CN103454279B - 一种原位扫描装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种原位扫描装置。该原位扫描装置包括扫描装置主体和连接杆，其中，扫描装置主体包括导向部、扫描部。原位扫描装置还包括设置在原位扫描装置主体中的控制系统，该控制系统包括：中央处理器，用于控制系统中的数据处理及各部件的控制；电机驱动模块，该电机驱动模块以与所需要的分辨率相对应的转速驱动电机。此外，该控制系统还包括：线阵感光传感器、线阵数据缓存、面阵数据缓存和时序控制模块。通过本发明的原位扫描装置，可以持续获取各种需要测量对象的圆筒形内壁的图案数据，初步处理、存储并与其他终端交换数据，从而实现田间野外环境下在土壤中原位对植物根系进行扫描测量，也可以用于泥沼、岩土、土壤、地质等研究。

Description

一种原位扫描装置

技术领域

本发明涉及图像数据采集领域，具体涉及一种原位扫描装置。

背景技术

越来越多的领域需要用到原位扫描装置，例如，土壤分析、岩土分析、地质考古、深层泥沼分析、植物根系研究等。尤其是植物根系的研究。植物根系对固定植株和获得水分和养分起重要作用，但是土壤不可观测性的限制，给根系生态学的研究带来一定的困难。因此，找到原位观察根系生长的方法对研究根系生态学就显得尤为重要。目前植物根系原位扫描技术被认为是研究根系生态学最有前途的方法。

但是，目前常用根系研究方法是洗根法，将根系从土壤中挖出来洗净后用扫描仪进行扫描测量。此方法在挖掘、洗根的过程中会造成根系位置的变化，结构的损伤和断裂。并且挖出植物根系后植物就会死亡，该方法不能连续测量。

中国发明专利申请号201210231267.2公开了一种土壤栽培条件下采用植物生长室的方法测定植物的根系。该方法以放射状透明容器为盆栽生长容器，每个分室间隔一定距离，然后通过相机将根系图像拍摄下来后用图片分析软件统计根系特征。该方法的缺点也在于不是在土壤中原位进行测量，植物根系生长被人为局限在一个非常狭窄空间中，不能真实反映出植物根系的生长状态。

文献期刊《生态学报》中论文《微根窗技术及其在植物根系研究中的应用》提及了一种利用照相机连接控制盒和电脑拍摄地下根系的方法，但该方法必须连接电脑使用，不能适用于田间环境。另外在非常短的距离内拍摄图像会有严重的鱼眼效益，导致图像变形失真严重，致使获得的数据不准确。

美国CID Bio-Science,Inc公司生产的CI-600（http://www.cid-inc.com/cn/root-image/ci-600.php）植物根系原位扫描装置由于机械结构的原因不能完成完整的360度扫描，只能扫描到355度。因为在CI-600的扫描结构中有一标记起始点和终止点的标记杆，旋转机构从此杆的位置开始扫描，当扫描接近一周后接近开关抵达此标记杆而停止扫描，之后旋转机构再反向旋转扫描，总之始终只能扫描355度的图像，不能实现完整的一周扫描。CI-600的电路设计没有考虑田间野外使用的环境要求，使用时必须连接电脑进行工作，没有电池供电，没有文件存储功能，致使操作者在野外必须携带笔记本工作，而笔记本的电池除了给笔记本供电以外还有为设备供电，实际工作时间非常短，完全不能满足野外使用的要求。CI-600旋转部件和固定部件之间有较大的缝隙，灰尘、土粒非常容易进入从而导致不能工作和寿命缩短。

在松软泥沼中对各层泥土取样进行研究往往也是有缺陷的，需要对各层泥沼中分布的沉积物进行研究，以考察沉积年限、沉积过程，则需要沉积物保持在原位进行扫描。打孔之后，泥土也会灌入孔中无法考察。有效的方法是插入透明管到泥沼中，形成圆筒状，对泥沼的圆筒内壁即透明管的外壁进行图像采集。对于需要原位考察的土壤研究、地壳考古，获取原位图像数据也是非常重要的。为了能够获取原位图像数据，需要一种能够在原位进行数据采集的设置。

