基本信息
- 项目名称：
- 基于低空平台及无线传输的作物氮素营养诊断系统
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 信息技术
- 大类：
- 科技发明制作B类
- 简介：
- 本项目借助航模低空平台及无线传输技术，以之前“863课题”研究成果作为基础，建立了一套属于低空遥感平台的作物氮素营养快速诊断系统。通过收集作物冠层反射光谱信息和对应采样位置GPS信息，并应用自主开发的两款软件演算获得研究区域范围内的氮素营养空间分布专题图，为作物氮肥管理提供指导，以此提高氮肥利用率，节约施肥开支，减少因过量施肥引起的面源污染。
- 详细介绍：
- 本系统旨在建立一套基于低空遥感平台的作物氮素营养快速诊断系统，系统包括冠层反射光谱探测模块、GPS模块、无线通讯模块、地面站（数据接收及处理软硬件），获得研究区域范围内的氮素营养空间分布专题图，为作物氮肥管理提供指导。 使用遥控直升机搭载安装有680nm、730nm、765nm滤光系统的光学传感器、GPS模块，飞临农田5米左右上空，进行“S”形扫描飞行，GPS信号与光学传感器信号通过433MHz无线频段返回地面站接收，地面站配有自主开发的专用软件计算氮素含量并给出营养养分空间分布。 创新点： 1.本系统较传统的化学分析方法节约大量的人力物力，消除了人工选点时主观因素的影响，大大提高测量效率； 2.相比使用飞机及热气球等遥感平台，运行风险更小、效率高、可操控性强、价格低、能耗小，填补了地面平台和高空遥感之间的空缺，不仅适合大规模种植的农场也适合分散种植的农户使用； 3.诊断速度快，数据可读性强，组装简单、重量轻便于野外使用； 4.光学系统自选性强，配合不同波段的滤光系统，可以使用多种模型进行诊断； 5.可显示GPS坐标信息、飞行路径、方向、速度等参数，飞行情况及传感器原始数据可实时获得；模型分析软件可绘制氮素营养立体网格空间分布图，观察角度可由用户自定义，并导出为Object网格(*.obj)供通用软件使用； 6.飞行器安装有摄像头，通过与GPS时间的同步可分辨采样点冠层生长情况。 技术关键： 1.光学传感器选择，光学系统设计； 2.单片机对GPS模块信息的获取与分类，多串口通讯； 3.光学传感器信号与GPS信息使用自定协议的稳定回传； 4.计算机现场监控飞行器运行信息； 5.氮素营养诊断模型的计算机可视化成图。 主要技术指标： 飞行设备：电动直升机（也可选用多旋翼飞行器），尺寸90×17×35（长×宽×高，单位cm），重量1.2kg（含电池、仪器等全套部件）。 地面站：尺寸60×70×220，拆卸收起后为25×15×105（长×宽×高，单位cm），重量2.5Kg（含三脚架），5V供电，RS-232串口通讯。 定位精度：2～15m（受限于不同的GPS模块） 无线通讯速率：4800bps 无线通讯距离：200m、500m、1200m（可选） 无线通讯频段：433MHz， 256个通道。 仪器数据刷新时间：2～3s（当GPS的返回数据中有NMEA-0183的GSV语句时刷新时间为3s） 光强采集范围：0.1～430 lx（阳光，极值范围连续可调） 光学系统视场角：20° 最适诊断飞行高度：5m 通讯协议：GPS NMEA-0183 2.00～3.00版本兼容、GPAD-IEAI（自定协议） 操作系统：Win98以上版本系统（推荐XP SP3）。 GPAD-IEAI协议航空在线监测系统 V1.0： 软件适用于通过串口通讯且通讯协议为GPAD-IEAI协议的设备，1.0版本适用3通道A/D转换设备。GPAD-IEAI协议航空在线监测系统软件(V1.0)界面使用Frame框划分为四大部分，通过“视图”菜单可以任意设定四部分在界面上的分布位置，设置可以自动保存。 (1)左上部分为GPS可见卫星位置示意图、卫星信号强度表和GPS定位信息表。GPS可见卫星位置示意图中使用极坐标绘图方式表示出对应PRN码卫星的方位角和高度角，右下角绿色数字显示了可见卫星数量；卫星信号强度表显示了可见卫星的信噪比，作为信号强度的参考； GPS定位信息表内容包含当地时间（需预先设置好时区）、时区、定位类型、经度、纬度、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、解算卫星数量、可见卫星数量。 (2)左中部分为GPS运动信息，内容包括GPS罗盘、速度表。其中GPS罗盘下方显示有航向方位角和方便快速判读的汉字方向指示；航速单位有m/s、km/h、节、英里/小时四种可选，量程范围可由1%（6.55节）到100%（655.35节）选择，也可选择智能模式，智能模式下软件将以出现最大的一次速度作为量程最大值。 (3)右上部分为GPS运动轨迹，边缘采用自动缩放模式，同时允许用户实时进行缩放，通过点选“点型”和“线型”按钮，可以选择多种定位点外形和连接线外形。 (4)下方部分为A/D转换结果处理区域，选择好串口编号和通讯速率后打开串口，单击黑色方块可以根据A/D转换值记录黑环境校正值，单击白色方块可以根据A/D转换值记录白板校正值。完成校正后即可进行数据采集，中间灰色文本框显示有3个通道的A/D转换值和根据黑环境和白板计算出的反射率，右侧空白区域将会以红、绿、蓝三色点绘制出对应波长“反射率-时间”散点图。 软件可以在记录数据时将数据实时记录为名为GPAD_Data.tmp的临时文件，即使软件意外关闭数据仍能保留。完成存储后，可以保存为名为*.gpad的轨迹文件，文件包含有仪器返回的所有数据，并能够在断开链接的情况下对轨迹文件进行回放还原，回放还原速度有标准、2倍、5倍、最高速度四种可选。 氮素营养诊断可视化工具 V1.0： 软件用于识别“*.gpad”轨迹文件，根据GPS定位信息和三波长处传感器信息绘制出立体网格。 软件使用三波长处冠层反射率对NDVI和RERI值进行计算。NDVI值使用680nm、765nm两波长，RERI值使用680nm、730nm、765nm三波长。 以经度、纬度、NDVI或RERI值建立立体坐标系，设定数据点间隔距离后，可以将采样数据进行可视化成图分析。分析手段包括平面标记和立体网格，平面标记可以直观显示诊断结果，立体网格可以进行旋转、俯视角调整，有助于比对演示、细节查看。生成的网格会自动存储在temp.obj文件中，可供通用软件打开。 氮素营养诊断系统与化学方法对比分析： 以水稻作为受试作物进行地面精度验证，选取“圣稻88”、“圣稻16”和“圣稻15”三品种同时分别采用本系统提供方法和凯氏定氮法进行验证。 将应用本系统方法获得的RERI数据收集，根据“863计划”课题“水稻氮素营养高光谱诊断实用化关键技术研究”提出的基于光谱的氮素营养诊断模型，可诊断出作物氮素营养含量。结果与凯氏定氮法进行回归分析，分析结果表明诊断精度在80%以上。
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作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 目的： 本项目旨在建立一套基于低空遥感平台的作物氮素营养快速诊断系统，获得研究区域范围内的氮素营养空间分布专题图，为作物氮肥管理提供指导。 基本思路： 使用遥控电直搭载自制仪器，飞临农田5米上空扫描飞行，数据通过无线模块返回地面站，配合自主开发专用软件计算氮素含量并给出营养养分空间分布。 创新点： 1.较传统化学分析节约人力物力，消除主观因素影响，提高效率； 2.相比飞机等平台，运行风险小、效率高、可控性强、价格低、能耗小，填补地面平台和高空遥感之间空缺； 3.