第二章农业信息采集与处理课件.ppt

1、农业信息技术与信息管理系统农业信息技术与信息管理系统电气信息工程学院 徐雷钧第二章第二章 农业信息采集与处理农业信息采集与处理&计算机数据采集管理系统概述&农业信息的传递与处理&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 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）传感器（一）传感器传感器是根据各种物理、化学、生物学的定律及效应，传感器是

2、根据各种物理、化学、生物学的定律及效应，把感受的被测量把感受的被测量转换转换成可用输出信号的装置。成可用输出信号的装置。传感器是现代农业信息采集系统的传感器是现代农业信息采集系统的首要首要部件，是实现农部件，是实现农业现代化测量与自动控制的业现代化测量与自动控制的首要首要环节。环节。传感器基本类型：传感器基本类型：电阻式传感器电阻式传感器：应用金属的应变效应，半导体的压阻效应，电阻的稳定：应用金属的应变效应，半导体的压阻效应，电阻的稳定效应，光电效应等，获得传感元件电阻值变化。常用来测量力，温度，效应，光电效应等，获得传感元件电阻值变化。常用来测量力，温度，光强，湿度，气体浓度等。光强，湿度，

3、气体浓度等。电感式传感器电感式传感器：利用电磁感应原理，将非电量变化转换成线圈自感或互：利用电磁感应原理，将非电量变化转换成线圈自感或互感变化的装置。常用来测量力、振动、转速、流量，应变等。感变化的装置。常用来测量力、振动、转速、流量，应变等。电容式传感器电容式传感器：通过改变电容的间隙，电容的极板面积和电容的介电常：通过改变电容的间隙，电容的极板面积和电容的介电常数实现测量。用于位移，加速度，压力，振动，湿度等。数实现测量。用于位移，加速度，压力，振动，湿度等。数字式传感器：数字式传感器：利用莫尔条纹，改变互感，拾磁信号，数字编码等转换利用莫尔条纹，改变互感，拾磁信号，数字编码等转换原理实现

4、测量。用来进行角位移和线位移的测量。原理实现测量。用来进行角位移和线位移的测量。电动势式传感器电动势式传感器：根据热电效应，电磁效应，霍尔效应，光电效应等原：根据热电效应，电磁效应，霍尔效应，光电效应等原理把被测量转换为电动势信号输出。用于测量温度，加速度，光强等。理把被测量转换为电动势信号输出。用于测量温度，加速度，光强等。压电式传感器压电式传感器：以介质材料的压电效应为基础，在外力作用下表面产生：以介质材料的压电效应为基础，在外力作用下表面产生电荷的原理。用于测量压力，应力，加速度等。电荷的原理。用于测量压力，应力，加速度等。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

5、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传感器选择原则传感器选择原则：传感器类型：传感器类型：根据传感器使用条件和农业信息的特点如信号传输方式，根据传感器使用条件和农业信息的特点如信号传输方式，测量方式，传感器来源等选择。测量方式，传感器来源等选择。线性范围和量程：线性范围和量程：确保传感器的线性范围及量程能够满足测量要求。确保传感器的线性范围及量程能够满足测量要求。灵敏度：灵敏度：灵敏度反应传感器输出量对输入量变化的反应能力。在传感器灵敏度反应传感器输出量对输入量变化的反应能力。在传感器线性范围内，选择高灵敏度且信噪比较高的。线性范围内，选择高灵敏度且信噪比较高的。精

6、度精度：传感器输出与被测量的对应程度，精度越高，越能真实反应被测：传感器输出与被测量的对应程度，精度越高，越能真实反应被测量，但成本也越高。量，但成本也越高。频率响应特性：频率响应特性：传感器的频率响应特性取决于被测量的频率范围，保证传感器的频率响应特性取决于被测量的频率范围，保证不失真测量。不失真测量。稳定性和可靠性：稳定性和可靠性：分别保证在规定工作条件下长时间使用，性能保持不分别保证在规定工作条件下长时间使用，性能保持不变的能力和不超过极限的情况下特性保持不变的能力。变的能力和不超过极限的情况下特性保持不变的能力。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）信号

7、调理器（二）信号调理器被采集的生物与环境特征变量（物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（一般为电转换为方便处理的电量（一般为电压、电流、电阻和脉冲量）压、电流、电阻和脉冲量）信号信号。模拟信号和数字信号：模拟信号和数字信号：数字信号数字信号：高低电平表示两种状态，：高低电平表示两种状态，有开关和脉冲两种；有开关和脉冲两种；模拟信号模拟信号：随时间变化的连续信号，：随时间变化的连续信号，分为直流、时域、频域信号。分为直流、时域、频域信号。通常系统采集的信号多为模拟信号，且为多元弱信号，易受系统自身通常系统采集的信号多为模

