統(tǒng)使用的采樣波長(zhǎng)與其它裝置不同，診斷時(shí)使用的模型也不同，且相比其它裝置有現(xiàn)場(chǎng)成圖分析和高效率低空采樣的優(yōu)點(diǎn)，在多個(gè)方面都有所突破。 使用小型飛行器搭載各類傳感器完成科研、管理、軍事等任務(wù)在國(guó)外較為常見(jiàn)，尤其是多旋翼飛行器（如四軸飛行器、六軸飛行器）經(jīng)常被應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測(cè)、公共安全監(jiān)控、災(zāi)害調(diào)查等。在國(guó)內(nèi)，小型飛行器更多用于航模愛(ài)好者進(jìn)行休閑娛樂(lè)、競(jìng)賽、航拍，搭載傳感器應(yīng)用得還較少，而科研部門目前大多使用吊車、無(wú)人機(jī)、直升機(jī)、飛機(jī)等進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，相對(duì)運(yùn)行花費(fèi)大、運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)高，且預(yù)備時(shí)間長(zhǎng)，不適用于當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)、科研機(jī)構(gòu)的經(jīng)常使用。因此，本研究項(xiàng)目研制的介于地面和無(wú)人機(jī)高度之間搭載傳感器進(jìn)行快速、簡(jiǎn)便、廉價(jià)診斷作物營(yíng)養(yǎng)狀況的低空平臺(tái)系統(tǒng)具有很高的實(shí)用價(jià)值。
