一種茶樹精細(xì)化栽培生育性狀實(shí)時(shí)監(jiān)測方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種茶樹精細(xì)化栽培生育性狀實(shí)時(shí)監(jiān)測方法，基于在線定位的茶樹活體生育特征數(shù)據(jù)采集裝置進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集，采集的數(shù)據(jù)通過無線通信方式傳輸?shù)饺斯ぞC合管理中心進(jìn)行處理；所采集的數(shù)據(jù)包括：利用定位機(jī)構(gòu)采集當(dāng)前的位置數(shù)據(jù)；利用高光譜成像傳感器采集茶鮮葉光譜數(shù)據(jù)；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(jù)以上數(shù)據(jù)結(jié)合離線建立的采摘判別模型，判別鮮茶葉采摘最佳時(shí)期；采摘判別模型包括基于平均生長高度的度量新芽尺寸發(fā)育模型和基于高光譜圖像數(shù)據(jù)的產(chǎn)量相關(guān)模型和品質(zhì)相關(guān)模型；該茶樹精細(xì)化栽培生育性狀實(shí)時(shí)監(jiān)測方法，有利于實(shí)現(xiàn)茶樹種植的精細(xì)化和自動(dòng)化。
【專利說明】一種茶樹精細(xì)化栽培生育性狀實(shí)時(shí)監(jiān)測方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于精細(xì)農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，涉及一種茶樹精細(xì)化栽培生育性狀實(shí)時(shí)監(jiān)測方法。
【背景技術(shù)】
[0002]中國是茶葉的原產(chǎn)地，是最早發(fā)現(xiàn)茶樹的國家，當(dāng)今世界第一大茶葉生產(chǎn)國和世界第二大出口國，2011年茶葉生產(chǎn)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(jīng)濟(jì)作物中占有非常重要的地位。隨著我國農(nóng)村城鎮(zhèn)化發(fā)展，農(nóng)村勞動(dòng)力逐漸減少和老齡化嚴(yán)重，生產(chǎn)成本增加，茶葉生產(chǎn)利潤下降，制約了茶業(yè)的發(fā)展，茶園作業(yè)機(jī)械化和信息自動(dòng)化是發(fā)展的必然趨勢。
[0003]20世紀(jì)90年代以來，隨著全球定位系統(tǒng)(GPS)、地理信息系統(tǒng)(GIS)、農(nóng)業(yè)應(yīng)用電子技術(shù)和作物栽培有關(guān)模擬模型以及生產(chǎn)管理決策支持系統(tǒng)(DDS)技術(shù)研究的發(fā)展，“精細(xì)農(nóng)業(yè)”已成為21世紀(jì)發(fā)達(dá)國家為合理利用農(nóng)業(yè)資源，提高農(nóng)作物產(chǎn)量，降低生產(chǎn)成本，根據(jù)作物環(huán)境和生長實(shí)施變量施肥、施藥，改善生態(tài)環(huán)境的最富有吸引力的前沿性研究領(lǐng)域之
O
[0004]目前茶園管理中，為及時(shí)掌握茶葉的生長發(fā)育情況，經(jīng)常根據(jù)人工經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行可靠性不高的外觀診斷；或采用基于上壤和作物的實(shí)驗(yàn)室分析，普遍要求破壞土壤和植被樣本，且測量費(fèi)時(shí)費(fèi)力，過程復(fù)雜。同時(shí)，研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)茶鮮葉產(chǎn)量跟茶樹的生長時(shí)間成一定正比例關(guān)系，但與茶葉的品質(zhì)成一定的反比例關(guān)系，因此產(chǎn)量與品質(zhì)的平衡是采摘期必須考慮的問題。一般傳統(tǒng)的方法也是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)人工感覺來判斷新芽的成熟度及品質(zhì)，這些方法屬于定性或半定性，缺少充分的 科學(xué)依據(jù)，而且費(fèi)時(shí)費(fèi)力。
