一種茶樹精細化栽培生育性狀實時監測方法
2023-09-21 20:33:35 2
一種茶樹精細化栽培生育性狀實時監測方法
【專利摘要】本發明公開了一種茶樹精細化栽培生育性狀實時監測方法，基於在線定位的茶樹活體生育特徵數據採集裝置進行實時數據採集，採集的數據通過無線通信方式傳輸到人工綜合管理中心進行處理；所採集的數據包括：利用定位機構採集當前的位置數據；利用高光譜成像傳感器採集茶鮮葉光譜數據；利用超聲波傳感器測量茶鮮葉的平均生長高度；人工綜合管理中心依據以上數據結合離線建立的採摘判別模型，判別鮮茶葉採摘最佳時期；採摘判別模型包括基於平均生長高度的度量新芽尺寸發育模型和基於高光譜圖像數據的產量相關模型和品質相關模型；該茶樹精細化栽培生育性狀實時監測方法，有利於實現茶樹種植的精細化和自動化。
【專利說明】一種茶樹精細化栽培生育性狀實時監測方法
【技術領域】
[0001]本發明屬於精細農業領域，涉及一種茶樹精細化栽培生育性狀實時監測方法。
【背景技術】
[0002]中國是茶葉的原產地，是最早發現茶樹的國家，當今世界第一大茶葉生產國和世界第二大出口國，2011年茶葉生產147.5萬t，超過世界重量的1/3 ;出口 32.3萬t，出口金額約9.56億$，可見在我國經濟作物中佔有非常重要的地位。隨著我國農村城鎮化發展，農村勞動力逐漸減少和老齡化嚴重，生產成本增加，茶葉生產利潤下降，制約了茶業的發展，茶園作業機械化和信息自動化是發展的必然趨勢。
[0003]20世紀90年代以來，隨著全球定位系統(GPS)、地理信息系統(GIS)、農業應用電子技術和作物栽培有關模擬模型以及生產管理決策支持系統(DDS)技術研究的發展，「精細農業」已成為21世紀發達國家為合理利用農業資源，提高農作物產量，降低生產成本，根據作物環境和生長實施變量施肥、施藥，改善生態環境的最富有吸引力的前沿性研究領域之
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[0004]目前茶園管理中，為及時掌握茶葉的生長發育情況，經常根據人工經驗進行可靠性不高的外觀診斷；或採用基於上壤和作物的實驗室分析，普遍要求破壞土壤和植被樣本，且測量費時費力，過程複雜。同時，研究結果發現茶鮮葉產量跟茶樹的生長時間成一定正比例關係，但與茶葉的品質成一定的反比例關係，因此產量與品質的平衡是採摘期必須考慮的問題。一般傳統的方法也是根據經驗人工感覺來判斷新芽的成熟度及品質，這些方法屬於定性或半定性，缺少充分的 科學依據，而且費時費力。
[0005]文獻資料顯示，採用近紅外技術等茶葉成品檢測的研究較多。國家專利申請號CN200910116733.0公布了一種近紅外技術快速檢測茶葉品質的方法，為原料收購和加工提供檢測提供方便；國家專利申請號:CN200810079810.5利用紅外光譜採用樣品分析的方法建立光譜圖用於產地檢測和CN200810236223.2利用紅外光譜和機器視覺融合對茶葉樣品質量檢測，以上文獻不能應用於茶園管理。國家專利號:CN200710156126.8公布了一種基於無線傳感器網絡的茶園微域監控方法與系統，可以實現傳感器數據的無線傳輸，數據讀取，數據曲線和拓撲圖繪製等。國家專利號:ZL 201020581129.3提供了一種自動化茶園茶樹活體生長發育測量及病蟲害檢測裝置，採用視覺和超聲波技術對生長高度及葉片病蟲害實時粗略檢測，有利於調整水分、氮肥和施藥等精細化管理。
[0006]但現有技術中還沒有依據茶樹活體生長發育過程中鮮茶葉的生理和理化品質的較高精度監測，以從微觀上來指導精細化茶園種植的技術，因此，有必要設計一種茶樹精細化栽培生育性狀實時監測方法。
【發明內容】
[0007]本發明所要解決的技術問題是提供一種茶樹精細化栽培生育性狀實時監測方法，該茶樹精細化栽培生育性狀實時監測方法有利於實現茶樹種植的精細化和自動化。[0008]發明的技術解決方案如下:
