无人机土壤定点自动采样系统

技术领域

本发明涉及土壤采样的技术领域，具体为一种无人机土壤定点自动采样系统。

背景技术

土壤样品的采集工作对专业理论和技术具有很高的要求，在实际工作中，由于人工定位难度大，定位精度低，无论是采用“梅花型”或“蛇型”布点，在布点均匀性和准确性上均难以控制，导致布点和采集的难度大。同时由于不同的土地利用方式，其结构存在特殊性，例如水田，人工采样时，其采样难度和采样选点的误差都较大。除此之外，基层采样人员对土壤分类体系不熟悉、采样技术水平缺乏、工作责任心差等导致采样选点不准确、布点不科学，使得最终采集的土壤样品信息不具备代表性，导致土壤样品数据缺乏有效性、实用性和规范性，给后续区域农业科学决策带来误导性影响，这已经成为目前困扰农业部门土壤样点数据管理与应用的核心限制因素。在现有土壤多样化的条件下，土壤样品布点工作即使由多年涉农经历的技术人员根据相关行业规范也无法达到有效、合理的目的。

发明内容

本发明意在提供一种无人机土壤定点自动采样系统，以解决现有技术中因土壤多样化导致采样布点不准确的技术问题。

本发明提供如下基础方案：

无人机土壤定点自动采样系统，包括服务器，服务器用于获取布点需求和指定区域，布点需求包括布点条件和布点规则，服务器还用于根据指定区域和布点条件生成布点量，根据布点量和布点规则生成布点方案。

基础方案的有益效果：服务器基于布点需求生成相应区域内采样点的数量，便于后续进行采样点的布点规划从而生成布点方案。服务器根据布点需求自动生成布点方案，布点方案的设置，在人为采样时，通过布点方案便于基层采样人员查看采样点的相应位置，在设备自动采样时，通过布点方案自动前往采样点进行自动采样。通过服务器自动生成布点方案，避免因技术人员涉农经验不足、土壤多样化导致采样布点误差较大的情况，有效提高采样布点的准确性。

进一步，布点方案包括采样点，服务器还用于根据布点方案和预设的产业分布图生成采样点的采样方式，根据采样点和采样方式生成采样方案。

有益效果：服务器根据采样点的采样方式生成采样方案，采样方案的设置，便于了解采样点适宜的采样方式，从而在采样时提前做好相应的采样准备，降低采样难度，从而提高采样的准确性。

进一步，服务器预设有土地利用方式与采样方式的映射表，服务器还包括采样方式标记模块，采样方式标记模块用于根据布点方案和产业分布图获取采样点的土地利用方式，根据土地利用方式从土地利用方式与采样方式的映射表筛选出对应的采样方式，根据采样方式标记采样点。

有益效果：产业分布图记录有土地各区域的土地利用方式，基于土地利用方式获取相应的采样方式对采样点进行标记，便于采样前准备相应的采样准备工作，例如人为采样时，携带相应的采样工作，采样终端采样时，使用不同的采样终端或采样终端执行不同的采样策略，从而降低采样难度。

进一步，采样方案包括采样路线，服务器还包括路线规划模块，路线规划模块用于根据布点方案筛选同一采样方式的采样点，根据筛选出的采样点生成对应采样方式的采样路线，依次对所有采样方式生成对应的采样路线。

有益效果：由于不同采样方式所需的采样设备以及采样后的样品存放设备均有不同，路线规划模块的设置，根据采样方式的不同生成多条采样路线，采样时可安排不同采样组分别携带不同采样设备进行采样，也可安排依次根据采样路线携带不同采样设备进行采样，降低采样难度，提高采样效率。

进一步，布点条件包括最小布点单元，服务器包括布点量计算模块，布点量计算模块用于根据指定区域的面积和最小布点单元的面积计算生成布点量。

有益效果：最小布点单元为一个采样点的辐射面积，一个采样点反映的区域有限，因此布点量计算模块的设置，根据指定区域的面积和最小布点单元的面积计算生成布点量，通过布点量进行后续采样点的布点规划。

