一種用於農作物生長狀態監測及營養施肥處方生成裝置和方法

2023-05-27 04:25:56 2

專利名稱：一種用於農作物生長狀態監測及營養施肥處方生成裝置和方法
技術領域：
本發明涉及信息檢測技術應用領域，特別涉及一種由計算機控制並處理的用於農作物生長狀態監測及營養施肥處方生成裝置和方法。
背景技術：
現有的農作物生長狀態監測主要是靠人的實地觀察進行，相應的營養施肥管理主要是依賴技術書籍和歷史經驗由人來決策，監測、決策和管理的結果因人而異，不利於農業現代化、產業化和綠色化的發展方向。如何利用信息技術實現科學的農作物生長狀態監測及營養施肥，是急待解決的技術問題。
信息技術是農業科技革命的先導，農業信息技術對於加速我國傳統農業的改造，提高農業生產效益和農產品的品質，提高農業管理和經營決策水平，促進農業持續、穩定發展，具有重要的意義，有著巨大的應用空間和廣闊的發展前景。
從上世紀八十年代以來，我國開展了系統工程、資料庫與信息管理系統、遙感、專家系統、決策支持系統、地理信息系統等技術應用於農業、資源和環境方面的研究，取得了一批重要成果。在農業科研、管理以及基層部門，已經積累了十分龐大的數據、實例和知識經驗，積累了與各種農作物相關的苗情、土情、肥情、水情、蟲情、氣象和災害等大量數據資料，將這些數據資料信息存儲到計算機資料庫中，使用電腦程式進行農業中的多種數據處理，通過電腦程式具體操作步驟來實現指導農民科學種田。但是這些成果的一個主要特徵是計算機軟體成果。
本發明是集成應用信息技術的最新成果，發明農作物生長狀態監測及營養施肥處方生成裝置，為綠色農業、設施農業和精確農業提供技術裝置和科學手段。

發明內容
本發明的目的是針對實現農作物生長狀態監測及營養施肥的科學化和自動化所急待解決的技術問題，使用攝像機和營養成分檢測儀對農作物生長狀態進行實時監測，監測數據存儲到計算機資料庫中，用電腦程式對數據進行處理，提供一種用於農作物生長狀態監測及營養施肥處方生成裝置和方法，達到生態平衡施肥的目的。
本發明的技術方案是一種用於農作物生長狀態監測及營養施肥處方生成裝置，該裝置由硬體設備和軟體程序組成；硬體設備包括攝像機(1)，視頻信號處理器(2)，視頻數位化儀(3)，視頻控制器(4)，營養成分檢測儀(5)，營養成分信號處理器(6)，數位化儀(7)，採樣控制器(8)，電子計算機(9)和網際網路接入設備(10)，其特徵在於該裝置的結構是一個可用導線連接也可用無線信號傳輸連接的分散性結構；硬體設備中所述的攝像機(1)的監測信號經視頻信號處理器(2)進行預處理後，通過視頻數位化儀(3)被轉換成數位訊號經導線或經無線傳輸進入電子計算機(9)，營養成分檢測儀(5)的監測信號經營養成分信號處理器(6)進行預處理後，通過數位化儀(7)被轉換成數位訊號經導線或經無線傳輸進入電子計算機(9)，電子計算機(9)經網際網路接入設備(10)接入網際網路；
硬體設備中所述的視頻控制器(4)受電子計算機(9)的控制，產生相應的控制信號控制攝像機(1)、視頻信號處理器(2)和視頻數位化儀(3)的工作狀態。所述的採樣控制器(8)受電子計算機(9)的控制，產生相應的控制信號控制營養成分檢測儀(5)、營養成分信號處理器(6)和數位化儀(7)。
軟體程序包括農作物圖像數據(11)，營養成分檢測數據(12)，多媒體資料庫(13)，營養成分資料庫(14)，多媒體數據預處理(15)，營養成分數據預處理(16)，生長發育特徵資料庫(17)，圖像特徵抽取生長狀態模式識別(18)，營養成分特徵抽取肥力模式識別(19)，營養特徵資料庫(20)，生長發育狀態信息(21)，土壤和植物營養成分信息(22)，生長狀態歷史資料庫(23)，信息融合處理(24)，肥料使用歷史資料庫(25)，生長發育知識庫(26)，知識推理智能決策(27)，生態平衡施肥知識庫(28)，農業機械控制參數(29)，營養施肥處方(30)，遠程用戶診斷諮詢(31)。