[0009]一種茶樹精細化栽培生育性狀實時監測方法，基於在線定位的茶樹活體生育特徵數據採集裝置進行實時數據採集，採集的數據通過無線通信方式傳輸到人工綜合管理中心進行處理；
[0010]所採集的數據包括:
[0011](I)利用定位機構採集當前的位置數據；
[0012](2)利用高光譜成像傳感器採集茶鮮葉光譜數據；
[0013](3)利用超聲波傳感器測量茶鮮葉的平均生長高度；
[0014]人工綜合管理中心依據以上數據結合離線建立的採摘判別模型，判別鮮茶葉採摘最佳時期；
[0015]採摘判別模型包括基於平均生長高度的度量新芽尺寸發育模型和基於高光譜圖像數據的產量相關模型和品質相關模型；
[0016]產量相關模型包括芽數模型、乾物重模型和百芽重模型；
[0017]品質相關模型包括理化品質模型；
[0018]理化品質模型體現高光譜圖像數據與兒茶素類、茶多酚、胺基酸、咖啡鹼含量的關係;
[0019]理化品質模型還.體現高光譜圖像數據與氮含量、微量元素含量的關係；
[0020]微量元素包括磷、鉀、鈣和鋅。
[0021]品質模塊還可以包括生理營養模型和病害診斷模型請提供，這些模型也是現有成熟技術。
[0022]建立上述離線模型的技術為現有技術。
[0023]在線定位的茶樹活體生育特徵數據採集裝置的結構為:
[0024]在覆蓋茶樹種植區域的矩形的四個角點上分別設置四根豎直的支撐杆(2);每一根支撐杆的頂端設有一個有色標識(3);在該矩形的兩條平行的長邊上各設有一條導軌
(I);2條平行的導軌的兩端各設有一個導軌枕(10)和一個限位器(11)；
[0025]機架(5)的底部設置的4個滑輪和用於驅動滑輪的電機(20);電機工作時，驅動滑輪帶動機架沿導軌滑動；機架上安裝有2個與所述限位器配對使用的限位開關(17)；
[0026]全方位視覺傳感器(9)固定在機架頂部設置的三角架(12)上；
[0027]機架上還設有計算機(7)、蓄電池(8)、超聲波傳感器(16)、光源(4)和無線發射器(14);機架的頂部還通過懸垂向下的連接杆設置有一個高光譜傳感器；計算機所採集的數據通過無線發射器傳輸到人工綜合管理中心；
[0028]限位開關、蓄電池、超聲波傳感器、無線發射器、全方位視覺傳感器和高光譜傳感器均與計算機連接，電機受控於計算機；
[0029]連接杆包括伸縮機構和設置在伸縮機構下方的旋轉夾持機構；伸縮機構和旋轉夾持機構通過連接板(36)相連；
[0030]伸縮機構包括螺紋套筒(33)、設置在螺紋套筒內的螺紋軸(35)以及螺紋軸頂端設置的旋轉把手(31);螺紋套筒通過連接件固定板(43)固定在機架上；螺紋套筒設有第一固定螺栓(34);【伸縮機構可以先伸縮到位，再安裝下半部分。】
[0031]旋轉夾持機構包括固定在連接板(36)底部的方鋼(42)和通過斜度固定板(40)和固定螺釘(41)安裝在方鋼上的夾持裝置(37);斜度固定板為扇形，斜度固定板上設有一個圓孔，斜度固定板通過該圓孔掛裝在固定螺釘上；斜度固定板還設有弧形的定位孔
(46);夾持裝置通過傾斜度調節支塊(38)安裝在斜度固定板上；傾斜度調節支塊上設置的第二固定螺栓(39)穿過所述的定位孔(46)完成夾持裝置的固定；
[0032]機架的頂部設有與蓄電池相連的太陽能電池板(6);電機上設有電機編碼器
(19);全方位視覺傳感器通過USB線與計算機相連，電機編碼器與計算機相連，機架的四周設有帶毛氈膠帶(45)的遮光布(44)。【遮光布附在機架周圍在監測過程中，減少光線影響。毛氈膠帶用於將遮光布粘在機架上】
[0033]基於有色標識和全方位視覺傳感器的定位過程如下:
[0034]4個有色標識LI-L4在作業區周圍形成的矩形長為a、寬為b ;四個有色標識中的每相鄰兩個有色標識與全方位視覺傳感器投影中心在全方位圖像中的方位角Θ !-Θ 4 ;根據幾何學圓弧形成原理，由LI和L2有色標識點和上述方位角Θ i即圓心角形成弧S1,同理，L2和L3、Θ 2形成弧S2，L3和L4、Θ 3形成弧S3，L3和L4，Θ 4形成弧S4,
