农业信息技术chapter2农业信息采集

农业信息技术第二章农业信息采集计算机数据采集管理系统概述农田生物信息的采集与处理农田气候信息的采集与处理土壤信息的采集与处理设施农业环境监控与管理农业感官智能分析技术3第一节计算机数据采集管理系统概述一、数据采集管理系统的典型结构二、数据采集管理系统的基本功能第一节计算机数据采集管理系统概述一、数据采集管理系统的典型结构第一节计算机数据采集管理系统概述一、数据采集管理系统的典型结构（一）信号调理器被采集的生物与环境特征变量（物理、化学、生物量等）经过传感器转换为方便处理的电量（一般为电压、电流、电阻和脉冲量）信号。通常系统采集的信号多为模拟信号，且为多元弱信号，易受系统自身和外界干扰，需要在系统前端添加信号调理电路（滤波器、变换器、前级放大器、隔离电路），实现阻抗变换、信号变换、滤波、放大、隔离保护等功能。第一节计算机数据采集管理系统概述一、数据采集管理系统的典型结构（二）数据采集器多路开关MUX测量放大器采样保持器S/H数模转换器A/D完成多路信息的采集、放大和数字化处理Analogue－to－digital第一节计算机数据采集管理系统概述一、数据采集管理系统的典型结构（三）微机I/O接口微机接口是计算机与外界进行信息交换的通道和窗口。采集器输出的数字信号经总线送给微机接口，再经I/O通道送给微机处理。第一节计算机数据采集管理系统概述一、数据采集管理系统的典型结构将微机输出的数字信号再转换为模拟信号，以完成计算机的输出记录和对外界设备的自动控制。（四）数模转换器第一节计算机数据采集管理系统概述一、数据采集管理系统的典型结构负责调度数据采集系统的各应用程序模块，并与系统的外部设备及时交换信息。监控程序在在线状态下，能接收来自键盘或接口的操作命令，并解释、执行，实现系统硬、软件资源的管理。（五）应用软件与监控程序应用软件监控程序是计算机数据采集管理系统的灵魂，有了应用软件才能充分发挥采集系统的功能第一节计算机数据采集管理系统概述二、数据采集管理系统的基本功能①时钟功能②信息采集功能③数据处理功能④数据存储功能⑤控制功能⑥自诊断功能⑦信息输出功能定时采集、实时采集；单项采集、多项采集数字滤波、A/D转换、标度转换、线性化处理等数据运算、数据变换、图形处理等预处理二次处理存储实时采集的数据和历史数据超限报警、状态自检、自动复位等图形显示、报表打印、硬拷贝等可以实现现场环境的调控，实现生产管理自动化系统定时采集、分时操作都按时钟的节拍进行第二节农田生物信息的采集与处理一、农田生物系统的信息二、农田生物信息采集与处理系统三、农田生物弱信息的增强技术四、农田生物多元信息的提取技术五、农田生物宏观形态结构信息的提取第二节农田生物信息的采集与处理一、农田生物系统的信息（一）农田生物信息的类型农作物生理功能信息农作物结构信息农作物病虫草害信息微观结构宏观结构第二节农田生物信息的采集与处理一、农田生物系统的信息（二）农田生物信息的特点与研究方法层次性多元性弱信息时空分布随空间和时间不断发生动态变化注重实时性和空间分布差异采用弱信息提取与恢复技术，使弱信息变强包含于复杂的环境信息中多种组分信息的叠加多组分信息分离技术，运用化学计量学方法物种不同、生长有异、结构有别微观：光谱/波谱/色谱/质谱；宏观：感官定性/图形图像方法第二节农田生物信息的采集与处理二、农田生物信息采集与处理系统（一）系统组成农田生物信息采集与处理系统由硬件和软件两部分组成。1．硬件部分1）信息检测系统图像传感器光谱传感器生理信息传感器实验室分析仪器1．硬件部分2）信号调理系统农田生物信息经过信息检测系统检测后，其信息负载到具有某种能量（如光、电、热、声、磁等）的模拟量上即为模拟信号。模拟信号被计算机采集以前需要进行调理，提高信噪比。信号调理系统包括：滤波器、积分器、调制解调器、锁相放大器和厢车式积分器等。1．硬件部分3）计算机硬件系统接口电路计算机计算机输入输出设备1．