8、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和外界干扰，需要在系统前端添加信号调理电路信号调理电路（滤波器、变换器、（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、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。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信息的放大：信息的放大：仪用放大器和隔离放大器。仪用放大器和隔离放大器。三运放仪用放大电路三运放仪用放大电路双运放仪用放大电路双运放仪用放大电路光电耦合隔离放大器光电耦合隔离放大器三运放仪用放大器三运放仪用放大器第一节 计算机数

9、据采集管理系统概述双运放仪用放大器双运放仪用放大器第一节 计算机数据采集管理系统概述光电耦合隔离放大器光电耦合隔离放大器第一节 计算机数据采集管理系统概述第一节 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）数据采集器（三）数据采集器 多路开关多路开关MUXMUX测量测量放大器放大器采样保持器采样保持器S/HS/H模数转换器模数转换器A/DA/DAnaloguetodigital第一节 计算机数据采集管理系统概述多路开关多路开关MUXMUX采样保持器采样保持器S/HS/HAD7822内部结构内部结构第一节 计算机数据采集管理系统概述第一节 计算机数据采集管理系统概述一、数据采集

10、管理系统的典型结构（四）微机（四）微机I/OI/O接口接口 n 微机接口是计算机与外界进行信息交换的通道和窗口。微机接口是计算机与外界进行信息交换的通道和窗口。n 采集器输出的数字信号经总线送给微机接口，再经采集器输出的数字信号经总线送给微机接口，再经I/OI/O通道通道送给微机处理。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n 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。输出记录和对外界设备的自动控制。（五）数模转换器（五）数模转换器第一节 计算机数据采集管理系统概

11、述第一节 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n 负责调度数据采集系统的各应负责调度数据采集系统的各应用程序模块，并与系统的外部用程序模块，并与系统的外部设备及时交换信息。设备及时交换信息。n 监控程序在在线状态下，能接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，收来自键盘或接口的操作命令，并解释、执行，实现系统硬、并解释、执行，实现系统硬、软件资源的管理。软件资源的管理。（六）应用软件与监控程序（六）应用软件与监控程序应用软件应用软件是计算机数据是计算机数据采集管理系统采集管理系统的灵魂，有了的灵魂，有了应用软件才能应用软件才能充分发挥采集充分发挥采集系统的功能

12、系统的功能二、数据采集管理系统的基本功能时钟功能时钟功能信息采集功能信息采集功能 数据数据处理处理功能功能 数据数据存储存储功能功能 控制功能控制功能 自诊断功能自诊断功能 信息输出功能信息输出功能 定时采集、实时采集；单项采集、多项采集定时采集、实时采集；单项采集、多项采集 数字滤波、数字滤波、A/DA/D转换、标度转换、线性化处理等转换、标度转换、线性化处理等数据运算、数据变换、图形处理等数据运算、数据变换、图形处理等 预处理预处理二次处理二次处理存储实时采集的数据和历史数据存储实时采集的数据和历史数据 超限报警、状态自检、自动复位等超限报警、状态自检、自动复位等 图形显示、报表打印、硬拷

13、贝等图形显示、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系统定时采集、分时操作都按时钟的节拍进行 第一节 计算机数据采集管理系统概述水温控制系统水温控制系统第一节 计算机数据采集管理系统概述语音小车控制语音小车控制第一节 计算机数据采集管理系统概述水质监测电路水质监测电路第一节 计算机数据采集管理系统概述水质监测电路水质监测电路第一节 计算机数据采集管理系统概述第一节 计算机数据采集管理系统概述第二节 农业信息的传递与处理 一、农业信息的调制与解调缓变信号调制解调系统信号源低频放大器调制器高

14、频放大器检波解调高频震荡器()()cos()v tV ttt调幅调幅调频调频调相调相v测量信号：00()cosc tAt第二节 农业信息的传递与处理()cosMu tUt载波信号：调幅波信号：00()(cos)cosMf tAUtt解调：检波过程v调幅：调幅波形调幅波形第二节 农业信息的传递与处理 v调频：第二节 农业信息的传递与处理 10()()tKUt解调：频率检波，鉴频v调相：第二节 农业信息的传递与处理 0()()StKU t相位随测量信号的频率变化相加型相敏检测电路第二节 农业信息的传递与处理 二、农业信息的处理技术（一）信号时域分析（二）信号频域分析（三）数字化滤波处理v（一）信号