[0005]文獻(xiàn)資料顯示，采用近紅外技術(shù)等茶葉成品檢測的研究較多。國家專利申請?zhí)朇N200910116733.0公布了一種近紅外技術(shù)快速檢測茶葉品質(zhì)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?zhí)?CN200810079810.5利用紅外光譜采用樣品分析的方法建立光譜圖用于產(chǎn)地檢測和CN200810236223.2利用紅外光譜和機(jī)器視覺融合對茶葉樣品質(zhì)量檢測，以上文獻(xiàn)不能應(yīng)用于茶園管理。國家專利號:CN200710156126.8公布了一種基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的茶園微域監(jiān)控方法與系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)傳感器數(shù)據(jù)的無線傳輸，數(shù)據(jù)讀取，數(shù)據(jù)曲線和拓?fù)鋱D繪制等。國家專利號:ZL 201020581129.3提供了一種自動(dòng)化茶園茶樹活體生長發(fā)育測量及病蟲害檢測裝置，采用視覺和超聲波技術(shù)對生長高度及葉片病蟲害實(shí)時(shí)粗略檢測，有利于調(diào)整水分、氮肥和施藥等精細(xì)化管理。
[0006]但現(xiàn)有技術(shù)中還沒有依據(jù)茶樹活體生長發(fā)育過程中鮮茶葉的生理和理化品質(zhì)的較高精度監(jiān)測，以從微觀上來指導(dǎo)精細(xì)化茶園種植的技術(shù)，因此，有必要設(shè)計(jì)一種茶樹精細(xì)化栽培生育性狀實(shí)時(shí)監(jiān)測方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種茶樹精細(xì)化栽培生育性狀實(shí)時(shí)監(jiān)測方法，該茶樹精細(xì)化栽培生育性狀實(shí)時(shí)監(jiān)測方法有利于實(shí)現(xiàn)茶樹種植的精細(xì)化和自動(dòng)化。[0008]發(fā)明的技術(shù)解決方案如下:
[0009]一種茶樹精細(xì)化栽培生育性狀實(shí)時(shí)監(jiān)測方法，基于在線定位的茶樹活體生育特征數(shù)據(jù)采集裝置進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集，采集的數(shù)據(jù)通過無線通信方式傳輸?shù)饺斯ぞC合管理中心進(jìn)行處理；
[0010]所采集的數(shù)據(jù)包括:
[0011](I)利用定位機(jī)構(gòu)采集當(dāng)前的位置數(shù)據(jù)；
[0012](2)利用高光譜成像傳感器采集茶鮮葉光譜數(shù)據(jù)；
[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(jù)以上數(shù)據(jù)結(jié)合離線建立的采摘判別模型，判別鮮茶葉采摘最佳時(shí)期；
[0015]采摘判別模型包括基于平均生長高度的度量新芽尺寸發(fā)育模型和基于高光譜圖像數(shù)據(jù)的產(chǎn)量相關(guān)模型和品質(zhì)相關(guān)模型；
[0016]產(chǎn)量相關(guān)模型包括芽數(shù)模型、干物重模型和百芽重模型；
[0017]品質(zhì)相關(guān)模型包括理化品質(zhì)模型；
[0018]理化品質(zhì)模型體現(xiàn)高光譜圖像數(shù)據(jù)與兒茶素類、茶多酚、氨基酸、咖啡堿含量的關(guān)系;
[0019]理化品質(zhì)模型還.體現(xiàn)高光譜圖像數(shù)據(jù)與氮含量、微量元素含量的關(guān)系；
[0020]微量元素包括磷、鉀、鈣和鋅。
[0021]品質(zhì)模塊還可以包括生理營養(yǎng)模型和病害診斷模型請?zhí)峁?，這些模型也是現(xiàn)有成熟技術(shù)。
[0022]建立上述離線模型的技術(shù)為現(xiàn)有技術(shù)。
[0023]在線定位的茶樹活體生育特征數(shù)據(jù)采集裝置的結(jié)構(gòu)為:
[0024]在覆蓋茶樹種植區(qū)域的矩形的四個(gè)角點(diǎn)上分別設(shè)置四根豎直的支撐桿(2);每一根支撐桿的頂端設(shè)有一個(gè)有色標(biāo)識(3);在該矩形的兩條平行的長邊上各設(shè)有一條導(dǎo)軌
(I);2條平行的導(dǎo)軌的兩端各設(shè)有一個(gè)導(dǎo)軌枕(10)和一個(gè)限位器(11)；
[0025]機(jī)架(5)的底部設(shè)置的4個(gè)滑輪和用于驅(qū)動(dòng)滑輪的電機(jī)(20);電機(jī)工作時(shí)，驅(qū)動(dòng)滑輪帶動(dòng)機(jī)架沿導(dǎo)軌滑動(dòng)；機(jī)架上安裝有2個(gè)與所述限位器配對使用的限位開關(guān)(17)；