硬體設備中所述的攝像機(1)和營養成分檢測儀(4)共同組成農作物生長狀態監測器的前端信號獲取部分，所檢測數據為電子計算機(9)程序處理的原始數據。
一種用於農作物生長狀態監測及營養施肥處方生成裝置的方法，其特徵在於軟體程序流程運行包括下列步驟1)攝像機(1)從空中或地面對農作物的植株，包括莖、葉、花、果、皮進行光學攝像和時序間隔的圖像採集，獲得的農作物圖像數據(11)存入電子計算機(9)的多媒體資料庫(13)中；2)營養成分檢測儀(5)對農作物及土壤進行營養成分檢測，獲得的有關植物和土壤的營養成分檢測數據(12)存入電子計算機(9)的營養成分資料庫(14)中；3)分別啟動多媒體數據預處理(15)程序和營養成分數據預處理(16)程序，對多媒體資料庫(13)和營養成分資料庫(14)中的監測數據進行數據處理，去除數據噪聲、消除空缺數據等；4)啟動圖像特徵抽取生長狀態模式識別(18)程序，抽取農作物上的生長發育狀態特徵，與生長發育特徵資料庫(17)進行特徵匹配模式識別處理，獲取農作物生長發育狀態信息(21)；5)啟動營養成分特徵抽取肥力模式識別(19)程序，抽取營養成分狀態特徵，與營養成分特徵資料庫(20)進行特徵匹配模式識別處理，獲取土壤和植物營養成分信息(22)；6)啟動信息融合處理(24)程序，依據生長狀態歷史資料庫(23)和肥料使用歷史資料庫(25)的信息，對監測的農作物生長發育狀態信息(21)和土壤和植物營養成分信息(22)進行信息融合處理，獲取農作物生長發育狀態、趨勢以及與土壤和植物營養成分濃度及分布等綜合相關信息；7)啟動知識推理智能決策(27)程序，依據農作物生長發育知識庫(26)和生態平衡施肥知識庫(28)中的知識，生成營養施肥處方(30)，營養施肥處方(30)中含有用於實現生態平衡施肥目的的肥料配比、微量元素比等信息和用於自動施肥作業的農業機械控制參數(29)，以及可被用於進行遠程用戶診斷諮詢(31)的知識和信息。
圖像特徵抽取生長狀態模式識別(18)程序算法是對農作物的序列圖像，進行形狀、尺寸、紋理和顏色的特徵抽取處理，抽取農作物的生長發育狀態特徵信息，生長狀態模式識別算法程序將生長發育特徵信息與生長發育特徵資料庫(17)進行特徵匹配識別處理，獲取農作物生長發育狀態信息(21)。
營養成分特徵抽取肥力模式識別(19)程序算法是對經有機萃取，物理激發，升溫分離等物理及電化學過程獲得的數據進行特徵抽取處理，肥力模式識別算法程序將抽取的以肥力為代表的營養成分特徵與營養成分特徵資料庫(20)進行特徵匹配識別處理，獲取土壤和植物營養成分信息(22)。
信息融合處理(24)程序算法是依據生長狀態歷史資料庫(23)和肥料使用歷史資料庫(25)等不同主題的資料庫的歷史經驗信息，對監測的農作物生長發育狀態信息(21)和土壤和植物營養成分信息(22)進行數據分類、挖掘和相關分析處理，獲取農作物生長發育狀態、發展狀況以及與土壤與植物中養分種類、含量和濃度等綜合信息。
知識推理智能決策(27)程序算法是對經過信息融合處理(24)程序獲取的農作物生長發育狀態、發展狀況以及與土壤和植物養分等綜合信息，依據農作物生長發育知識庫(26)和生態平衡施肥知識庫(28)中的知識，邏輯推導出促進農作物生長所需的養分及肥料，並智能決策生成營養施肥處方(30)。
本發明的有益效果是用戶應用一種用於農作物生長狀態監測及營養施肥處方生成裝置和方法，進行農作物生長狀態的實時監測並生成營養施肥處方，實現基於網際網路的遠程農作物生長狀態監測和診斷，生態平衡施肥方法諮詢，還可以提供基於處方作業的相關農業機械自動作業所需的智能控制參數。這對於解決目前我國農業生產上普遍存在的農作物生長管理和施肥作業中的不科學誤區和難點是一種有效方法，對實行綠色農業和農業產業化有重要的促進作用。