15、时域分析v （1）相关分析v 定量表示信号x(t)与其时移信号的相似程度。第二节 农业信息的传递与处理()()()xytRx t y t自相关 互相关()()x ty tv（一）信号时域分析v（2）概率密度分析v 了解信号幅值大小的分布情况第二节 农业信息的传递与处理 v（二）信号频域分析v 以频率或角频率为变量描述信号幅值、相位的变化规律。采用傅立叶变换将时域信号x(t)变换为频域信号X(f)，从而帮助人们从另一个角度来了解信号的特征。第二节 农业信息的传递与处理 8563ASPECTRUM ANALYZER 9 kHz-26.5 GHz傅里叶傅里叶变换变换X(t)=sin(2nft)0 t

16、0 fv时域分析与频域分析的关系时域分析与频域分析的关系第二节 农业信息的传递与处理 信号频谱信号频谱X(f)X(f)代代表了信号在不同表了信号在不同频率分量成分的频率分量成分的大小，能够提供大小，能够提供比时域信号波形比时域信号波形更直观，丰富的更直观，丰富的信息。信息。时间时间幅值幅值频率频率时域分析时域分析频域分析频域分析v时域和频域的对应关系时域和频域的对应关系第二节 农业信息的传递与处理 131Hz147Hz165Hz175Hzv周期信号的频谱分析周期信号的频谱分析第二节 农业信息的传递与处理 周期信号是经过一定时间可以重复出现的信号，满足条件：x(t)=x(t+nT)sin,cos

17、00tntn 任何周期函数，都可以展开成正交函数线性组合的无穷级数，如三角函数集的傅里叶级数:v傅里叶级数的表达形式：傅里叶级数的表达形式：第二节 农业信息的传递与处理)sincos()(01020tnbtnatxnnna,.)3,2,1(n102)cos()(0nnnatnAtx变形为：变形为：,.)3,2,1(n第二节 农业信息的传递与处理 式中式中:;sin)(;cos)(;)(222/2/022/2/022/2/10nnabnnnnTTTnTTTnTTTarctgbaAtdtntxbtdtntxadttxa傅里叶级数的复数表达形式：傅里叶级数的复数表达形式：x tC ennjntn()

18、,(,.)00 1 2T周期，周期，T=2/0；0基波圆频率；基波圆频率；f0=0/2v频域分析1-方波信号的合成与分解方波信号的合成与分解第二节 农业信息的传递与处理.5/)5sin(3/)3sin()sin()(1tAtAtAtxnv频域分析2-手机和弦铃声的合成手机和弦铃声的合成第二节 农业信息的传递与处理 v非周期信号的频谱分析非周期信号的频谱分析第二节 农业信息的传递与处理 非周期信号是时间上不会重复出现的信号，一般为时域有限信号，具有收敛可积条件，其能量为有限值。这种信号的频域分析手段是傅立叶变换。x tXf edfXfx t edtjftjft()()()()22 与周期信号相似

19、，非周期信号也可以分解为与周期信号相似，非周期信号也可以分解为许多不同频率分量的谐波和，所不同的是，由于许多不同频率分量的谐波和，所不同的是，由于非周期信号的周期非周期信号的周期T T，基频，基频f fdfdf，它包含了，它包含了从零到无穷大的所有频率分量，各频率分量的幅从零到无穷大的所有频率分量，各频率分量的幅值为值为X(f)dfX(f)df，这是无穷小量，所以频谱不能再用，这是无穷小量，所以频谱不能再用幅值表示，而必须用幅值密度函数描述。幅值表示，而必须用幅值密度函数描述。另外，与周期信号不同的是，非周期信号的谱另外，与周期信号不同的是，非周期信号的谱线出现在线出现在0,f0,fmaxma

20、x的各连续频率值上，这种频谱称为的各连续频率值上，这种频谱称为连续谱。连续谱。第二节 农业信息的传递与处理 v（三）数字化滤波处理v 定义：定义：用数字设备，通过一定的算法，对信号进行处理，将某个频段的信号进行滤除，得到新的信号。v 特点：特点：v 数字滤波具有高精度、高可靠性、可程控改变特性或复用、便于集成等优点。数字滤波在语言信号处理、图像信号处理、医学生物信号处理以及其他应用领域都得到了广泛应用。第二节 农业信息的传递与处理 当 时，M就是IIR滤波器的阶数，表示系统中反馈环的个数。由于反馈的存在，IIR滤波器的脉冲响应为无限长，因此得名。若 ，则系统的脉冲响应的长度为N+1，故而被称作