为此，本发明提出一种原位扫描装置，可用于在田间野外环境下在土壤中原位对植物根系进行扫描测量，也可以用于泥沼、岩土、土壤、地质等研究。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种原位扫描装置，能够持续获取各种需要测量对象的圆筒形内壁的图案数据，初步处理、存储并与其他终端交换数据。

为解决上述技术问题，本发明提供一种原位扫描装置，其包括扫描装置主体和连接杆，所述扫描装置主体包括：

导向部，包括前导向部和后导向部，用于在向透明管中放置所述扫描装置主体或从所述透明管中取出所述扫描装置主体时引导所述扫描装置主体；

扫描部，用于相对于所述导向部绕轴向转动，对所述透明管外壁进行扫描并采集数据；

所述扫描部或所述导向部中设置有电机，该电机用于驱动所述扫描部相对于所述导向部转动；

所述连接杆与所述扫描装置主体相连接，并在所述扫描装置主体进出所述透明管时牵引所述扫描装置主体；

其特征在于，所述原位扫描装置还包括设置在所述原位扫描装置主体中的控制系统，该控制系统包括：中央处理器，用于所述控制系统中的数据处理及各部件的控制；电机驱动模块，该电机驱动模块以与所需要的分辨率相对应的转速驱动所述电机。

进一步，提供如上所述的原位扫描装置，其特征在于，所述控制系统设置有通信模块，该通信模块用于通过有线或无线方式与外部终端实现数据交换。

进一步，提供如上所述的原位扫描装置，其特征在于，所述控制系统设置有存储单元或存储单元接口。

进一步，提供如上所述的原位扫描装置，其特征在于，所述控制系统设置有电源模块，该电源模块用于管理和控制所述原位扫描装置中各部件的休眠、启动和节电运行，该电源模块包括用于供电的可充电电池。

进一步，提供如上所述的原位扫描装置，其特征在于，所述控制系统设置有液晶显示模块，所述扫描部侧面设置有与该液晶显示模块位置相对应的显示窗口。

进一步，提供如上所述的原位扫描装置，其特征在于，所述原位扫描装置还包括控制手柄，其用于与所述控制系统以无线或有线方式进行连接，并实现控制。

进一步，提供如上所述的原位扫描装置，其特征在于，所述前导向部和所述后导向部与所述扫描部之间的接合处设置有防尘结构。

进一步，提供如上所述的原位扫描装置，其特征在于，所述控制系统还包括多个功能按钮，其设置在所述扫描部的侧面上，用于设置所述控制系统的参数。

进一步，提供如上所述的原位扫描装置，其特征在于，所述控制系统还包括多个状态指示灯，用于显示所述控制系统中各部件的运行状态。

进一步，提供如上所述的原位扫描装置，其特征在于，所述前导向部和所述后导向部上设置有导向轮。

本发明内置了存储单元，可以将扫描的图像或文件永久存储在装置内，使得本发明能够完全脱离电脑的束缚，解放操作者的双手，减轻出行负重和劳动强度。可在扫描装置中内置可充电电池，也可在控制手柄中内置大容量电池，并且手柄中电池用尽后还可以方便快捷的更换手柄，以保证操作者能长时间连续使用。

本发明是全新的结构设计，完全避免了此类问题的出现，可以连续进行360度扫描，设置是任意角度的扫描，没有死角盲区。

本发明特有的防尘设计能有效减少灰尘和土粒进入装置的数量，保证装置的正常稳定的长时间工作，延长了装置的寿命。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明可以对田间植物的根系进行原位扫描，测量数据就是田间土壤中的原位根系数据，相对CI-600根系扫描装置能够真正获得360度完整的扫描数据，没有盲区。