圖1是一種用於農作物生長狀態監測及營養施肥處方生成裝置的結構示意圖。
圖2是一種用於農作物生長狀態監測及營養施肥處方生成裝置的電腦程式流程框圖。
具體實施例方式
如圖1所示，農作物生長狀態監測及營養施肥處方生成裝置的硬體設備包括攝像機1，視頻信號處理器2，視頻數位化儀3，視頻控制器4，營養成分檢測儀5，營養成分信號處理器6，數位化儀7，採樣控制器8，電子計算機9和網際網路接入設備10，該裝置的結構是一個可用導線連接也可用無線信號傳輸連接的分散性結構。
從圖1可以看出硬體設備監測信號流程是攝像機1的監測信號經視頻信號處理器2進行預處理後，通過視頻數位化儀3被轉換成數位訊號經導線或經無線傳輸進入電子計算機9；營養成分檢測儀5的監測信號經營養成分信號處理器6進行預處理後，通過數位化儀7被轉換成數位訊號經導線或經無線傳輸進入電子計算機9，電子計算機9經網際網路接入設備10接入網際網路；視頻控制器4受電子計算機9的控制，產生相應的控制信號控制攝像機1、視頻信號處理器2和視頻數位化儀3的工作狀態；採樣控制器8受電子計算機9的控制，產生相應的控制信號控制營養成分檢測儀5、營養成分信號處理器6和數位化儀7。
如圖2所示，農作物生長狀態監測及營養施肥處方生成裝置的軟體程序包括農作物圖像數據11，營養成分檢測數據12，多媒體資料庫13，營養成分資料庫14，多媒體數據預處理15，營養成分數據預處理16，生長發育特徵資料庫17，圖象特徵抽取生長狀態模式識別18，營養成分特徵抽取肥力模式識別19，營養特徵資料庫20，生長發育狀態信息21，土壤和植物營養成分信息22，生長狀態歷史資料庫23，信息融合處理24，肥料使用歷史資料庫25，生長發育知識庫26，知識推理智能決策27，生態平衡施肥知識庫28，農業機械控制參數29，營養施肥處方30，遠程用戶診斷諮詢31。
所述的電子計算機9運行的用於農作物生長狀態監測及營養施肥處方生成裝置的軟體程序流程包括下列步驟1)攝像機1從空中或地面對農作物的植株，包括莖、葉、花、果、皮進行光學攝像和時序間隔的圖像採集，獲得的農作物圖像數據11存入電子計算機9的多媒體資料庫13中；2)營養成分檢測儀5對農作物及土壤進行營養成分檢測，獲得的有關植物和土壤的營養成分檢測數據12存入電子計算機9的營養成分資料庫14中；3)分別啟動多媒體數據預處理15程序和營養成分數據預處理16程序，對多媒體資料庫13和營養成分資料庫14中的監測數據進行數據處理，去除數據噪聲、消除空缺數據等；4)啟動圖像特徵抽取生長狀態模式識別18程序，抽取農作物上的生長發育狀態特徵，與生長發育特徵資料庫17進行特徵匹配模式識別處理，獲取農作物生長發育狀態信息21；5)啟動營養成分特徵抽取肥力模式識別19程序，抽取營養成分數據特徵，與營養成分特徵資料庫20進行特徵匹配模式識別處理，獲取土壤和植物營養成分信息22；6)啟動信息融合處理24程序，依據生長狀態歷史資料庫23和肥料使用歷史資料庫25的信息，對監測的農作物生長發育狀態信息21和土壤和植物營養成分信息22進行信息融合24處理，獲取農作物生長發育狀態、趨勢以及與土壤和植物營養成分濃度及分布等綜合相關信息；7)啟動知識推理智能決策27程序，依據農作物生長發育知識庫26和生態平衡施肥知識庫28中的知識，生成營養施肥處方30；該營養施肥處方30中含有用於實現生態平衡施肥目的的肥料配比，微量元素比等信息，用於自動施肥作業的農業機械控制參數29，以及可被用於進行遠程用戶診斷諮詢31的知識和信息。
