一種集成化野外信息採集、定位和處理系統及方法
2023-07-15 19:32:01
專利名稱：一種集成化野外信息採集、定位和處理系統及方法
技術領域：
本發明涉及一種野外信息的採集、定位與綜合處理分析的系統與方法，集GPS(全球定位系統)、GIS(地理信息系統)、多種傳感器和與其相對應的本底標準資料庫於一體，特別是可根據用戶不同需要，通過簡單的組件式的調換軟硬體，從而一次性完成用戶所需相關信息的採集定位與實時綜合分析的系統與方法。
野外信息採集通常是一項十分繁複的工作，而且大部分工作需要多重信息一同分析才能得到結果，由於信息在種類上的差異較大(有圖像視頻信息採集、光譜數據採集、氣體含量數據採集、土壤成份採集等等)，工作人員受到儀器、專業背景等方面的種種限制，往往一次只能採集一類數據，在野外將其保存在磁記錄媒體上，待日後處理。即使經過多次採集把相關數據全部採集到，在回到辦公室進行分析處理時，也會因為數據在時間上的差距導致研究結果的誤差。另外值得注意的一點是，由於以往的數據採集方法沒有定位裝置(即便有，也是分開人為記錄，造成增加工作量大並且在匹配過程中容易出錯)，在處理時沒有(精確)經緯度坐標，從而無法(精確)判斷信息在空間上的一致性。以上提到的在以往野外信息採集過程中提到的數據時空差異問題，不但導致工作效率低下，而且容易在判斷問題時片面化(只由一種數據分析)，其主要缺陷是信息的時空差異不能滿足現今精確測繪分析的要求。
雖然GPS全球定位系統，現今已在很多領域得到了廣泛的應用，如汽車導航，探險輔助測量等等，但它們在地面近距離採樣方面卻未能和其它設備有效集成，從而降低了工作效率。
另外，隨著現今生活節奏的加快，在許多情況下人們需要對現場各種信息做出及時的採集並且在第一時間內做出綜合分析和判斷，如農作物病蟲害一噴藥，洪水水位流量——危險程度，道路建設等等，顯然現有的方法無法完全滿足需要。還有一點值得注意的就是，在很多情況下採樣點的露天條件非常惡劣，人們長時間的工作會影響身體健康，還有些需要採樣的地方甚至是十分危險的。
一中央處理單元，通過計算機硬體和軟體平臺控制所述定位單元、姿態控制單元和傳輸單元，並對採集到的信息進行對比分析並將數據處理結果輸出。
上述的信息採集、定位和處理系統，其特點在於所述定位單元由GPS卡和外置GPS天線組成，所述GPS卡與所述控制單元集成在一起。
上述的信息採集、定位和處理系統，其特點在於所述姿態控制單元由一可調整姿態的雲臺和安裝在所述雲臺上的與多種傳感器連接的統一硬體接口組成。
上述的信息採集、定位和處理系統，其特點在於所述採集單元由多種組件式傳感器組成，所述傳感器設置有統一的硬體接口。
上述的信息採集、定位和處理系統，其特點在於所述中央處理單元由工業控制計算機、標準接口及存貯在所述計算機存貯器上的軟體控制系統組成；所述標準接口包括一用於與所述定位單元的GPS天線連接的硬體接口，一用於與所述採集單元的雲臺連接的硬體接口，一用於與所述採集單元的統一輸出線相連的硬體接口；所述軟體控制系統包括定位模塊、傳輸採集模塊、監視控制模塊、分析模塊以及計算機作業系統模塊。
上述的信息採集、定位和處理系統，其特點在於所述傳輸單元包括定製信號整合器、信號解碼器及傳輸線，用於將各種傳感器輸入信號統一輸出給所述中央處理單元。
上述的信息採集、定位和處理系統，其特點在於所述傳感器為視頻傳感器、溫溼度傳感器、氣體傳感器、光譜傳感器、植物傳感器、植物冠層分析傳感器、植物光和作用傳感器中任意一種，或者為其中任意組合。