进一步，服务器还用于获取历史布点方案，历史布点方案包括历史点位，根据历史点位和指定区域修正布点量。

有益效果：土壤在短时间内不会发生突变，因此采样点采集样品具有一定的有效期，根据历史点位和指定区域修正布点量，降低选定采样的工作量，避免重复采样，造成资源和人力的浪费。

进一步，还包括用户终端，服务器还用于将采样方案发送给用户终端，用户终端用于接收并显示采样方案。

有益效果：在人为采样时，将采样方案发送给用户终端进行显示，便于基层采样人员提前进行采样准备，携带相应采样设备进行采样点的采样，降低采样难度的同时，提高采样选点的准确性。

进一步，路线规划模块还用于根据筛选出的采样点和预设的地图生成对应采样方式的行走路线，依次对所有采样方式生成对应的行走路线。

有益效果：路线规划模块的设置，根据现有地图生成行走路线，通过行走路线引导基层采样人员前往采样点，减少基层采样人员的准备工作，降低采样难度。

附图说明

图1为本发明无人机土壤定点自动采样系统实施例一的逻辑框图；

图2为本发明无人机土壤定点自动采样系统实施例三采样终端的逻辑框图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式进一步详细说明：

实施例一

无人机土壤定点自动采样系统，如附图1所示，包括用户终端和服务器，服务器包括数据库、布点量计算模块、布点方案规划模块、采样方式标记模块、路线规划模块和方案生成模块。数据库预设有产业分布图、土地利用方式与采样方式的映射表、多种布点方式。土地利用方式与采样方式的映射表用于建立土地利用方式与采样方式的关联。布点方式包括对角线布点、S型布点和棋盘布点，例如对角线布点为在划分区域内作一对角线，在对角线上根据布点量等距设置，完成布点。产业分布图用于反映土地各区域的土地利用方式，土地利用方式与采样方式的映射表用于建立土地利用方式和采样方式的对应关系。

用户终端用于获取布点需求和指定区域，上传服务器，布点需求包括布点条件和布点规则。指定区域为本次进行土壤采样的区域。布点条件包括最小布点单元，最小布点单元为一个采样点的辐射面积，与后续计算指定区域内的布点量相关，在其他实施例中，最小布点单元可由用户通过用户终端上传至数据库中进行存储，也可固设在软件内，即不能进行修改。布点规则为根据预设的布点方式选定的采样点进行布点的规则，布点规则包括对角线布点、S型布点、棋盘布点中的一种或多种，既可选用单一布点方式进行布点，也可以混合选用布点方式进行布点。

服务器用于获取布点需求和指定区域，服务器还用于根据指定区域和布点条件生成布点量，根据布点量和布点规则生成布点方案。具体的：

布点量计算模块用于根据指定区域的面积和最小布点单元的面积计算生成布点量，最简单的是指定区域面积除以最小布点单元，取整数位作为其布点量，建立布点量与指定区域的联系，在其他实施例中，直接以布点量标记指定区域。在其他实施例中，服务器还包括布点量修正模块，数据库中还预设有历史布点方案，历史布点方案包括历史点位，历史点位为曾经进行土壤采样的采样点。布点量修正模块用于调用历史布点方案，根据历史点位和指定区域修正布点量，当历史点位位于指定区域内时，判断该历史点位的采样时间，若采样时间在有效时间内，则指定区域的布点量减1，有效时间为采样数据的有效时间，一般为3年。

布点方案规划模块用于根据布点需求中的布点规则调用数据库中预存的布点方式，当布点规则为一种布点方式时，根据布点规则和布点量对指定区域进行布点，生成指定区域的布点方案；当布点规则为多种布点方式时，根据多种布点方式生成混合布点规则，根据混合布点规则和布点量对指定区域进行布点，生成指定区域的布点方案。

布点方案包括采样点，服务器还用于根据布点方案和预设的产业分布图生成采样点的采样方式，根据采样点和采样方式生成采样方案。具体的，采样方式标记模块用于调用产业分布图，根据布点方案和产业分布图获取每一采样点的土地利用方式；调用土地利用方式与采样方式的映射表，根据土地利用方式从土地利用方式与采样方式的映射表筛选出采样点对应的采样方式，根据采样方式标记采样点，逐一对每一采样点的采样方式进行标记。例如，采样方式包括土壤采集方式和水源采集方式，采样点所在区域的土地利用方式是种植，则其对应的采样方式为土壤采样方式。路线规划模块用于根据布点方案筛选同一采样方式的采样点，根据筛选出的采样点生成对应采样方式的采样路线，依次对所有采样方式生成对应的采样路线。方案生成模块用于根据采样路线生成采样方案，采样方案包括每一采样方式对应的采样路线和采样点的采样坐标。