本发明在机械结构上有防尘设计，可以有效减少在野外工作时灰尘土粒的进入。

本发明的操作不需要外接电脑，可以直接通过控制手柄操作，扫描的图像或文件直接存储在本装置中，非常适合野外现场测量。

本发明测量的数据可以通过无线传输到台式机、笔记本、智能手机、掌上电脑、嵌入式系统等，方便野外操作，可以连接的设备众多，并且可以实现多个设备同时连接和通信。

本发明有电源管理模块，合理省电，外置电池，可以通过方便快捷的更换控制手柄的方式保证野外工作的长期性。

附图说明

本发明的上述的以及其它的特征、性质和优势将通过下面结合附图和实施例的描述而变得更加明显，其中：

图1为本发明的一个实施方式的原位扫描装置的结构示意图；

图2为本发明的一个实施方式的原位扫描装置的功能模块结构示意图；

图3为本发明的一个实施方式的原位扫描装置的控制手柄示意图；

图4是根据本发明的一个实施方式的原位扫描装置的局部结构示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例和附图对本发明作进一步说明，在以下的描述中阐述了更多的细节以便于充分理解本发明，但是本发明显然能够以多种不同于此描述地其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下根据实际应用情况作类似推广、演绎，因此不应以此具体实施例的内容限制本发明的保护范围。

图1为本发明的一个实施方式的原位扫描装置的结构示意图。其中，原位扫描装置包括扫描装置主体和连接杆108，扫描装置主体包括：导向部，包括前导向部102A和后导向部102B，用于在向透明管中放置扫描装置主体或从透明管中取出扫描装置主体时引导扫描装置主体；扫描部100，用于相对于导向部绕轴向转动，对透明管外壁进行扫描并采集数据；扫描部100或导向部中设置有电机，该电机用于驱动扫描部相对于导向部转动；连接杆108与扫描装置主体相连接，并在扫描装置主体进出透明管时牵引扫描装置主体。

如图2所示，在本发明的一个实施方式中，原位扫描装置还可以包括设置在原位扫描装置主体中的控制系统，该控制系统包括：中央处理器201，用于该控制系统中的数据处理及各部件的控制；电机驱动模块208，该电机驱动模块以与所需要的分辨率相对应的转速驱动电机。通常，需要高分辨率时，可以使电机低速转动，以使得扫描装置获取高分辨率图像数据；如果需要快速获取低分辨率图像数据时，可以使电机以高速转动。

根据本发明的另一个实施方式，其中，控制系统中可以设置有通信模块。如图2所示，通信模块可以包括线通信模块210和无线通信模块211。

其中，有线通信模块210包括但不限于USB、RS232串口、RS485串口、RS242串口、并口、I2C、CAN、网口等多种组合或其中一种通过线缆传输数据的结构。

无线通信模块211包括但不限于RF射频、蓝牙、WIFI、红外等多种组合或其中一种通过无线传输数据的结构。

根据本发明的另一个实施方式，其中，控制系统中可以设置有存储单元或存储接口205。存储单元包括但不限于各种闪存、SD卡、TF卡、SSD盘等。

根据本发明的另一个实施方式，其中，控制系统可以设置有电源模块207，该电源模块用于管理和控制原位扫描装置中各部件的休眠、启动和节电运行，该电源模块中可以设置有用于供电的可充电电池。

根据本发明的另一个实施方式，其中，控制系统可以设置有液晶显示模块212，扫描部100侧面设置有与该液晶显示模块位置相对应的显示窗口105，参考图1和图2。

图3是根据本发明的另一个实施方式的原位扫描装置的控制手柄。在该实施方式中，原位扫描装置还可以包括控制手柄315，其用于与控制系统以无线或有线方式进行连接，并实现控制。控制手柄315上可以设置有数据传输开关316和开始/停止扫描开关317。数据传输开关316用于控制扫描装置主体上的控制系统与其他终端之间的数据传输。例如，通过通信模块与电脑进行通信，实现扫描的数据图像从控制系统的存储单元或存储接口上插放的存储卡上传至电脑中进行浏览和后续处理。还可通过无线通信模块与其他有无线传输功能的设备进行通信，实现扫描的数据图像从系统的存储单元或存储接口上插放的存储卡上传至电脑、笔记本、掌上设备、智能手机或嵌入式系统中进行浏览和处理。开始/停止扫描开关317用于启动或停止扫描装置。

根据本发明的另一实施方式，在前导向部和后导向部与扫描部之间的接合处设置有防尘结构104A、104B。防尘结构可以是设置为间隙较小的弯道结构的前防尘槽104A和后防尘槽104B，该结构减小了两个有相对运动物体之间的间隙，增长了空气、灰尘、土粒进入装置内部需要经过的距离，从而大幅降低灰尘和土粒进入装置的概率。