為了更好地實現上述目的，本發明還提供了一種集成化野外信息採集、定位和處理的方法，其特徵在於包括如下步驟a、在一採樣點利用GPS系統接收GPS信號，並將所述信號傳輸給一計算機控制系統；b、根據需要設置多種相應的信號採集器採集所述採樣點的各種信息，通過一監視控制單元顯示所述信息，並根據顯示情況相應調整所述信號採集器的採集姿態；c、在採集信息滿足採集者要求時，執行一採集指令，將採樣點定位在正確的時空位置上，並將所述採樣點定位坐標及採樣點運動軌跡信息傳輸給所述計算機控制系統，並將所述信息以文件形式存貯在所述計算機控制系統上；d、在所述計算機系統內設立一臨時資料庫，分類存貯所述採集信息；e、將所述分類的採集信息按類與一標準資料庫內經過所述時空位置的標準數據進行對比分析，再對單獨信息進行綜合分析；f、將綜合分析結果輸出。
上述的信息採集、定位和處理的方法，其特點在於在步驟c中，是將GPS信號轉換成標準經緯度坐標或標準公裡坐標信息。
上述的信息採集、定位和處理的方法，其特點在於在步驟b或c中還包括如下步驟將各種信號採集器採集的不同格式的信息進行整合，將添加標識的統一二進位格式信號組成數據流利用一條數據線傳輸給計算機系統；對傳回的數據進行數據格式校驗；對校驗滿足要求的數據進行解碼、數據格式還原，並對各處信號標識進行識別。
上述的信息採集、定位和處理的方法，其特點在於在將信號解碼分解還原的信號分別顯示在計算機系統的一個顯示屏幕上，並以特定格式顯示在相應的窗口中。
本系統的嫁接性非常好，即可以單人操作(肩背)，又可跟絕大多數交通工具，農業機械集成，這樣工作人員的大部分工作就可以通過在車內操縱計算機就可以完成了，不僅降低了野外工作的勞動強度，更重要的是大大的提高了勞動效率。
根據本發明所提供的一種即插即用的組件式的採樣單元與處理單元的連結方法，用戶可根據需要選擇傳感器和相應軟體，完成所需信息的一次性採集和處理。
採用上述系統和方法，可以在確保多種信息在同一時空位置的前提下，提供了對多重信息現場實時分析的方法，當統一時間同一地點的多種信息同系統本身已有的現場地理信息結合共同分析問題的時候，一是確保參考信息的正確性，另外其所得到的結果決不是簡單的「1+1＝2」，它們會對工作人員從整體宏觀的角度把握問題起到非常重要的作用。
下面結合附圖進一步說明本發明的實施例
圖1是本發明野外多重信息的採集、定位與綜合處理系統示意2是圖1中信號傳輸單元信號整合-分解示意3是本發明在精準農業方面的一種實施例圖4是圖3實施例中標準資料庫三維索引示意5是圖3實施例中分析過程中一種光譜分析過程示意圖在圖1和圖2中，本發明設計的野外多重信息的採集定位與綜合處理分析系統主要包括硬體子系統和軟體子系統兩個大的組成部分，其中硬體子系統又包括中央處理單元、定位單元、採集單元和傳輸單元四大單元，經高度集成形成兩大部分，軟體子系統包括定位模塊、分析模塊、控制模塊和傳輸模塊。現將其主要組成和功能介紹如下一、硬體子系統中央處理單元1由定製的工業控制計算機和相關元件組成，含三個標準接口，一個用於和GPS天線連接，一個用於和姿態控制單元的雲臺連接，另一個用於和採集單元的統一輸出線相連，中央處理控制單元主要是對採集單元所採集的信息進行處理、保存。
定位單元11由一GPS卡和外置天線組成，該GPS卡與中央處理控制單元集成，主要用於採樣時的精確定位和採樣軌跡的處理。
姿態控制單元由可調整姿態的雲臺12和其上與多種傳感器連接的標準接口組成，主要用於對用戶所需信息的現場採集和與其對應的傳感器的姿態調整。其中各種組件式傳感器可由用戶需要自行組裝、排列，簡單方便。