弧S1-S4分別兩條相交，得出四個交點，4個交點坐標為
【權利要求】
1.一種茶樹精細化栽培生育性狀實時監測方法，其特徵在於，基於在線定位的茶樹活體生育特徵數據採集裝置進行實時數據採集，採集的數據通過無線通信方式傳輸到人工綜合管理中心進行處理； 所採集的數據包括: (1)利用定位機構採集當前的位置數據； (2)利用高光譜成像傳感器採集茶鮮葉光譜數據； (3)利用超聲波傳感器測量茶鮮葉的平均生長高度； 人工綜合管理中心依據以上數據結合離線建立的採摘判別模型，判別鮮茶葉採摘最佳時期； 採摘判別模型包括基於平均生長高度的度量新芽尺寸發育模型和基於高光譜圖像數據的產量相關模型和品質相關模型； 產量相關模型包括芽數模型、乾物重模型和百芽重模型； 品質相關模型包括理化品質模型； 理化品質模型體現高光譜圖像數據與兒茶素類、茶多酚、胺基酸、咖啡鹼含量的關係； 理化品質模型還體現高光譜圖像數據與氮含量、微量元素含量的關係； 微量元素包括磷、鉀、韓和鋅。
2.根據權利要求1所述的茶樹精細化栽培生育性狀實時監測方法，其特徵在於，在線定位的茶樹活體生育特徵數據.採集裝置的結構為: 在覆蓋茶樹種植區域的矩形的四個角點上分別設置四根豎直的支撐杆(2);每一根支撐杆的頂端設有一個有色標識(3);在該矩形的兩條平行的長邊上各設有一條導軌(I) ；2條平行的導軌的兩端各設有一個導軌枕(10)和一個限位器(11)； 機架(5)的底部設置的4個滑輪和用於驅動滑輪的電機(20);電機工作時，驅動滑輪帶動機架沿導軌滑動；機架上安裝有2個與所述限位器配對使用的限位開關(17)； 全方位視覺傳感器(9)固定在機架頂部設置的三角架(12)上； 機架上還設有計算機(7)、蓄電池(8)、超聲波傳感器(16)、光源(4)和無線發射器(14);機架的頂部還通過懸垂向下的連接杆設置有一個高光譜傳感器；計算機所採集的數據通過無線發射器傳輸到人工綜合管理中心； 限位開關、蓄電池、超聲波傳感器、無線發射器、全方位視覺傳感器和高光譜傳感器均與計算機連接，電機受控於計算機； 連接杆包括伸縮機構和設置在伸縮機構下方的旋轉夾持機構；伸縮機構和旋轉夾持機構通過連接板(36)相連； 伸縮機構包括螺紋套筒(33)、設置在螺紋套筒內的螺紋軸(35)以及螺紋軸頂端設置的旋轉把手(31);螺紋套筒通過連接件固定板(43)固定在機架上； 螺紋套筒設有第一固定螺栓(34)； 旋轉夾持機構包括固定在連接板(36)底部的方鋼(42)和通過斜度固定板(40)和固定螺釘(41)安裝在方鋼上的夾持裝置(37);斜度固定板為扇形，斜度固定板上設有一個圓孔，斜度固定板通過該圓孔掛裝在固定螺釘上；斜度固定板還設有弧形的定位孔(46);夾持裝置通過傾斜度調節支塊(38)安裝在斜度固定板上；傾斜度調節支塊上設置的第二固定螺栓(39)穿過所述的定位孔(46)完成夾持裝置的固定；機架的頂部設有與蓄電池相連的太陽能電池板￠);電機上設有電機編碼器(19);全方位視覺傳感器通過USB線與計算機相連，電機編碼器與計算機相連，機架的四周設有帶毛氈膠帶(45)的遮光布(44)。
3.根據權利要求2所述的茶樹精細化栽培生育性狀實時監測方法，其特徵在於，基於有色標識和全方位視覺傳感器的定位過程如下: 4個有色標識LI-L4在作業區周圍形成的矩形長為a、寬為b ;四個有色標識中的每相鄰兩個有色標識與全方位視覺傳感器投影中心在全方位圖像中的方位角Q1N θ4;根據幾何學圓弧形成原理，由LI和L2有色標識點和上述方位角Θ i即圓心角形成弧S1,同理，L2和L3、θ2形成弧S2，L3和L4、Θ 3形成弧S3，L3和L4，Θ 4形成弧S4,弧S1-S4分別兩條相交，得出四個交點，4個交點坐標為:
【文檔編號】G01N21/25GK103439265SQ201310355870
【公開日】2013年12月11日 申請日期:2013年8月15日 優先權日:2013年8月15日
【發明者】李明, 劉仲華, 黃建安, 戴思慧 申請人:湖南農業大學