[0026]全方位視覺傳感器(9)固定在機(jī)架頂部設(shè)置的三角架(12)上；
[0027]機(jī)架上還設(shè)有計(jì)算機(jī)(7)、蓄電池(8)、超聲波傳感器(16)、光源(4)和無線發(fā)射器(14);機(jī)架的頂部還通過懸垂向下的連接桿設(shè)置有一個(gè)高光譜傳感器；計(jì)算機(jī)所采集的數(shù)據(jù)通過無線發(fā)射器傳輸?shù)饺斯ぞC合管理中心；
[0028]限位開關(guān)、蓄電池、超聲波傳感器、無線發(fā)射器、全方位視覺傳感器和高光譜傳感器均與計(jì)算機(jī)連接，電機(jī)受控于計(jì)算機(jī)；
[0029]連接桿包括伸縮機(jī)構(gòu)和設(shè)置在伸縮機(jī)構(gòu)下方的旋轉(zhuǎn)夾持機(jī)構(gòu)；伸縮機(jī)構(gòu)和旋轉(zhuǎn)夾持機(jī)構(gòu)通過連接板(36)相連；
[0030]伸縮機(jī)構(gòu)包括螺紋套筒(33)、設(shè)置在螺紋套筒內(nèi)的螺紋軸(35)以及螺紋軸頂端設(shè)置的旋轉(zhuǎn)把手(31);螺紋套筒通過連接件固定板(43)固定在機(jī)架上；螺紋套筒設(shè)有第一固定螺栓(34);【伸縮機(jī)構(gòu)可以先伸縮到位，再安裝下半部分。】
[0031]旋轉(zhuǎn)夾持機(jī)構(gòu)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(shè)有一個(gè)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(shè)有弧形的定位孔
(46);夾持裝置通過傾斜度調(diào)節(jié)支塊(38)安裝在斜度固定板上；傾斜度調(diào)節(jié)支塊上設(shè)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(jī)架的頂部設(shè)有與蓄電池相連的太陽能電池板(6);電機(jī)上設(shè)有電機(jī)編碼器
(19);全方位視覺傳感器通過USB線與計(jì)算機(jī)相連，電機(jī)編碼器與計(jì)算機(jī)相連，機(jī)架的四周設(shè)有帶毛氈膠帶(45)的遮光布(44)?！菊诠獠几皆跈C(jī)架周圍在監(jiān)測過程中，減少光線影響。毛氈膠帶用于將遮光布粘在機(jī)架上】
[0033]基于有色標(biāo)識和全方位視覺傳感器的定位過程如下:
[0034]4個(gè)有色標(biāo)識LI-L4在作業(yè)區(qū)周圍形成的矩形長為a、寬為b ;四個(gè)有色標(biāo)識中的每相鄰兩個(gè)有色標(biāo)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(jù)幾何學(xué)圓弧形成原理，由LI和L2有色標(biāo)識點(diǎn)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(gè)交點(diǎn)，4個(gè)交點(diǎn)坐標(biāo)為
【權(quán)利要求】
1.一種茶樹精細(xì)化栽培生育性狀實(shí)時(shí)監(jiān)測方法，其特征在于，基于在線定位的茶樹活體生育特征數(shù)據(jù)采集裝置進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集，采集的數(shù)據(jù)通過無線通信方式傳輸?shù)饺斯ぞC合管理中心進(jìn)行處理； 所采集的數(shù)據(jù)包括: (1)利用定位機(jī)構(gòu)采集當(dāng)前的位置數(shù)據(jù)； (2)利用高光譜成像傳感器采集茶鮮葉光譜數(shù)據(jù)； (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(jù)以上數(shù)據(jù)結(jié)合離線建立的采摘判別模型，判別鮮茶葉采摘最佳時(shí)期； 采摘判別模型包括基于平均生長高度的度量新芽尺寸發(fā)育模型和基于高光譜圖像數(shù)據(jù)的產(chǎn)量相關(guān)模型和品質(zhì)相關(guān)模型； 產(chǎn)量相關(guān)模型包括芽數(shù)模型、干物重模型和百芽重模型； 品質(zhì)相關(guān)模型包括理化品質(zhì)模型； 理化品質(zhì)模型體現(xiàn)高光譜圖像數(shù)據(jù)與兒茶素類、茶多酚、氨基酸、咖啡堿含量的關(guān)系； 理化品質(zhì)模型還體現(xiàn)高光譜圖像數(shù)據(jù)與氮含量、微量元素含量的關(guān)系； 微量元素包括磷、鉀、韓和鋅。