21、FIR滤波器。vIIR滤波器与滤波器与FIR滤波器滤波器v 系统函数：第二节 农业信息的传递与处理 v IIR滤波器的优点：可以直接利用模拟滤波器设计的成果进行设计，因为模拟滤波器本身就是无限长冲激响应的。v 设计过程如下：首先根据滤波器参数要求设计对应的模拟滤波器（如巴特沃斯滤波器、切比雪夫滤波器等），然后通过映射（如脉冲响应不变法、双线性映射等等）将模拟滤波器变换为数字滤波器，从而确定IIR滤波器的参数。v IIR滤波器的缺点：存在反馈，其稳定性得不到保证；反馈可能使滤波器的数字运算发生溢出。v FIR滤波器的优点：不存在系统极点，FIR滤波器是绝对稳定的系统；而且确保线性相位，这在信号处

22、理中非常重要；此外，由于不需要反馈，实现比IIR滤波器简单。v FIR滤波器的缺点：性能不如同样阶数的IIR滤波器。引入计算机辅助设计，FIR滤波器的设计得到极大的简化。因此，FIR滤波器比IIR滤波器应用更广。第二节 农业信息的传递与处理 第三节 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、农田生物宏观形态结构信息的提取 一、农田生物系统的信息（一）农田生物信息的类型（一）农田生物信息的类型 l 农作物生理功能信息农作物生理功能信息l 农作物结构信息农作物结构信息 l 农作物病虫草害信息农作物病虫草害信息 微观结构微观结构宏

23、观结构宏观结构 第三节 农田生物信息的采集与处理 第三节 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（二）农田生物信息的特点与研究方法 层次性层次性 多元性多元性 弱信息弱信息 时空分布时空分布 随空间和时随空间和时间不断发生间不断发生动态变化动态变化 注重实时性注重实时性和空间分布和空间分布差异差异 采用弱信息采用弱信息提取与恢复提取与恢复技术，使弱技术，使弱信息变强信息变强 包含于复杂包含于复杂的环境信息的环境信息中中 多种组分信多种组分信息的叠加息的叠加 多组分信息多组分信息分离技术，分离技术，运用化学计运用化学计量学方法量学方法 物种不同、物种不

24、同、生长有异、生长有异、结构有别结构有别 微观微观：光谱光谱/波波谱谱/色谱色谱/质谱；质谱；宏观宏观：感官定性感官定性/图形图像方法图形图像方法第三节 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（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。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 1硬件部分硬件部分第三节 农田生物信息的采集与处理 1）信息检测系统:图像传感器;光谱传感器;生理信息传感器;实验分析仪图像传感器图像传感器1 1硬件部分硬件部分安装在野外，并与计算机联机，采集作物群体和个体的形态结构信息。一般用于监测农田作物的形态结构特

25、征，以便对病虫草害、栽培措施等进行模式识别，也可以获得作物生长发育的状态信息。为了能立体观察物体，可以使用2 台摄像机或采用镜面反射获得三维结构信息。光谱传感器光谱传感器 第三节 农田生物信息的采集与处理 反射光谱包含了丰富的物质结构及其组成信息。通过测定作物反射光谱可以获得作物生育阶段信息和叶绿素等各种色素、蛋白质、淀粉等物质含量的信息，预测作物生物学产量与经济产量，监测作物病虫害发生规律。图示为安装在田间的与计算机联机的可见光、近红外光分光装置可以实现波长在0.4m2.5m 范围内连续扫描、定时扫描，实现准确的遥测数据采集。1 1硬件部分硬件部分v光谱分布第三节 农田生物信息的采集与处理

26、生理信息传感器生理信息传感器 第三节 农田生物信息的采集与处理 LI-6400P 便携式光合作用测定系统便携式光合作用测定系统作物的产量与生理活动，如光合速率与呼吸速率、田间温度、光照强度等的变化关系密切，测定仪可以实现随时观测田间作物的生理信息的变化1 1硬件部分硬件部分l实验室分析仪器实验室分析仪器第三节 农田生物信息的采集与处理 室内分析仪器按原理可分为：光谱分析仪器、色谱分析仪器、电化学分析仪器及其它仪器。这些仪器都可与计算机联机，实现分析数据的自动采集与处理。1 1硬件部分硬件部分第三节 农田生物信息的采集与处理 2）信号调理系统 n 农田生物信息经过信息检测系统检测后，其信农田生物