根据本发明的另一实施方式，其中，控制系统还可以包括多个功能按钮208、107，其设置在扫描部100的侧面上，可用于设置控制系统的参数。

根据本发明的另一实施方式，其中，控制系统还可以包括多个状态指示灯，用于显示控制系统中各部件的运行状态。

根据本发明的另一实施方式，其中，前导向部102A和后导向部102B上设置有导向轮103，用于协助主机原位测量时在根管中平滑的进出。

根据本发明的原位扫描装置，其中，控制系统还可以包括：线阵感光传感器202、数据缓存（可以包括线阵数据缓存203和面阵数据缓存204）、时序控制模块206。

如图1所示，扫描部100为原位扫描装置的重要部件，上面带有线阵感光传感器101、有线传输接口106、显示屏105、按钮107。

如图2所示，中央处理器201是整个系统的核心，负责将面阵数据缓存204中的原始图像数据生成图像文件（格式包括但不限于JPG、PNG、GIF、TIF）和格式文件（包括但不限于PDF、DOC、DOCX、RAW）。将这些文件存入内置或外置的存储单元中。通过电源模块207管理和控制原位扫描装置中各部件的休眠、启动和节电运行。接收用户的控制按钮209、316、317、107的动作来设置系统的参数和控制系统的工作。通过电机驱动模块208让电机以与需要的分辨率相对应的速度匀速旋转，即可以通过控制旋转速度来适应不同的分辨率。还可以通过中央处理器201控制液晶显示屏212的显示，显示系统的工作状态、剩余电池电量、已经存储的图像数量、图像扫描质量信息、存储的文件格式等信息。通过中央处理器201控制状态指示灯213的亮灭提示系统的工作状态。

线阵感光传感器202是由很多微小感光点紧密排列为一条直线的传感器，每个感光点间距大约28μm。每个感光点前面都有一个微型透镜，能将距离10mm光强收集聚焦到感光点上。感光点的核心元件是MOS电容，将光子转化为电子，经过时序控制模块206将电子转化为电流串行存储到线阵数据缓存203中，这样扫描到的一行图像数据便被临时记录下来，时序控制模块206给电机驱动模块208运动时钟信号，让电机旋转一个角度后，再控制线阵感光传感器202进行下一行数据的扫描。这样周而复始，系统便能扫描完一整圈360度的根系图像，或为了防止旋转机构中的齿轮间隙进行超过360度范围的根系图像扫描；扫描角度不限于360度，可以由中央处理器任意设置。

图4是根据本发明的一个实施方式的原位扫描装置的局部结构示意图。扫描部100中可以设置有电机413，其中，电机413外壳412与扫描部100固定，电机转子414与导向部102A或102B固定。当电机驱动模块108给电机413输出电信号时电机转子414相对电机413转动，而导向部件与透明管管壁是固定的，使得扫描部100绕轴向旋转扫描。不同于CI-600，本发明在设计上没有起始和终止点，可以在任意位置开始和停止扫描，起始点和终止点由中央处理器201通过时序控制模块206精确控制，不存在像CI-600有标记杆之类致使不能旋转整周的阻挡物。

线阵数据缓存203的作用是将线阵感光传感器202扫描的一行图像数据临时记录下来，因为线阵感光传感器202只能实现将光信号转化为电信号的功能，再次扫描时会将原来的信号完全覆盖，不能将这种电信号记录下来。线阵数据缓存203的特点是数据存储速度快，但成本高，空间小，因此只用来将线阵感光传感器202的数据进行快速临时缓存。当线阵数据缓存203中的每收集到完整的一行图像数据便在时序控制模块206的时序控制下将这一行图像数据提交给面阵数据缓存204中进行存储，数据提交完成后便释放此段空间以便存储新的来自线阵感光传感器202的图像数据。