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的茶樹精細(xì)化栽培生育性狀實(shí)時(shí)監(jiān)測方法，其特征在于，在線定位的茶樹活體生育特征數(shù)據(jù).采集裝置的結(jié)構(gòu)為: 在覆蓋茶樹種植區(qū)域的矩形的四個(gè)角點(diǎn)上分別設(shè)置四根豎直的支撐桿(2);每一根支撐桿的頂端設(shè)有一個(gè)有色標(biāo)識(3);在該矩形的兩條平行的長邊上各設(shè)有一條導(dǎo)軌(I) ；2條平行的導(dǎo)軌的兩端各設(shè)有一個(gè)導(dǎo)軌枕(10)和一個(gè)限位器(11)； 機(jī)架(5)的底部設(shè)置的4個(gè)滑輪和用于驅(qū)動(dòng)滑輪的電機(jī)(20);電機(jī)工作時(shí)，驅(qū)動(dòng)滑輪帶動(dòng)機(jī)架沿導(dǎo)軌滑動(dòng)；機(jī)架上安裝有2個(gè)與所述限位器配對使用的限位開關(guān)(17)； 全方位視覺傳感器(9)固定在機(jī)架頂部設(shè)置的三角架(12)上； 機(jī)架上還設(shè)有計(jì)算機(jī)(7)、蓄電池(8)、超聲波傳感器(16)、光源(4)和無線發(fā)射器(14);機(jī)架的頂部還通過懸垂向下的連接桿設(shè)置有一個(gè)高光譜傳感器；計(jì)算機(jī)所采集的數(shù)據(jù)通過無線發(fā)射器傳輸?shù)饺斯ぞC合管理中心； 限位開關(guān)、蓄電池、超聲波傳感器、無線發(fā)射器、全方位視覺傳感器和高光譜傳感器均與計(jì)算機(jī)連接，電機(jī)受控于計(jì)算機(jī)； 連接桿包括伸縮機(jī)構(gòu)和設(shè)置在伸縮機(jī)構(gòu)下方的旋轉(zhuǎn)夾持機(jī)構(gòu)；伸縮機(jī)構(gòu)和旋轉(zhuǎn)夾持機(jī)構(gòu)通過連接板(36)相連； 伸縮機(jī)構(gòu)包括螺紋套筒(33)、設(shè)置在螺紋套筒內(nèi)的螺紋軸(35)以及螺紋軸頂端設(shè)置的旋轉(zhuǎn)把手(31);螺紋套筒通過連接件固定板(43)固定在機(jī)架上； 螺紋套筒設(shè)有第一固定螺栓(34)； 旋轉(zhuǎn)夾持機(jī)構(gòu)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(shè)有一個(gè)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(shè)有弧形的定位孔(46);夾持裝置通過傾斜度調(diào)節(jié)支塊(38)安裝在斜度固定板上；傾斜度調(diào)節(jié)支塊上設(shè)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(jī)架的頂部設(shè)有與蓄電池相連的太陽能電池板￠);電機(jī)上設(shè)有電機(jī)編碼器(19);全方位視覺傳感器通過USB線與計(jì)算機(jī)相連，電機(jī)編碼器與計(jì)算機(jī)相連，機(jī)架的四周設(shè)有帶毛氈膠帶(45)的遮光布(44)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的茶樹精細(xì)化栽培生育性狀實(shí)時(shí)監(jiān)測方法，其特征在于，基于有色標(biāo)識和全方位視覺傳感器的定位過程如下: 4個(gè)有色標(biāo)識LI-L4在作業(yè)區(qū)周圍形成的矩形長為a、寬為b ;四個(gè)有色標(biāo)識中的每相鄰兩個(gè)有色標(biāo)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(jù)幾何學(xué)圓弧形成原理，由LI和L2有色標(biāo)識點(diǎn)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(gè)交點(diǎn)，4個(gè)交點(diǎn)坐標(biāo)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(yōu)先權(quán)日:2013年8月15日
【發(fā)明者】李明, 劉仲華, 黃建安, 戴思慧 申請人:湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)