硬件部分通过对农田生物信息的综合处理，可以发现农田生态系统更深层次的东西，根据需要，开发信息综合处理模拟优化软件，以便实现农田管理措施的优化。2．软件部分1）信息预处理软件方法：数据平滑法、图谱叠加平均法、厢车式平均法、傅里叶变换滤波法、小波变换等。2）信息提取软件弱信息----计算机差谱技术、计算机导数技术；多元信息----应用化学计量学多组分分析方法所编制的软件有：逐步回归分析法（SRA）、主成分回归法（PCR）、偏最小二乘法（PLS）等。纹理特征信息----利用逐步判别法、主成分分析法、聚类分析法等。3）信息综合处理、模拟和优化软件（二）系统功能二、农田生物信息采集与处理系统第二节农田生物信息的采集与处理1.农田生物信息检测微观形态结构和组分的信息检测宏观形态结构的信息检测生理功能的信息检测间接信息的获得2．生物信息检测信号的调理信噪比噪声来源信号调理三、农田生物弱信息的增强技术第二节农田生物信息的采集与处理1．系统背景的消除与降低差谱技术导数光谱技术2．随机背景的消除与降低数字滤波技术傅里叶变换滤波小波变换四、农田生物多元信息的提取技术第二节农田生物信息的采集与处理方法：化学计量学方法操作：通过1组待测成分含量已知的标准样品，对它们进行光谱区的全程扫描，然后通过计算机快速处理数据，建立样品组分含量与样品光谱之间的数学关系，再测出未知样品中待测组分的光谱，就可以确定其中待测成分的含量。第二节农田生物信息的采集与处理五、农田生物宏观形态结构信息的提取（一）计算机图像处理技术的概念计算机图像处理是在计算机中把图像用数字信号的形式表达，并根据需要进行各种处理，称为数字图像处理。所谓数字图像，就是图像各点的灰度值的二维数组，把它表示为f(x,y)，则f(i,j)表示图像f位于（i,j）处象素的同时，还表示该点的灰度。因此任何图像都可以用多个二维数组表示。第二节农田生物信息的采集与处理五、农田生物宏观形态结构信息的提取（一）计算机图像处理技术的概念类别描述形式描述的对象二值图像f(x,y)=0,1文字、线条图、指纹等浓淡图像0≤f(x,y)≤2n—1黑白照片、一般n=6～8彩色图像｛fi(x,y)｝,i=R,G,B以三基色表示的彩色图像多光谱图像｛fi(x,y)｝,i=1,2,…,m遥感图像，一般m=4～8立体图像fL,fR由左、右视点得到的同一物体的象对动态图像（时间序列）｛ft(x,y)｝,t=t1,t2,…,tn动态分析、动画制作等数字图像的类别第二节农田生物信息的采集与处理五、农田生物宏观形态结构信息的提取（二）图像输入方法照片、胶片或实地拍摄的电视图像等一系列模拟图像，在输入计算机的过程中，由输入设备（用数码照相机和数码摄像机拍摄的为数字图像，可直接输入计算机）将其转换成二维阵列（X×N）个象素，然后将这些点阵的灰度信息（包括色彩信息）数字化每一象元的灰度值是从0到255中的某一个值，而彩色信息是将自然界的各种颜色分解成红（R）、绿（G）、蓝（B）3种基色，每种基色又分成0到255个不同的数量级，几乎所有颜色都可用RGB三基色的含量多少来反映，农田生物色度信息就是用RGB三基色不同数量级的合成来表示。（三）图像处理方法第二节农田生物信息的采集与处理五、农田生物宏观形态结构信息的提取1．二值图像处理法2．图像变换和图像质量的改善3．图像的特征提取几何形状结构信息的提取纹理特征信息的提取颜色特征信息的提取第三节农田气候信息的采集与处理一、农田气候信息采集与处理系统的一般构成二、农田气候信息采集处理系统的硬件构成三、农田气候信息采集处理系统应用软件第三节农田气候信息的采集与处理一、农田气候信息采集与处理系统的一般构成第三节农田气候信息的采集与处理二、农田气候信息采集处理系统的硬件构成气候信息采集模块数据通信输出模块单片机功能扩展模块第三节农田气候信息的采集与处理二、农田气候信息采集处理系统的硬件构成（一）信息采集模块数据采集器有15~16个数据通道，由多路开关分时选通，完成空气温度、空气湿度、光辐射、地面风速以及土壤热通量等气候信息的采集。