1.一种基于ROS的多光谱无人机智能定点施肥方法,其特征在于,包括如下步骤:S1:采集目标范围内的种植区氮、磷、钾多光谱俯视信息图像,对图像进行预处理,去噪、矫正图像畸变、调整图像对比度;
S2:选择氮、磷、钾在多光谱图像中的显像特征波段,利用改进的SLIC算法对单个像素进行聚类,生成内容敏感超像素,将超像素进行分类处理,以形成区块,得到光谱图像采集区内的氮素、磷素、钾素多光谱分布图;所述改进的SLIC算法融合二维流形,将多光谱图像映射到二维流形中进行计算,在图像纹理提取方面,融合ILNRBP算法,将8邻域降至对角4邻域,综合计算多光谱图的纹理特征;
利用改进的SLIC算法获取氮素、磷素、钾素多光谱分布图的具体操作为:S2.1:获取预处理后的多光谱遥感图像,设定所述多光谱遥感图像的总像素点为M、光谱波段为α条,生成目标超像素为k个,同时也是种像素的个数,定义种像素为z,最大迭代次数为maxi;
S2.2:初始化各项参数,在k个种像素 之间设定相同间距 将种像素设定为3×3单位矩阵对角区域内梯度最低点的位置;设置其它非种像素p的初始标签为b(p)=‑
1,初始距离j(p)=∞,初始迭代次数ci=0;
S2.3:用ILNRBP算法计算每个像素的对角邻域纹理特征ILNRBPd,n,R,T(p):式中:
其中:T为阈值,Xc为中心像素点p在欧氏空间中的坐标,d表示从中心像素点到邻域点像素的距离,l用来标记邻域像素点所在的位置,Xd,n,l表示在以中心像素p为中心,以d为半径的圆上等角度等间隔的均匀分布着n个像素点,n=4;Y(Xd,n,l,R)表示以邻域像素Xd,n,l为中心,以R为半径的圆形邻域上等角等间隔的4个邻域像素值的均值:其中: 表示以Xd,n,l中心,以R为半径的圆周上第m个邻域像素的像素值,同样的,邻域数量为4,计数从0开始,即m=0,且第0个邻域像素的像素值与中心像素点p即Xc的连线会经过Xd,n,l;
S2.4:计算单位正方形在二维流形中的面积:
其中:Dp表示以像素p为中心的单位正方形, 和 表示单位正方形沿对角切割出的三角形,Φ表示在二维流形中;为每个像素计算S(Φ(Dp)),计算二维流形中的局部搜索区域R:S2.5:在以种像素zi为中心的2L×2L区域Ω(zi)中计算S(Φ(Ω(zi)))与分割范围参数λi:S2.6:当ci>0且分割范围参数λi小于分割阈值τ,则分割该超像素;
S2.7:超像素相似度计算:选取图像中的两个给定的像素点p1、p2,根据多特征融合的像素距离计算公式:其中,m和β分别为两个超参数,m是控制空间和光谱特征之间相对重要性的参数,β是调节纹理特征的权重参数,J(p1,p2)值越小,超像素间相似度越高,js为像素间的欧氏空间距离:2
js=(||p1‑p2||2)
2 2
=(x1‑x2) +(y1‑y2)
其中,像素点p1、p2的坐标分别为(x1,y1)和(x2,y2),jc为像素间的光谱距离:其中,Gp表示图像像素中光谱通道有α条,即光谱波段的条数,Ti表示像素的第i条光谱通道强度;jt为像素间的纹理特征差异:2
jt=(ILNRBPd,n,R,T(p1)‑ILNRBPd,n,R,T(p2))对以zi为中心的2λiL×2λiL区域中的每个像素p,计算其与种像素zi的聚类距离J=J(zi,p),当J<j(p),则设置该像素p的距离j(p)=J,并设置其标记b(p)=i;
S2.8:将邻近的超像素块分类合并,并更新种像素
S2.9:若迭代次数ci≥maxi,则结束迭代,输出超像素分割的结果,S2.10:若迭代次数ci<maxi,则返回S2.4,同时迭代次数ci=ci+1;
S3:按照像素进行分割,提取相同色块,找出颜色边缘并标记,得到多光谱分割图;
S4:将多光谱分割图中的区域与种植区实际场景下的生长态势进行比对,确定作物长势良好的氮含量、磷含量、钾含量波段范围,以及该范围在多光谱分割图中对应的显示色块,筛选并标记出多光谱分割图中长势良好的区块;
S5:将长势良好的分割区域进行排除,最后得到氮素、磷素、钾素的施肥区域;
S6:提取施肥区坐标,并根据施肥区坐标利用无人机自动化施肥。
2.根据权利要求1所述的基于ROS的多光谱无人机智能定点施肥方法,其特征在于,所述步骤1中采集目标范围内的种植区氮、磷、钾多光谱俯视图信息图像具体为:利用北斗定位技术获取无人机的实时位置信息,记录起始点坐标,控制无人机到种植区上空,分别采集目标范围内的种植区氮、磷、钾多光谱俯视图信息,记录采集成像的坐标位置,起始点坐标、采集成像的坐标用于多光谱分布图与地图的融合;同时利用激光雷达扫描得到当前地形数据,用于配合地图坐标规划自动施肥路径。
3.根据权利要求1所述的基于ROS的多光谱无人机智能定点施肥方法,其特征在于,所述步骤1中氮、磷、钾光谱图像信息的显像特征波段分别为:480nm~560nm特征波段、630nm~790nm特征波段、810nm~950nm特征波段。
4.根据权利要求2所述的基于ROS的多光谱无人机智能定点施肥方法,其特征在于,所述步骤6中提取施肥区坐标的具体操作为:将在步骤S1的数据采集时候记录的起始点坐标、采集成像的坐标在地图中定位,两个坐标点保证了多光谱图像投影到地图中的的角度、方向,以地图中的两个坐标为参照,将地图等比缩放,直到与多光谱中标记的对应坐标点重合,此时多光谱中已标记的施肥区投影到地图中,在地图中记录标记的坐标范围,实施施肥路径规划。
5.一种基于权利要求1至4任一所述的基于ROS的多光谱无人机智能定点施肥方法的定点施肥装置,其特征在于,包括无人机、ROS操作地面控制台;
所述无人机上设置有数据采集模块和数据接收模块,所述数据采集模块包括北斗定位、多光谱相机以及激光雷达,所述北斗定位用于获取无人机的实时位置信息,所述多光谱相机用于采集目标范围内的种植区氮、磷、钾多光谱俯视信息图像,所述激光雷达用于扫描得到当前地形数据,用于配合地图坐标规划自动施肥路径;所述数据接收模块用于接收无人机飞行、施肥路径指令;
所述ROS操作地面控制台上设置有数据分析模块、飞行控制模块和施肥控制模块,所述数据分析模块用于执行权利要求1的S2至S5的步骤,利用改进的超像素分割算法对种植区的氮、磷、钾多光谱图像进行分析计算,实现对多光谱图像数据的分割提取;所述飞行控制模块用于根据数据分析模块结果控制无人机的起飞、飞行路径和降落;所述施肥控制模块通过数据分析模块输出结果计算出施肥的位置。