服务器还用于将采样方案发送给用户终端，用户终端用于接收并显示采样方案，便于用户通过用户终端查看采样方案，以及人为控制相应设备进行土壤自动采样，例如人为控制土壤采样无人机进行土壤自动采样。在其他实施例中，还包括土壤采样无人机，服务器还用于将采样方案发送给土壤采样无人机，土壤采样无人机用于根据采样方案到达采样点，根据采样方案中采样点对应的采样方式对采样点进行土壤采样。通过采样方案自动控制土壤采样无人机实现土壤采样。

实施例二

本实施例与实施例一的不同之处在于：

数据库中还预设有地图，路线规划模块还用于根据筛选出的采样点和预设的地图生成对应采样方式的行走路线，依次对所有采样方式生成对应的行走路线。方案生成模块用于根据采样路线和行走路线生成采样方案，将采样方案发送给用户终端，此时生成的采样方案包括每一采样方式对应的采样路线、行走路线和采样点的采样坐标。用户终端用于接收并显示采样方案，针对于土壤采样无人机无法进行采样的采样点，用户可自行安排基层采样人员进行人为采样，通过行走路线指引基层采样人员前往采样点，实现土壤采样，从而保证土壤采样的完整性。

实施例三

本实施例与实施例一的不同之处在于：本实施例中，采用采样终端进行土壤自动采样，从而提高采样布点的准确性。

如附图2所示，采样终端包括无人机、采样装置和控制系统，采样装置设于无人机的下方，采样装置固定连接于无人机的底部，在其他实施例中，采样装置与无人机的底部通过螺钉或卡扣可拆卸连接，可根据不同的采样方式在无人机下安装不同的采样装置，实现根据土地利用方式和采样目的的不同自动进行采样。采样装置采用现有设置在无人机上的土壤采样器，无人机和采样装置的可拆卸连接采用现有土壤采样器和无人机的连接结构，因此不再赘述。无人机包括多个旋翼，通过旋翼的旋向和旋速控制无人机的上升、下降、飞行和转向。

控制系统包括存储模块、飞行控制模块、定位模块、坐标判断模块、压力检测模块、采样控制模块、图像分析模块、故障分析模块、图像采集模块和高度检测模块。

服务器用于将采样方案发送给控制系统，存储模块用于接收采样方案，对采样方案进行存储。存储模块中还预设有采样控制策略，不同采样方式对应的采样控制策略不同。例如采样方式为土壤采集方式和水源采集方式，则使用的采样装置不同，相应的控制采样装置进行样品采集的采样控制策略不同。

控制系统还用于根据采样方案控制无人机飞行，获取无人机的实时坐标，根据实时坐标和采样坐标判断是否一致。具体的，飞行控制模块用于调用采样方案中的采样路线，根据采样路线控制旋翼的旋向和旋速，以使无人机飞行。定位模块用于实时获取无人机的实时坐标，坐标判断模块用于根据实时坐标和采样坐标进行判断，当实时坐标和采样坐标一致时，生成到达信号。图像采集模块用于在无人机飞行过程中采集过程图像，上传过程图像。在飞行过程中同时采集过程图像，通过过程图像反映相应土地的地形地貌，辅助进行土地利用方式以及土地分类的调查，同时为下次布点作预测、决策分析的支撑。