27、信息经过信息检测系统检测后，其信息附载到具有某种能量（如光、电、热、声、息附载到具有某种能量（如光、电、热、声、磁等）的模拟量上即为模拟信号。磁等）的模拟量上即为模拟信号。n 模拟信号被计算机采集以前需要进行调理，提模拟信号被计算机采集以前需要进行调理，提高信噪比。高信噪比。n 信号调理系统包括：信号调理系统包括：滤波器、积分器、调制解滤波器、积分器、调制解调器、锁相放大器等。调器、锁相放大器等。1 1硬件部分硬件部分第三节 农田生物信息的采集与处理 3）计算机硬件系统 l 接口电路接口电路 l 计算机计算机 l 计算机输入输出设备计算机输入输出设备 1 1硬件部分硬件部分2 2信息处理软件系

28、统第三节 农田生物信息的采集与处理 通过信息检测系统检测到的各种图谱、图像信息，拥有复杂的背景，需要用各种软件来实现对有用信息的处理与提取。具体包括：（1）信息预处理软件：去除或降低原始信息中的高频随机噪声以及消除或降低图形和图像中的随机噪声，校正辐射量畸变和几何畸变，使图像质量得到改善。（2）信息提取软件：包括弱信息提取软件如计算机导数技术和多元信息提取软件如主成分回归法以及图像纹理特征处理如聚类分析法软件等。（3）信息综合处理、模拟和优化软件。（二）系统功能（二）系统功能 二、农田生物信息采集与处理系统 1.1.农田生物信息检测农田生物信息检测 l 微观形态结构和组分的信息检测微观形态结构

29、和组分的信息检测l 宏观形态结构的信息检测宏观形态结构的信息检测 l 生理功能的信息检测生理功能的信息检测 l 间接信息的获得间接信息的获得 2 2生物信息检测信号的调理生物信息检测信号的调理l 信噪比信噪比l 噪声来源噪声来源 l 信号调理信号调理 第三节 农田生物信息的采集与处理 第三节 农田生物信息的采集与处理 植物生理及环境监测系统叶片光合与速腾速率测量三、农田生物弱信息的增强技术1 1系统背景的消除与降低系统背景的消除与降低l 差谱技术差谱技术l 导数光谱技术导数光谱技术 2 2随机背景的消除与降低随机背景的消除与降低l 数字滤波技术数字滤波技术l 傅里叶变换滤波傅里叶变换滤波 l

30、小波变换小波变换 第三节 农田生物信息的采集与处理 第三节 农田生物信息的采集与处理 四、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（一）计算机图像处理技术的概念 n 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，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。并根据需要进行各种处理，称为数字图像处理。n 所谓数字图像，就是图像各点的灰度值的二维数组，把它表所谓数字图像，就是图像各点的灰度值的二维数组，把它表示为示为f(x,y)，则，则f(i,j)表示图像表示图像f位于（位于（i,j）处象素的同时，还）处象素的同时，还表

31、示该点的灰度。表示该点的灰度。n 因此任何图像都可以用多个二维数组表示。因此任何图像都可以用多个二维数组表示。第三节 农田生物信息的采集与处理 四、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（一）计算机图像处理技术的概念 类别类别描述形式描述形式描述的对象描述的对象二值图像二值图像f(x,y)=0,1文字、线条图、指纹等文字、线条图、指纹等浓淡图像浓淡图像0f(x,y)2n1黑白照片、一般黑白照片、一般 n=68彩色图像彩色图像fi(x,y),i=R,G,B以三基色表示的彩色图像以三基色表示的彩色图像多光谱图像多光谱图像fi(x,y),i=1,2,m遥感图像，一般遥感图像，一

32、般 m=48立体图像立体图像fL,fR由左、右视点得到的同一物体的象对由左、右视点得到的同一物体的象对动态图像动态图像（时间序列）（时间序列）ft(x,y),t=t1,t2,tn动态分析、动画制作等动态分析、动画制作等数字图像的类别数字图像的类别 第三节 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（二）图像输入方法n 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