採集單元由各種傳感器A、B、C、D組成，用於採集用戶所需要的各種信息，目前可使用的傳感器包括視頻傳感器、溫溼度傳感器、氣體(co2)傳感器、光譜傳感器、植物冠層分析傳感器和植物光和作用傳感器等。
傳輸單元由定製信號整合器和信號解碼器及標準接口組成，主要用於將各種傳感器輸入信號統一輸出給中央處理控制單元。
二、軟體子系統定位模塊、傳輸採集模塊、監視控制單元和分析模塊，利用該軟體子系統，可以實現如下功能在定位模塊可實現如下步驟GPS天線接受GPS信號(根據精度要求可選擇圓盤天線、棒裝天線和一體機)。
信號由標準接口傳輸進中央處理單元，這時的信號不保存，而只佔用一小塊內存進行時時刷新，同時將信號顯示在監視器端。
當接到監控單元的採集指令後程序將GPS信號轉換成標準經緯度坐標或標準公裡網坐標。
將點文件，或一段時間內生成的軌跡文件作為在該點保存的信息的頭文件內容之一和該信息一同保存到與該種信息對應的資料庫。
根據本底標準數據(GIS)，把該點的準確位置的落到正確的時空位置上。在傳輸採集模塊可實現如下步驟各傳感器將分別採集數據全部發送到信號整合器；信號整合器對各傳感器發送來的信號添加標識，如A…ENDB…ENDC…ENDD…END；信號整合器將各種不同格式的信號統一轉換成二進位形式；信號整合器將添加標識的統一格式信號組成數據流，由單一總線傳回中央處理器。
中央處理單元的數據解碼器對傳回數據進行格式校驗；對校驗滿足要求的數據進行解碼、數據格式還原，並對各種信號標識進行識別(同時將信號分別顯示在監視相應的端窗口中)；如滿足要求，則根據監控單元的指令將其採集，即存儲到與該信息對應的資料庫。在監視控制模塊可實現如下步驟將信號解碼器分解還原後的信號分別顯示在監視器端的屏幕上例如視頻傳感器所採集的影象，光譜傳感器所採集的光譜曲線，溫溼度傳感器所採集的溫溼的數據都以其特定格式顯示在相應的窗口中。此時信息不被保存，而只利用一小部分內存空間對信息進行時時刷新。
採集者根據需要，通過姿態控制系統調整承載所有傳感器的雲臺姿態或某個傳感器的姿態，如利用工程控制軟體調動雲臺上的電機運轉，所有傳感器都安放在球形軸上，可完成四向90度旋轉。
在姿態變換的同時，傳感器所採集的信號不間斷的通過信號整合一一信號解碼，分別顯示的過程時時的顯示在監視器端相應的窗口中，在信息滿足採集者的要求時，如視頻信號的遠近，光譜曲線的變化(原於光譜傳感器高度變化)，雷達傳感器的角度等等，採集者下達採集指令，由傳輸採集模塊將該時間點或一段時間內的一種或多種信息保存到與它(們)相對應的資料庫中，同時通過定位模塊採集該時間點的GPS信號或一段時間內由傳感器移動所形成的軌跡信息，並作為存入資料庫中信息的頭文件內容之一一同保存。在分析模塊可實現如下步驟分析單元主要包括存放各種採集信息的臨時資料庫，作為參照標準的各信息標準資料庫，針對各信息的單獨分析模塊，可對多種信息進行綜合分析的綜合分析模塊幾部分，可根據用戶需要在採集現場激活進行時時分析或待採集結束後再分析，得出結果。
針對某一種傳感器所採集的信息進行分析，將保存在臨時資料庫中的該信息數據調出，通過自行開發的算法將其與該信息標準資料庫中的數據作分析比較，得出結果。
在本系統中，標準資料庫一般可以包含農業和生態環境兩部分以農業標準資料庫為例農業標準資料庫是在根據中國二級區劃(可根據氣候、土壤類型等分類，全國共分為40多個區)的基礎上，再經過對作物種植種類及生產力水平等的調查，對其進行進一步細化，現將全中國分為一百多個區，通過統計收集到各區域內各主要農作物在當地生長期內的每月、各旬的標準數據。將這些數據從傳感器類型分類上分為視頻數據、光譜數據、雷達數據、氣體含量數據、溫溼度數據等等，該數據從屬性上又分可分為長勢好、一般、差，以及各種病態植株的數據。