控制系统预设有高度阈值，控制系统还用于当实时坐标和采样坐标一致时，控制无人机下降，下降时判断采样装置的底部是否与地面相抵，并实时检测无人机的实际高度，根据实际高度和预设的高度阈值判断是否进行采样环境图像的采集。具体的，飞行控制模块还用于当坐标判断模块生成到达信号时，生成下降指令控制旋翼的旋向和旋速，以控制无人机下降。压力检测模块预设有压力阈值，压力检测模块用于当坐标判断模块生成到达信号时，采集采样装置与采样点地面的压力信息，根据压力信息判断采样装置是否与采样点的地面相接触，当采样装置与采样点相接触时，生成采样开始信号。即压力检测模块用于检测采集装置底部所受到的压力信息，根据压力信息和预设的压力阈值进行判断，当压力信息大于压力阈值时判断采样装置与采样点相接触，压力阈值的设定考虑到无人机下降时，有空气阻力对压力检测造成影响，因此设定压力阈值，避免误判。高度检测模块用于实时检测无人机与地面的实际高度。图像采集模块预设有高度阈值，图像采集模块还用于当实际高度低于预设的高度阈值时，采集采样点附近的采样环境图像，存储并上传采样环境图像。在无人机下降到指定高度以下时，对采样点附近的采样环境图像进行采集，一是保证采样环境图像的清晰度，能够准确的反映采样点附近环境情况，从而判断当前采样点是否布点合理，进而保证采样样品的可靠性。

控制系统还用于当采样装置的底部与地面相抵时，控制采样装置对采样点进行土壤采样。具体的，采样控制模块用于当压力检测模块生成采样开始信号时，根据采样点的采样方式调用对应的采样控制策略，根据采样控制策略控制采样装置进行土壤采样。飞行控制模块还用于当压力检测模块生成采样开始信号时，根据接触信息控制无人机，由于采样装置进行采样时，土壤会对采样装置造成反作用力，导致采样装置、无人机摆动等情况，因此本实施例中，飞行控制模块预设有重力信息，飞行控制模块还用于根据压力信息和预设的重力信息实时控制无人机的下降，当压力信息大于重力信息时，此时土壤对采样装置的作用力大于无人机和采样装置整体的重力，控制旋翼的旋向，以使旋翼反向旋转，从而平衡土壤会对采样装置造成的反作用力。飞行控制模块用于当完成采样点的土壤采样时，根据采样路线控制旋翼的旋向和旋速，以使无人机飞往下一采样点或返回。

控制系统预设有故障压力信息，控制系统还用于在土壤采样过程中，根据压力信息和预设的故障压力信息进行判断，当压力信息大于故障压力信息时，计算采样点的硬物覆盖率，根据硬物覆盖率生成将放弃采样信号或采样更换信号反馈给用户终端。具体的，图像分析模块预设有故障压力阈值，图像分析模块用于当压力信息大于预设的故障压力阈值时，对采样环境图像进行图像分析，计算采样环境图像中的硬物覆盖率，具体的，通过图像识别技术识别采样环境图像中石头、树木的硬物面积和图像总面积，根据硬物面积和图像总面积计算硬物覆盖率。故障分析模块预设有覆盖率阈值，故障分析模块用于当硬物覆盖率大于预设的覆盖率阈值时，生成放弃采样信号，反之则生成采样更换信号。图像分析模块还用于当故障分析模块生成放弃采样信号时，将放弃采样信号反馈给用户终端；当故障分析模块生成采样更换信号时，根据采样环境图像生成推荐采样点，将推荐采样点反馈给用户终端。当采样装置在采样过程中受到较大的作用力时，有可能是采样点存在石头等硬物，无法进行采样，此时根据下降时采集的采样环境图像进行图像分析，当采样点附近的环境都存在较多硬物时，不适合对该地进行采样，因此生成采样更换信号，更换采样点，反之则有可能只是采样点存在硬物，则对采样点进行调整，选择采样点附近表面不存在硬物的区域作为推荐采样点反馈给技术人员进行确认，待技术人员确认后对推荐采样点进行土壤采样，保证采样数据的完整性。

以上所述的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体结构及特性等常识在此未作过多描述，所属领域普通技术人员知晓申请日或者优先权日之前发明所属技术领域所有的普通技术知识，能够获知该领域中所有的现有技术，并且具有应用该日期之前常规实验手段的能力，所属领域普通技术人员可以在本申请给出的启示下，结合自身能力完善并实施本方案，一些典型的公知结构或者公知方法不应当成为所属领域普通技术人员实施本申请的障碍。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。本申请要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。