作者：刘晖 李兆雄 詹杰 杨有泉
来源：《农业技术与装备》 2018年第10期
基于无人机的果园冠层图像采集装置设计
中国被黑站点统计
刘 晖，李兆雄，詹 杰，杨有泉
（福建省农业科学院农业生态研究所，福建省山地草业工程技术研究中心，福建 福州 350013）
数字增长背后的高质量发展密码 摘 要 基于四轴小型无人机平台，克服植物冠层分析仪只能采集低矮植物的限制，研究设计在无人机上搭载图像与光谱传感器，采集南方中大型果树果园冠层图像信息，为开展果园光能利用率，光合效率、叶面积指数、叶片营养状况的研究提供信息数据。 关键词 无人机 冠层图像 多光谱
中图分类号 S220.2 文献标志码 A doi:10.3969/j.issn.1673-887X.2018.10.034
冠层是植物最先受到外界环境（光、温、水、气）影响的部位，监测此部位用于了解植物体的营养和
生长状况[1]。植物在其正常生长的状况下，植株叶片的绿由其所含的叶绿素对绿光的反射光谱特性决定[2-3]。在南方枇杷、龙眼、荔枝等乔木类果园采集果园冠层图像和光谱信息，可以评价果树对光能的吸收率、光合作用效率、预测果实品质和产量。无人机遥感系统是由无人机（UAV）、图像光谱传感器，以及数据处理和无人机控制系统为一体的遥感系统。
本研究基于四轴小型无人机作为图像与光谱传感器的搭载平台，依靠无人机飞行高度的优势，克服一般植物冠层分析仪只能采集低矮植物冠层图像的限制，利用图像与光谱传感器采集南方果园中大型（如枇杷、龙眼、荔枝等）果树的冠层的图像信息，为开展果园的光能利用率，光合作用效率、叶面积指数、叶片营养状况的研究提供可靠的信息数据。
1 总体方案设计
无人机的果园冠层图像采集装置总体方案设计包括无人机平台设计、图像和多光谱传感器设计、无人机搭载平台结构设计、无人机飞行控制系统设计、图像和光谱采集信息数据传输通讯系统设计等部分，如图1所示。
无人机的果园冠层图像采集装置包括无人机飞行控制系统、飞行姿态控制传感器、机臂、 电机、螺旋桨、图像和多光谱传感器（相机）、三轴控制云台、起落架、电池等部件。无人机的机身安装有无人机的无人机飞行控制系统、飞行姿态控制传感器、无人机与地面摇控器的无线通讯装置、图像和多
光谱传感器数据传输存储模块、电池等部件，它主要完成对无人机平稳飞行的控制功能，完成图像和光谱传感器数据信息的可靠采集，保证无人机与地面摇控器的实时数据传输。
2 无人机平台的设计选型
灭菌检测 根据采集果园冠层图像和多光谱信息数据的要求，搭载的图像和多光谱传感器约0.08 kg、配套电源0.1~0.2 kg、GPS定位传感器0.04 kg，总质量控制在0.35~0.4 kg以内，选择一般中小型的现成无人机进行改装就可满足无人机
北京大学图书馆
平台的搭载要求，经过市场调研，深圳市大疆创新科技有限公司生产的大疆精灵Phantom3系列无人机是较好的选择，该款具备25 min续航，飞行器质量1.2 kg、最大水平飞行速度16 m/s、最大起飞
海拔高度6 000 m、卫星定位模块GPS/GLONASS双模、遥控器信号最大有效距离1 000 m，遥控器适用于平板电脑或手机，操控简单，是本系统实施果园冠层图像采集的良好搭载工作平台[4]。
3 图像和多光谱传感器设计选型
果园冠层图像和多光谱信息数据的采集，需要拍摄图像清晰度较高的静态照片和精度较高红外线校准图像的多光谱传感器，由深圳市鹏锦科技有限公司代理的瑞士Sequoia多光谱相机具有获取绿光、红光、红边光和近红外光和RGB三原1 600万像素分辨率图像信息，能够较好地满足本研究的果园冠层图像和多光谱采集传感器要求，还配SD卡插槽作为采集数据信息的实时存储，GPS/GNSS模块用于惯性导航并记录采集点的精确定位信息。Sequoia光谱传感器的技术参数完全可以满足系统采集数据种类和精度要求，其装置质量0.35~0.4 kg[5]，也符合选择的小型无人机搭载的质量要求。
4 飞行控制系统的设计
无人机的飞行控制系统是无人机完成飞行控制的核心部件，如图2所示。它是无人机的中央控制器，它根据安装在飞行器上的姿态传感器和环境监测传感器传回的数据信息，实时运算，生成控制指令，指挥飞行器的执行机构运行，控制无人机在一定的空域和航线安全飞行。同时还要控制搭载的图像和多光谱传感器实时采集果园的冠层数据信息存储在飞行器的存储单元中。它包括系统初始化模块、控制模块、中央数据处理模块、无线通信模块、状态传感器采集模块、导航模块、冠层图像和多
光谱采集模块、飞行器执行机构模块等部分[6-8]。
5 结束语
文章详细阐述了基于无人机的果园冠层图像采集装置各部件的软硬件设计与选型，通过中小型无人机搭载冠层图像和多光谱传感器，采集南方果园果树的冠层数据信息，解决了一般植物冠层分析仪无法采集南方大型果树冠层数据信息的问题，为进一步应用采集的植株冠层信息数据开展南方果园冠层的叶面积指数、光能利用率、光合效率、果树营养状况评估、果树产量预测等方面的研究提供了数据保证。
参考文献
[1] LAI-2000植物冠层分析仪安装培训资料，基因有限公司.
[2] Thomas J R, Gausman H W. Leaf reflectance vs leaf chlorophyll and carotenoid concentration for eight crops. Agron J,1977(69):799-802.
[3] Blackburn G A.Spectral indices for estimating photosynthetic pigment concentrations: a test using senescent tree leaves. Intl J Remote Sens, 1998(19): 657-675.骨碱性磷酸酶
配料系统
[4] zhidao.baidu/question/812467561935429252.html大疆phantom3 standa优点，百度知道.
[5] pe/apollo/prodetail-nyj2010-10731511.html.瑞士Parrot Sequoia无人机多光谱相机,深圳市鹏锦科技有限公司.
[6] 李晓强.无人机飞行控制系统的硬件设计与研究[D]. 西安理工大学,硕士学位论文, 2008,05.
[7] 郝恩敬 ,等.小型无人机飞行控制器硬件设计[J].信息化研究,2009,35(8):51-54.
[8] 崔麦会,黄晓娟,等. 21世纪军用无人机的发展趋势[J]. 航空科学技术, 2002(3):26-29.
豫公网安备41160202000603
站长QQ:729038198
关于我们
投诉建议