生態環境資料庫生態環境資料庫主要包括(同樣在將中國分為一百多個區的基礎上)中國各區的土地利用、土地覆蓋、水土流失強度、生態環境質量的本底標準數據。
分析方法通過傳感器採集到某一數據後，由於同時經過GPS時空定位，分析模塊在進行對比分析時會自動尋找到與該數據傳感器類型一致、時間一致(同一旬內)、作物品種一致，且在同一區劃內的標準數據，通過將該數據與各符合上述條件的各種標準數據進行比較分析，便得出結果。
由於只根據單一信息作出得分析結果在有些情況下存在一定的片面性，所以用戶可根據需要將針對某一目標所採集的多種信息得出單獨分析結果得前提下，再對其進行綜合分析，由基於GIS信息計算方法或計算模型可在精準農業，洪水監測等方面通過對多重信息的綜合分析得出相對準確全面的結果。
在圖3、圖4和圖5中，提示了本發明的系統和方法應用於精準農業中小麥生長的監測實例。
根據上述需要，在本實施例中，該系統選用了視頻傳感器用於採集小麥的視頻影象，選用了光譜傳感器用於採集小麥的光譜信息；雷達傳感器用於測量小麥植株高度；氣體傳感器用於測量與光合作用相關氧氣、二氧化碳的含量；溫溼度傳感器用於測量田間溫溼度數據。
上述各種傳感器根據指令分別採集信息，通過整合信號器將所採集的信息整合後通過單一總線回傳到中央處理單元，經信號解碼器解碼存入臨時資料庫，分類存儲各傳感器採集的信息，如分別存入視頻信息、光譜信息、雷達信息、氣體含量信息、溼溫度信息。根據上述信息確定監測物小麥屬性，再根據監測物屬性從標準資料庫中調用該採集點時空點各種信息的標準數據。
如本實施例中，針對監測物為冬小麥。在圖5中，針對該五月上旬河北北部冬小麥的光譜分析如下將採集的光譜信息存入臨時資料庫中，在標準資料庫中索引到經過時空定位的該採集點標準數據，其中含有健康缺乏某礦物質元素；有各種病的各冬小麥的光譜曲線數據。將兩者通過光譜分析模塊進行分析並將對比分析結果輸出。
同樣，其他分析模塊如視頻分析、雷達分析、氣體含量分析和溼溫度分析模塊的分析方法和過程如上。
因為由一種信息得出的結果有時有一定的片而性，在各分析模塊單獨分析得出結果後還可在綜合分析模塊將上述結果進行結合分析，從而得到更全面準確的結果。
本發明還可根據其發明思想在多個領域進行應用，如林業、水利防洪等，只要按照上述方法和系統設計要求在採集點定位、收集信息並進行綜合處理都可實現本發明的有益效果。
權利要求
1.一種集成化野外信息採集、定位和處理系統，其特徵在於包括一定位單元，用於確定野外待採集的信息在同一時空的位置，通過實時接受GPS信號，並將其轉換成相應的坐標，從而把採樣點及採樣軌跡的信息準確的落到正確的時空位置上；一採集單元，用於對多重信息進行採集，通過組合多種功能的傳感器，並將其設置在所述定位單元確定的時空位置上獲取所述傳感器感應的信號；一姿態控制單元，用於控制採集單元的運動並進行所述傳感器的功能調整，以保證所述採集單元的正常工作；一傳輸單元，用於所述採集單元的採集信息和所述控制單元的控制信息的傳輸。一中央處理單元，通過計算機硬體和軟體平臺控制所述定位單元、姿態控制單元和傳輸單元，並對採集到的信息進行對比分析並將數據處理結果輸出。
2.根據權利要求1所述的信息採集、定位和處理系統，其特徵在於所述定位單元由GPS卡和外置GPS天線組成，所述GPS卡與所述控制單元集成在一起。
3.根據權利要求1所述的信息採集、定位和處理系統，其特徵在於所述姿態控制單元由一可調整姿態的雲臺和安裝在所述雲臺上的與多種傳感器連接的統一硬體接口組成。