33、算机）将其转换成二维阵列摄的为数字图像，可直接输入计算机）将其转换成二维阵列（XN）个象素，然后将这些点阵的灰度信息（包括色彩信息）个象素，然后将这些点阵的灰度信息（包括色彩信息）数字化数字化n 每一象元的灰度值是从每一象元的灰度值是从0到到255中的某一个值，而彩色信息是将中的某一个值，而彩色信息是将自然界的各种颜色分解成红（自然界的各种颜色分解成红（R）、绿（）、绿（G）、蓝（）、蓝（B）3种基色，种基色，每种基色又分成每种基色又分成0到到255个不同的数量级，几乎所有颜色都可用个不同的数量级，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三基色的含量多少来反映，农

34、田生物色度信息就是用RGB三三基色不同数量级的合成来表示。基色不同数量级的合成来表示。第三节 农田生物信息的采集与处理（三）图像处理方法（三）图像处理方法五、农田生物宏观形态结构信息的提取 1 1二值图像处理法二值图像处理法2 2图像变换和图像质量的改善图像变换和图像质量的改善3 3图像的特征提取图像的特征提取l 几何形状结构信息的提取几何形状结构信息的提取l 纹理特征信息的提取纹理特征信息的提取 l 颜色特征信息的提取颜色特征信息的提取 第四节 农田气候信息的采集与处理气候是长时间内气象要素和天气现象的平均或统计状态，时间尺度为月、季、年、数年到数百年以上。农田气候一般指距农田地面几米内的空

35、间气候，是各种动物、植物和微生物赖以生存的空间气候。农田气候要素包括太阳辐射、大气温度、大气湿度、风速等，随时间、地点、空间发生变化，对农田作物生长、发育与产量形成影响巨大。农田气候信息采集与处理，以便对农业生态环境进行模拟、调节和控制。一、农田气候信息采集与处理系统的硬件构成二、农田气候信息采集处理系统应用软件一、农田气候信息采集与处理系统的硬件构成第四节 农田气候信息的采集与处理农田气候信息采集处理系统（即自动气象站）是一个功能扩张的单片机应用系统，是一种按设定的要求对多项气象要素自动进行采集、处理、存储和编制报表的地面气象观测设备。3部分组成：气候信息采集模块数据通信输出模块单片机功能扩

36、展模块1.信息采集模块第四节 农田气候信息的采集与处理（1）土壤热通量信息采集（2）空气温度信息采集（3）空气湿度信息采集（4）太阳辐射信息采集（5）日照时数信息采集（6）风速与风向信息采集（7）降雨信息采集（8）气压信息采集（9）蒸发信息采集第四节 农田气候信息的采集与处理第四节 农田气候信息的采集与处理v土壤热通量信息采集v 热流计（应用于保温性能的测试）热流计（应用于保温性能的测试）热流传感器：热流传感器：v 1914年，德国的Henky教授用10cm的软木板测量啤酒厂内地板的热流v 1924年，Schmidt设计了由绕在橡胶带上的热电堆组成的带状热流传感 器用来测量带有保温层的管道的热

37、流密度。v 1939年，为克服制作多点热电堆的困难，Gier和Boelter用在康铜丝上电镀银的方法制成了热流传感器用的热电堆（或称：线绕热阻式）。v 1969年前后，随着对高精度热流测量的需求，提出了利用半导体材料制作热流传感器的感测元件：热电堆。v 2002年，出现具有更高测量精度的薄膜热流传感器，以满足航空航天和军事科学的更高精度测量需要，使对微小热量变化的测量成为了可能。第四节 农田气候信息的采集与处理v空气温度信息采集v 温度传感器接触式、非接触式（按测量方式）v 热敏电阻、热电偶（按传感器材料）v 接触式：接触式：温度计通过传导或对流达到热平衡，从而使温度计的示值能直接表示被测对象

38、的温度。一般测量精度较高。在一定的测温范围内，温度计也可测量物体内部的温度分布。v 非接触式：非接触式：用来测量运动物体、小目标和热容量小或温度变化迅速（瞬变）对象的表面温度，也可用于测量温度场的温度分布。第四节 农田气候信息的采集与处理v热敏电阻v 用半导体材料，大多为负温度系数，即阻值随温度增加而降低。v 温度变化会造成大的阻值改变，因此它是最灵敏的温度传感器。v 体积小，响应快，但是线性度差。v热电偶v 由在一端连接的两条不同金属线(金属A和金属B)构成，当热电偶一端受热时，热电偶电路中就有电势差。可用测量的电势差来计算温度。v 非线性关系，简单可靠，精度低。第四节 农田气候信息的采集与

