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基于无人机遥感数据的大田玉米面积及长势参数提取方法研究

基于无人机遥感数据的大田玉米面积及长势参数提取方法研究

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作者：谢凡中北大学

学位级别：硕士

玉米是世界上最广泛种植的三种谷物之一,也是我国长久以来的一项主要粮食作物,作为我国华北地区的主要农作物之一,大约占全国粮食总产量的1/3。随着时代的发展,我国提出了农作物种植现代化、精准化、信息化发展的要求,这对农作物的信息... 详细信息

玉米是世界上最广泛种植的三种谷物之一,也是我国长久以来的一项主要粮食作物,作为我国华北地区的主要农作物之一,大约占全国粮食总产量的1/3。随着时代的发展,我国提出了农作物种植现代化、精准化、信息化发展的要求,这对农作物的信息提取也提出了更高的要求。玉米种植面积及长势参数可以为玉米长势评估和产量估计等农业事务提供数据支持,对玉米种植面积统计及长势评估也是宏观调控粮食价格、加强农业生产管理进而促进精准农业发展的重要前提。目前常用的植株信息提取方法为劳动力消耗大且效率低下的人工测量,范围广阔但数据精度较差的卫星遥感以及精度很高但范围较小的地面基站测量,无法适用于大田尺度下作物信息精确提取要求。针对这一问题,本文选用无人机遥感来进行大田玉米信息精确提取方法研究。利用图像处理技术、点云处理技术和深度学习技术来完成大田玉米的种植面积和株高、株数这两项长势参数的精确提取。具体研究内容如下:（1）数据获取:利用无人机遥感平台采集大田玉米的可见光数据和激光雷达数据,并结合基站坐标对两种数据进行解算,生成含有地理坐标信息的可见光正射影像图片和激光雷达点云数据。（2）种植面积提取:首先对采集的数据进行预处理,主要包括点云数据抽稀、点云数据去噪、多源数据匹配裁剪、数字表面模型生成;其次提出了一种基于特征分割的目标提取方法,引入了植被指数和局部熵特征对数据进行特征计算和阈值分割;最后不仅在采集的大田玉米数据上对本文方法进行了评价,而且利用标准数据集对本文方法进行了评价,综合验证该方法的有效性。（3）玉米长势参数提取:首先对点云数据进行后处理,主要包括两期点云数据坐标配准与点云赋色;其次对大田点云数据进行地块分割,利用地面点滤波算法提取出玉米大田的行垄信息,剔除此部分数据并结合点云分割算法对大田进行行垄地块分割;最后对田块尺度的玉米株高与株数这两种长势参数进行提取,其一以裸地期田块高度为基准,利用高度种子点提取算法得到田块中玉米最高点坐标集合,获取田块尺度的玉米株高信息;其二利用yolox网络对可见光数据处理得到田块尺度的玉米株数,利用点云数据提取出高度变化模型,根据高度变化获取出田块尺度的玉米株数。无人机遥感具有灵活便捷、探测数据精度高等优势,本文利用无人机遥感获取的大田玉米数据,实现了种植面积的精确提取和田块尺度下的株数、株高两项长势参数的提取。

关键词：大田玉米无人机遥感点云数据田块分割长势参数

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基于GNSS的农田信息采集机器人点跟踪控制系统研究

基于GNSS的农田信息采集机器人点跟踪控制系统研究

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作者：张帅华中农业大学

学位级别：硕士

获取农田地势、墒情、肥力等信息是实施精准农业的前提。现阶段要获得高精度的农田信息必须进行实地田间测量,目前人工采集是实际农业生产与科学研究活动中获取高精度农田信息的主要方式,存在劳动强度大、效率低和数据量不足等问题。本... 详细信息

获取农田地势、墒情、肥力等信息是实施精准农业的前提。现阶段要获得高精度的农田信息必须进行实地田间测量,目前人工采集是实际农业生产与科学研究活动中获取高精度农田信息的主要方式,存在劳动强度大、效率低和数据量不足等问题。本文设计了一种基于RTK-GNSS的移动机器人点对点跟踪控制系统,用于实现农田信息采集机器人遍历田块中系列规划点从而实现高精度信息采集作业。首先进行机器人的硬件设计与控制性能测试;其次,基于轮式移动机器人运动学模型,设计点跟踪的速度与转向控制算法,并采用栅格法生成田块信息采样点,规划跟踪路径;在此基础上,进行机器人点跟踪控制系统软件设计,编写上位机和下位机子程序;最后通过试验验证所设计的点跟踪控制系统的可行性。试验结果表明,在水泥路面上,点跟踪平均偏差为0.027 m,最大偏差为0.043 m;在草坪路面上,平均偏差为0.035 m,最大偏差为0.074 m。所设计的高精度点对点跟踪控制系统可为农田信息采集作业的自动化提供技术支持,具有一定的理论创新与应用价值。主要研究内容如下:（1）硬件系统方案设计提出农田信息采集机器人硬件系统总体方案,分别进行轮式移动机器人底盘、RTK-GNSS、车载计算机与微控制器、转向模块、驱动模块等主要硬件组成的设计,完成硬件系统搭建。（2）点跟踪控制算法设计建立移动机器人点跟踪运动学模型;针对信息采集过程中不同跟踪情形设计机器人的转向控制律和速度控制律;设计多边形田块分割方法生成信息采样点;根据算例生成的采样点设计转弯衔接路径,完成路径规划。（3）软件设计在MATLAB环境中以模块化程序设计方法进行上位机软件设计,完成主程序、串口通讯子程序、RTK-GNSS报文解析子程序以及路径跟踪子程序编写;在下位机控制器中完成直流电机驱动和转向电机驱动程序编写;利用MATLAB GUI工具完成人机交互界面的优化设计。（4）控制系统试验验证首先开展变参数重复试验,确定控制算法最优控制参数;其次开展连续点跟踪试验,验证控制系统实际跟踪效果,并分析跟踪精度;最后对获得的高程数据进行插值处理,绘制地势图,实现农田信息采集系统的初步应用。

关键词：信息采集移动机器人点跟踪控制田块分割 RTK-GNSS

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