4.根據權利要求1所述的信息採集、定位和處理系統，其特徵在於所述採集單元由多種組件式傳感器組成，所述傳感器設置有統一的硬體接口。
5.根據權利要求1所述的信息採集、定位和處理系統，其特徵在於所述中央處理單元由工業控制計算機、標準接口及存貯在所述計算機存貯器上的軟體控制系統組成；所述標準接口包括一用於與所述定位單元的GPS天線連接的硬體接口，一用於與所述採集單元的雲臺連接的硬體接口，一用於與所述採集單元的統一輸出線相連的硬體接口；所述軟體控制系統包括定位模塊、傳輸採集模塊、監視控制模塊、分析模塊以及計算機作業系統模塊。
6.根據權利要求1所述的信息採集、定位和處理系統，其特徵在於所述傳輸單元包括定製信號整合器、信號解碼器及傳輸線，用於將各種傳感器輸入信號統一輸出給所述中央處理單元。
7.根據權利要求4所述的信息採集、定位和處理系統，其特徵在於所述傳感器為視頻傳感器、溫溼度傳感器、氣體傳感器、光譜傳感器、植物傳感器、植物冠層分析傳感器、植物光和作用傳感器中任意一種，或者為其中任意組合。
8.一種集成化野外信息採集、定位和處理的方法，其特徵在於包括如下步驟A、在一採樣點利用GPS系統接收GPS信號，並將所述信號傳輸給一計算機控制系統；B、根據需要設置多種相應的信號採集器採集所述採樣點的各種信息，通過一監視控制單元顯示所述信息，並根據顯示情況相應調整所述信號採集器的採集姿態；C、在採集信息滿足採集者要求時，執行一採集指令，將採樣點定位在正確的時空位置上，並將所述採樣點定位坐標及採樣點運動軌跡信息傳輸給所述計算機控制系統，並將所述信息以文件形式存貯在所述計算機控制系統上；D、在所述計算機系統內設立一臨時資料庫，分類存貯所述採集信息；E、將所述分類的採集信息按類與一標準資料庫內經過所述時空位置的標準數據進行對比分析，再對單獨信息進行綜合分析；F、將綜合分析結果輸出。
9.根據權利要求8所述的信息採集、定位和處理的方法，其特徵在於在步驟C中，是將GPS信號轉換成標準經緯度坐標或標準公裡坐標信息。
10.根據權利要求8所述的信息採集、定位和處理的方法，其特徵在於在步驟B或C中還包括如下步驟將各種信號採集器採集的不同格式的信息進行整合，將添加標識的統一二進位格式信號組成數據流利用一條數據線傳輸給計算機系統；對傳回的數據進行數據格式校驗；對校驗滿足要求的數據進行解碼、數據格式還原，並對各處信號標識進行識別。
11.根據權利要求10所述的信息採集、定位和處理的方法，其特徵在於在將信號解碼分解還原的信號分別顯示在計算機系統的一個顯示屏幕上，並以特定格式顯示在相應的窗口中。
全文摘要
本發明公開了一種集成化野外信息採集、定位和處理系統和方法，其包括由中央處理單元控制的定位單元、採集單元、姿態控制單元、傳輸單元，通過定位單元確定野外待採集的信息在同一時空的位置，通過實時接受GPS信號，並將其轉換成相應的坐標，從而把採樣點及採樣軌跡的信息準確的落到正確的時空位置上；利用採集單元將多重信息進行採集，通過組合多種功能的傳感器，並將其設置在定位單元確定的時空位置上獲取傳感器感應的信號；通過姿態控制單元控制採集單元的運動並進行所述傳感器的功能調整，以保證所述採集單元的正常工作；通過傳輸單元傳輸採集信息和控制單元的控制信息，由中央處理單元對採集到的信息進行對比分析並將處理結果輸出。
文檔編號G06F19/00GK1424683SQ01144228
公開日2003年6月18日 申請日期2001年12月13日 優先權日2001年12月13日
發明者吳炳方 申請人:吳炳方