39、处理eBTTRAv空气湿度信息采集v 湿敏元件电阻式、电容式v 湿敏电阻：在基片上覆盖一层用感湿材料制成的膜，当空气中的水蒸气吸附在感湿膜上时，元件的电阻率和电阻值都发生变化，利用这一特性即可测量湿度。v 灵敏度高，线性度和互换性差。v 湿敏电容：用高分子薄膜电容制成的，常用的高分子材料有聚苯乙烯、聚酰亚胺、酷酸醋酸纤维等。当环境湿度发生改变时，湿敏电容的介电常数发生变化，使其电容量也发生变化，其电容变化量与相对湿度成正比。v 灵敏度高，互换性好、响应速度快、湿度的滞后量小、便于制造、容易实现小型化和集成化，其精度一般比湿敏电阻要低一些。第四节 农田气候信息的采集与处理v太阳辐射信息采集v 辐

40、射传感器：热电型传感器，基于辐射的热效应，通过热电元件测定温差电动势来计算辐射能。v 能量感知元件：一般为涂覆有高吸收率涂层（发射率在0.94以上的黑色涂层）的热流传感器。v 滤波元件：按所需波长范围选择通过的电磁波。第四节 农田气候信息的采集与处理v日照时数信息采集v 直接辐射表、双金属片日照传感器与旋转式日照传感器直接辐射表、双金属片日照传感器与旋转式日照传感器 v 用来测量太阳每天在垂直于其光线的平面上的直接辐射强度120W/m2(10%)的时间长度，其感光波长范围为0.33微米。v 由高透光学玻璃罩、感光元件、信号处理电路、时钟运算电路、表体等部分组成。经过校正的辐射感光元件将环境中的

41、辐射值传递给传感器内部的信号处理电路，处理器一旦判断信号大于120W/m2即开始计时，计时为累加方式，直至当天24点时刻后自动清零。在此期间，外界可随时向传感器获取累计日照时数值。第四节 农田气候信息的采集与处理v风速与风向信息采集v 风速传感器的感应元件是三杯风组件，由三个碳纤维风杯和杯架组成。转换器为多齿转杯和狭缝光耦。当风杯受水平风力作用而旋转时，通过活轴转杯在狭缝光耦中的转动，输出频率的信号。v 风向传感器的变换器采用精密导电塑料电位器，当风向发生变化，尾翼转动通过轴杆带动电位器轴芯转动，从而在电位器的活动端产生变化的电阻信号 输出。第四节 农田气候信息的采集与处理v降雨信息采集v 翻

42、斗式雨量传感器：由承雨器部件和计量部件等组成。承雨口采用国际标准口径200mm。计量组件是一个翻斗式机械双稳态秤重机构，其功能是将以mm计的降雨深度转换为开头信号输出。第四节 农田气候信息的采集与处理v气压信息采集v 气压传感器：主要的传感元件是一个对压强敏感的薄膜，它连接了一个柔性电阻器。当被测气体的压强降低或升高时，这个薄膜变形，该电阻器的阻值将会改变。电阻器的阻值发生变化。从传感元件取得0-5V的信号电压，经过A/D转换由数据采集器接受，然后数据采集器以适当的形式把结果传送给计算机。v 数字气压传感器：利用MEMS技术在单晶硅片上加工v 出真空腔体和惠斯登电桥，惠斯登电桥桥臂两端的输v

43、出电压与施加的压力成正比。v 应用：测量海拔高度，当前v 用于智能手机中导航第四节 农田气候信息的采集与处理v蒸发信息采集v 蒸发传感器：由超声波传感器和不锈钢圆筒架两部分组成。根据超声波测距原理，选用高精度超声波探头，对标准蒸发皿内水面高度变化进行检测，转换成电信号输出。第四节 农田气候信息的采集与处理2.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RS232C 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。第四节 农田气候信息的采集与处理3.系统功能扩展模块适应农田气候信息采

44、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。二、农田气候信息采集处理系统应用软件第四节 农田气候信息的采集与处理第五节 土壤信息的采集与处理 土壤信息主要是表征土壤状况和性质的一系列参数。对某一特定土壤而言：土壤质地、结构、有机质含量等参数，基本固定不变，一般不必多次测定；土壤含水量、含盐量以及土壤养分含量等参数，随时间不断变化，需要多次动态采集及测定。本节重点介绍以下两方面：二、土壤养分成分的监测二、土壤养分成分的监测一、土壤含水量的测定一、土壤含水量的测定1.烘干称重法：国际上普遍采用的经典土壤水分测定方法，即用土钻等取湿