圖像特徵抽取生長狀態模式識別18程序算法是對農作物的序列圖像，進行形狀、尺寸、紋理和顏色的特徵抽取處理，抽取農作物的生長發育狀態特徵信息，生長狀態模式識別算法程序將生長發育特徵信息與生長發育特徵資料庫17進行特徵匹配識別處理，獲取農作物生長發育狀態信息21；營養成分特徵抽取肥力模式識別19程序算法是對經有機萃取，物理激發，升溫分離物理及電化學過程獲得的數據進行特徵抽取處理，肥力模式識別算法程序將抽取的以肥力為代表的營養成分特徵與營養成分特徵資料庫20進行特徵匹配識別處理，獲取土壤和植物營養成分信息22；信息融合處理24程序算法是依據生長狀態歷史資料庫23和肥料使用歷史資料庫25不同主題的資料庫的歷史經驗信息，對監測的農作物生長發育狀態信息21和土壤和植物營養成分信息22進行數據分類、挖掘和相關分析處理，獲取農作物生長發育狀態、發展狀況以及與土壤與植物中養分種類、含量和濃度的綜合信息；知識推理智能決策27程序算法是對經過信息融合處理24程序獲取的農作物生長發育狀態、發展狀況以及與土壤和植物養分的綜合信息，依據農作物生長發育知識庫26和生態平衡施肥知識庫28中的知識，邏輯推導出促進農作物生長所需的養分及肥料，並智能決策生成營養施肥處方30。
權利要求
1.一種用於農作物生長狀態監測及營養施肥處方生成裝置，該裝置由硬體設備和軟體程序組成；硬體設備包括攝像機(1)，視頻信號處理器(2)，視頻數位化儀(3)，視頻控制器(4)，營養成分檢測儀(5)，營養成分信號處理器(6)，數位化儀(7)，採樣控制器(8)，電子計算機(9)和網際網路接入設備(10)，其特徵在於該裝置的結構是一個可用導線連接也可用無線信號傳輸連接的分散性結構；硬體設備中所述的攝像機(1)的監測信號經視頻信號處理器(2)進行預處理後，通過視頻數位化儀(3)被轉換成數位訊號經導線或經無線傳輸進入電子計算機(9)，營養成分檢測儀(5)的監測信號經營養成分信號處理器(6)進行預處理後，通過數位化儀(7)被轉換成數位訊號經導線或經無線傳輸進入電子計算機(9)，電子計算機(9)經網際網路接入設備(10)接入網際網路；硬體設備中所述的視頻控制器(4)受電子計算機(9)的控制，產生相應的控制信號控制攝像機(1)、視頻信號處理器(2)和視頻數位化儀(3)的工作狀態，所述的採樣控制器(8)受電子計算機(9)的控制，產生相應的控制信號控制營養成分檢測儀(5)、營養成分信號處理器(6)和數位化儀(7)；軟體程序包括農作物圖像數據(11)，營養成分檢測數據(12)，多媒體資料庫(13)，營養成分資料庫(14)，多媒體數據預處理(15)，營養成分數據預處理(16)，生長發育特徵資料庫(17)，圖像特徵抽取生長狀態模式識別(18)，營養成分特徵抽取肥力模式識別(19)，營養特徵資料庫(20)，生長發育狀態信息(21)，土壤和植物營養成分信息(22)，生長狀態歷史資料庫(23)，信息融合處理(24)，肥料使用歷史資料庫(25)，生長發育知識庫(26)，知識推理智能決策(27)，生態平衡施肥知識庫(28)，農業機械控制參數(29)，營養施肥處方(30)，遠程用戶診斷諮詢(31)。
2.根據權利要求1所述的農作物生長狀態監測及營養施肥處方生成裝置，其特徵是硬體設備中所述的攝像機(1)和營養成分檢測儀(4)共同組成農作物生長狀態監測器的前端信號獲取部分，所檢測數據為電子計算機(9)程序處理的原始數據。