诊断速度快，组装简单、重量轻便于野外使用； 4.光学系统自选性强； 5.实时显示飞行参数和传感器数据，可绘制氮素营养立体分布图； 6.安装有摄像头，可分辨采样点冠层生长情况。 技术关键： 1.光学传感器选择，光学系统设计； 2.仪器对GPS信息的获取与分类，多串口通讯； 3.光学传感器信号与GPS信息稳定回传； 4.现场监控飞行器运行信息； 5.氮素营养诊断模型的计算机可视化成图。 主要技术指标： 飞行设备：电动直升机，1.2kg。 地面站：2.5Kg，RS-232串口。 数据刷新时间：2～3s 光强采集范围：0.1～430 lx 光学系统视场角：20° 通讯协议：GPS NMEA-0183、GPAD-IEAI
科学性、先进性
- 氮素是农作物生长三大主要营养元素之一。氮肥施肥量过低，无法满足作物生长需求；过高，则造成肥料浪费，同时会产生农业上的面源污染。因此实时、快速对作物氮素营养进行诊断，进而指导精确施肥具有现实意义。 肥料窗口法、水稻叶色卡法、SPAD测试法多基于单个叶片测试，易受各种因素影响，限制其应用和推广。“十一五”期间，申报者参与由指导老师主持的“863计划”课题“水稻氮素营养高光谱诊断实用化关键技术研究”中，提出了一套基于冠层光谱的氮素营养诊断模型，开发了冠层光谱氮素诊断仪—RERI Nitrogen Meter。 本项目在863计划课题研制仪器基础上，利用遥控低空飞行器搭载与原仪器原理相同的三波段光学传感器、GPS模块，在作物5米上空进行"S"形扫描飞行，通过无线模块将数据返回地面站接收，配合自主开发软件计算氮素含量并给出氮素营养空间分布图。此方法明显克服了手持仪器不适合大面积数据采集、需采样点较多、采样受主观因素影响等缺点。
获奖情况及鉴定结果
- 暂无
作品所处阶段
- (A)实验室阶段 (D)完成样机制作及系统开发
技术转让方式
- 合作
作品可展示的形式
- √模型 √图纸 √磁盘 √图片 √录像
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 本系统通过对作物冠层运用低空光谱遥感手段来进行作物氮素营养诊断，介于地面和高空二者之间进行采样，相比地面采样效率更高、人为主观影响小，相比高空采样运行风险小、花费低、即装即用，中小规模种植区域诊断极为实用。系统适合各地农业科研、管理机构等，需求面广。 本系统扩展能力强，仪器不仅能应用于氮素营养诊断，结合相关理论，通过替换光学器件并扩充软件（插件），可以应用于作物病虫害监测、林业冠层信息采集、森林防火预警、水体富营养化监测、水体污染监测等。 系统整体造价相对较低，维护费用低，运行风险相比大型飞行设备更小，通过节约氮肥施肥带来的经济效益、环境效益都极为可观。
同类课题研究水平概述
- 经过文献查阅，国内尚未见使用航空模型搭载仪器通过冠层光谱进行作物营养监测的装置。关于地面定点的氮素营养诊断装置，国内也有所研究（例如便携式多通道作物叶片氮素营养指标无损监测装置）。但本系统使用的采样波长与其它装置不同，诊断时使用的模型也不同，且相比其它装置有现场成图分析和高效率低空采样的优点，在多个方面都有所突破。 使用小型飞行器搭载各类传感器完成科研、管理、军事等任务在国外较为常见，尤其是多旋翼飞行器（如四轴飞行器、六轴飞行器）经常被应用于环境监测、公共安全监控、灾害调查等。在国内，小型飞行器更多用于航模爱好者进行休闲娱乐、竞赛、航拍，搭载传感器应用得还较少，而科研部门目前大多使用吊车、无人机、直升机、飞机等进行数据采集，相对运行花费大、运行风险高，且预备时间长，不适用于当地农业、科研机构的经常使用。因此，本研究项目研制的介于地面和无人机高度之间搭载传感器进行快速、简便、廉价诊断作物营养状况的低空平台系统具有很高的实用价值。