45、土样称重后放入烘箱，在105110 条件下烘干68h至恒重，湿土重与烘干土重之差即为水重，水重与烘干土重的比值即为土壤水分含量。优点是对设备要求低，结果可靠。作为一种实验室测量方法并用于其它方法的标定将长期存在。缺点是费时、费力，综合费用高；破坏土壤，深层取样困难，受土壤空间变异性影响也比较大。因此，需要研究和使用自动化程度较高的各种快速、连续定位土壤水分测定系统来代替烘干法第五节 土壤信息的采集与处理一、土壤含水量的测定一、土壤含水量的测定第五节 土壤信息的采集与处理一、土壤含水量的测定一、土壤含水量的测定 2.TDR 土壤水分测定系统 时域反射仪TDR（Time Domain Reflec

46、tometry）是一种测定土壤电磁量的方法，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。TDR 系统主要部件包括阶跃脉冲信号产生器、接收器、示波器、时间控制电路和波导棒等。测量原理：土壤水盐的电磁测定是基于土壤的介电性质土壤的介电性质。介电常数又与土壤水分含量的多少有密切关系。将长度为长度为L的波导棒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

47、反映出土壤的电导率，继而计算土壤水盐含量。第五节 土壤信息的采集与处理优点：直接、快速、方便、可靠地同时独立监测土壤水盐状况，测定结果与土壤类型、密度、温度等因素无关，无需埋设中子管。缺点：仪器价格昂贵。第五节 土壤信息的采集与处理二、负压计土壤湿度监测系统 负压计，又称张力计，以测量土壤负压（张力）负压（张力）来显示土壤水分状况。负压计包括一个多孔的陶瓷杯和一个液压计。负压计瓷头埋设于土壤中某一深度后，负压计内部的水分通过瓷头上的微孔同土壤水分进行交换，使内外水势渐趋平衡，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。3.负压计土壤

48、湿度监测系统 优点：负压计结构简单、易于制造、价钱便宜、使用方便，可以在不同测点多处埋设，可进行连续多次观测。缺点：不适合于干旱土地，适用于灌溉地、喷灌和滴灌田；易于受环境温度的影响，仪器稳定性较差；观测结果具有滞后性，往往不能及时反映土壤水分状况。第五节 土壤信息的采集与处理3.负压计土壤湿度监测系统第五节 土壤信息的采集与处理4.中子土壤湿度仪利用中子热化原理，快中子源发出的中子在遇到氢原子后，失去部分动能转化成慢中子，仪器根据测出的慢中子数量计算出土壤含水量。土壤含水量愈多，快中子转化为慢中子的数量也愈多，仪器可以将计数器的计数转换为土壤含水量值。中子仪由探头和计数器组成。探头由快中子源

49、和一个三氟化硼慢中子检测器组成。计数器用来监测土壤散射的慢中子通道。使用方法：将探头插入预设的测量孔某一位置，即可测出该位置（点）周围的土壤含水量。沿测孔上下移动即可测定不同深度土层的土壤含水量，可测量多达30m 深的土壤剖面含水量。第五节 土壤信息的采集与处理优点：能快速、周期性的反复测定深层土壤含水量而不破坏土壤，缺点：当土壤有机质含量高时测定精度差；仪器价格较贵；需要提前埋设铝管，导致设备成本较高；同时30cm 表土层因辐射危害健康，需要采用其它方法测定。4.中子土壤湿度仪电阻/电容式土壤湿度监测系统分别采用电阻式土壤湿度传感器和电容式土壤湿度传感器。前者通过测量埋入土壤中的感湿元件的电

50、阻值得到感湿元件的湿度，从而间接求得土壤湿度，测量结果易受土壤盐分影响，且有滞后性。后者根据土壤介电常数随土壤湿度变化的原理来测定土壤湿度，受土壤盐分的影响较小。如石膏块土壤水分测定系统，如图，通过测量石膏块内两个电极间的电阻可以显示含水量。石膏块永久埋入土壤中，寿命为35 年，适用于干燥土壤环境（张力计无法使用），测量范围3100kPa。5.电阻/电容式土壤湿度监测系统第五节 土壤信息的采集与处理FDR(Frequency Domain Reflectometry)频域反射仪利用电磁脉冲原理，根据电磁波在介质中传播频率来测量土壤的表观介电常数,从而得到土壤容积含水量。FDR 的探针类似于TD