3.如權利要求1所述的一種用於農作物生長狀態監測及營養施肥處方生成裝置的方法，其特徵在於軟體程序流程運行包括下列步驟1)攝像機(1)從空中或地面對農作物的植株，包括莖、葉、花、果、皮進行光學攝像和時序間隔的圖像採集，獲得的農作物圖像數據(11)存入電子計算機(9)的多媒體資料庫(13)中；2)營養成分檢測儀(5)對農作物及土壤進行營養成分檢測，獲得的有關植物和土壤的營養成分檢測數據(12)存入電子計算機(9)的營養成分資料庫(14)中；3)分別啟動多媒體數據預處理(15)程序和營養成分數據預處理(16)程序，對多媒體資料庫(13)和營養成分資料庫(14)中的監測數據進行數據處理，去除數據噪聲、消除空缺數據等；4)啟動圖像特徵抽取生長狀態模式識別(18)程序，抽取農作物上的生長發育狀態特徵，與生長發育特徵資料庫(17)進行特徵匹配模式識別處理，獲取農作物生長發育狀態信息(21)；5)啟動營養成分特徵抽取肥力模式識別(19)程序，抽取營養成分數據特徵，與營養成分特徵資料庫(20)進行特徵匹配模式識別處理，獲取土壤和植物營養成分信息(22)6)啟動信息融合處理(24)程序，依據生長狀態歷史資料庫(23)和肥料使用歷史資料庫(25)的信息，對監測的農作物生長發育狀態信息(21)和土壤和植物營養成分信息(22)進行信息融合處理，獲取農作物生長發育狀態、趨勢以及與土壤和植物營養成分濃度及分布綜合相關信息；7)啟動知識推理智能決策(27)程序，依據農作物生長發育知識庫(26)和生態平衡施肥知識庫(28)中的知識，生成營養施肥處方(30)，營養施肥處方(30)中含有用於實現生態平衡施肥目的的肥料配比、微量元素比和用於自動施肥作業的農業機械控制參數(29)，以及可被用於進行遠程用戶診斷諮詢(31)的知識和信息；圖像特徵抽取生長狀態模式識別(18)程序算法是對農作物的序列圖像，進行形狀、尺寸、紋理和顏色的特徵抽取處理，抽取農作物的生長發育狀態特徵信息，生長狀態模式識別算法程序將生長發育特徵信息與生長發育特徵資料庫(17)進行特徵匹配識別處理，獲取農作物生長發育狀態信息(21)；營養成分特徵抽取肥力模式識別(19)程序算法是對經有機萃取，物理激發，升溫分離物理及電化學過程獲得的數據進行特徵抽取處理，肥力模式識別算法程序將抽取的以肥力為代表的營養成分特徵與營養成分特徵資料庫(20)進行特徵匹配識別處理，獲取土壤和植物營養成分信息(22)；信息融合處理(24)程序算法是依據生長狀態歷史資料庫(23)和肥料使用歷史資料庫(25)不同主題的資料庫的歷史經驗信息，對監測的農作物生長發育狀態信息(21)和土壤和植物營養成分信息(22)進行數據分類、挖掘和相關分析處理，獲取農作物生長發育狀態、發展狀況以及與土壤與植物中養分種類、含量和濃度的綜合信息；知識推理智能決策(27)程序算法是對經過信息融合處理(24)程序獲取的農作物生長發育狀態、發展狀況以及與土壤和植物養分的綜合信息，依據農作物生長發育知識庫(26)和生態平衡施肥知識庫(28)中的知識，邏輯推導出促進農作物生長所需的養分及肥料，並智能決策生成營養施肥處方(30)。
全文摘要
一種用於農作物生長狀態監測及營養施肥處方生成裝置和方法，裝置由硬體設備和軟體程序組成。在計算機的控制下，使用攝像機和營養成分檢測儀對農作物進行實時監測，監測信號數位化後，進入計算機資料庫。方法由電腦程式依據生長發育特徵資料庫、營養特徵資料庫、生長狀態歷史資料庫、肥料使用歷史資料庫、生長發育知識庫和生態平衡施肥知識庫裡的信息，對監測數據進行圖像和營養成分特徵抽取，生長狀態和肥力模式識別處理，獲得生長發育狀態及土壤和植物營養成分信息，進行信息融合處理。獲取農作物生長發育狀態、趨勢及與土壤和植物營養成分濃度和分布等綜合相關信息，進行知識推理智能決策，生成營養施肥處方，達到科學施肥目的。
文檔編號A01G7/00GK1561669SQ200410014648
公開日2005年1月12日 申請日期2004年4月12日 優先權日2004年4月12日
發明者康南生, 王儒敬, 宋良圖, 李文卿, 李雁, 胡海贏 申請人:中國科學院合肥智能機械研究所