第三节农田气候信息的采集与处理二、农田气候信息采集处理系统的硬件构成（二）数据通信输出模块采集处理系统为方便数据处理、数据存储和图形显示，设置了数据通信输出通道，通过RS－232－C串行通信总线（适宜于30m内）和20mA电流环（远距离），将数据送入系统主机，以便对数据作进一步的处理、分析。（三）系统功能扩展模块为了适应农田气候信息采集、存储、处理的需要，增强单片机系统的功能，系统外扩展了程序存储器、数据存储器、输入/输出口以及定时器/计数器。第三节农田气候信息的采集与处理二、农田气候信息采集处理系统的硬件构成（四）农田自动气象站实例澳大利亚MEA自动气象站英国Delta－T的WS自动气象站三、农田气候信息采集处理系统应用软件第三节农田气候信息的采集与处理第四节土壤信息的采集与处理一、土壤含水量的监测二、土壤养分成分的监测三、智能化农田节水灌溉监控系统第四节土壤信息的采集与处理一、土壤含水量的监测TDR土壤水分测定系统负压计土壤湿度监测系统中子土壤湿度仪电阻/电容式土壤湿度监测系统FDR土壤水分测定系统土壤水分遥感监测第四节土壤信息的采集与处理一、土壤含水量的监测（一）TDR土壤水分测定系统TDR系统类似一个短波雷达系统通过测定电磁波沿插入土壤的探针传播时间来测定土壤介电常数，进而计算整个探针长度土层土壤平均体积含水量可以直接、快速、方便、可靠地同时独立监测土壤水盐状况测定结果几乎与土壤类型、密度、温度等因素无关无需埋设中子管缺点是仪器价格昂贵TDR法的特点第四节土壤信息的采集与处理一、土壤含水量的监测（一）TDR土壤水分测定系统TDR系统的组成输出幅度稳定、频率可调（20MHz～1GHz）的系列阶跃脉冲信号显示器并实现脉冲幅度和脉冲延迟时间的测量输出时标脉冲，控制阶跃脉冲产生器与接收器同步，以便在显示器上显示和测量应用脉冲调制技术，将接收到的高频反射脉冲信号变换为低频脉冲信号，送往示波器显示、测量第四节土壤信息的采集与处理一、土壤含水量的监测（一）TDR土壤水分测定系统将长度为L的波导棒插入土壤介质中，高频电磁脉冲信号从波导棒的始端传播到终端，并在探头周围产生一个电磁场，由于波导棒终端处于开路状态，脉冲信号受反射又沿波导棒返回到始端。检测脉冲从输入到反射回的时间以及反射时的脉冲幅度的衰减，可以反映出土壤的电导率，继而计算土壤水盐含量。土壤水盐的电磁测定是基于土壤的介电性质。介电常数又与土壤水分含量的多少有密切关系。TDR监测土壤水盐的原理第四节土壤信息的采集与处理TDR土壤水分测定系统的应用一、土壤含水量的监测（一）TDR土壤水分测定系统常见的TDR土壤水分测定系统有Trase土壤水分测定系统、Trime土壤水分测定系统等。不同型号的TDR土壤水分测定系统通常有8、15、20、30、45、50、60、70、110、160cm等不同长度的波导探头可供选择;可以分别采用插入式、埋入式和管道式探头测定表土层和土壤剖面不同深度的土壤含水量,剖面湿度最深可达3m。如果与多路盒相连可以连接多个探头，实现多点土壤水分同时监测。第四节土壤信息的采集与处理（二）负压计土壤湿度监测系统一、土壤含水量的监测土壤含水量与毛管力之间具有一定的函数关系，毛管力变化能够反映土壤含水量变化。负压计，又称张力计，以测量土壤负压（张力）来显示土壤水分状况第四节土壤信息的采集与处理（二）负压计土壤湿度监测系统一、土壤含水量的监测负压计包括一个多孔的陶瓷杯和一个液压计。陶瓷杯埋于所测的土壤中，负压计内部的水分通过陶瓷杯上的微孔同土壤水分进行交换而使内外水势渐趋平衡，由于水分渗入和渗出使负压计读数发生变化，仪器上所指示的负压值即代表土壤水势，可以直接反映土壤水分能为植物吸收利用的程度，同时又可换算为土壤含水率。第四节土壤信息的采集与处理（二）负压计土壤湿