面阵数据缓存204的作用是将来自线阵数据缓存203中的临时数据进行较长一段时间的存储。其特点是读写速度适中，空间较大，成本适中。面阵数据缓存204接收到线阵数据缓存203提交的完整的一行图像数据后便按提交的先后顺序连续存储起来，系统没扫描完一个角度，面阵数据缓存204中增加一行新的数据，这样当扫描完成后，面阵数据缓存204中便记录下了所有原始数据，但这种数据也是临时数据，系统关机断电后数据便消失了，不能永久存储下来。另外这种数据是图像的原始数据，不是通用图像格式，不能被图像软件识别和分析，并且这种原始数据过于庞大，不便于存储和传输。因此当扫描工作完成后面阵数据缓存204便将整幅图像数据提交给中央处理器201，中央处理器201将原始的图像数据转化为标准的图像文件或格式文件，这样存储空间会小很多，并且可以被纵多图像软件或其他专用软件识别浏览和处理。

存储单元或接口205的作用是将处理完成的图像文件或格式文件存储起来，以便上传到电脑或其他终端设备上。其特点是容量非常大，成本较低，即使断电后文件也不会丢失。

时序控制模块206的作用是为线阵感光传感器202和电机驱动模块208提供时钟信息，让其按设定的频率采集图像信号和旋转。

电源模块207的作用是管理和控制所述原位扫描装置中各部件的休眠、启动和节电运行，将输入的电压进行稳压和滤波后提供给系统各个元件，并且还可以包括可充电电池。另外，还可以接收中央处理器201的控制休眠或自动关机信号，当系统开机但没有进行扫描时，电源模块207不会开启照明光源和电机，保存系统功耗在一个比较低的水平上，当系统在一定时间内没有任何操作时，中央处理器201会通知电源模块207让其断电，实现系统自动关机的目的。

根据本发明的原位扫描装置可设置无线通信模块，通过无线连接，方便野外操作，可以连接的设备众多，并且可以实现一对一或多个设备同时连接和通信；或者无线通信模块211与具有通信协议转换功能的设备连接后，实现上述功能。

液晶显示屏212的作用是将系统的参数显示出来，方便操作者观察其状态。显示的内容包括扫描图像的分辨率、已经存储图像的数量、通信状态等信息。

控制按钮209的作用是让操作者控制系统的工作，可以控制其开始/停止扫描，设定扫描的分辨率，开启/关闭无线功能等。

状态指示灯213的作用是将系统的实时状态以最为显著的方式提醒操作者，例如系统是否正在扫描中，无线功能是否已经被开启等。

扫描部100带有参数设置按钮107，方便进行测量参数的设置。

扫描部件100与带有刻度的连接杆108连接时，可用于确定扫描部100在透明筒中的位置深度。

扫描部100与控制手柄315通过控制线109或无线连接，使操作者能通过控制手柄215控制装置开始或停止扫描，或开启/关闭无线通信功能。

在使用本发明的原位扫描装置时，可以在被观测植物周围或者土壤或岩土或其他需要研究的对象中，用土钻打孔，埋入底部封闭的透明管，将连接杆108、控制线109与后导向部102B相连，将装置放入透明管中。按下开始/停止扫描开关317，扫描部件100开始做圆周扫描，扫描完成后可以通过连接杆108变换装置放入的深度再次进行扫描。扫描完成后按下无线传输开关316，通过诸如手机、电脑或其他终端接收扫描的图片或文件。完成测量工作后将装置从根管中取出，卸下连接杆108和控制线109即可。

本发明虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何修改、等同变化及修饰，均落入本发明权利要求所界定的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种原位扫描装置，其包括扫描装置主体和连接杆，所述扫描装置主体包括：

导向部，包括前导向部和后导向部，用于在向透明管中放置所述扫描装置主体或从所述透明管中取出所述扫描装置主体时引导所述扫描装置主体；

扫描部，用于相对于所述导向部绕轴向转动，对所述透明管外壁进行扫描并采集数据；

所述扫描部或所述导向部中设置有电机，该电机用于驱动所述扫描部相对于所述导向部转动；

所述连接杆与所述扫描装置主体相连接，并在所述扫描装置主体进出所述透明管时牵引所述扫描装置主体；

其特征在于，所述原位扫描装置还包括设置在所述原位扫描装置主体中的控制系统，该控制系统包括：中央处理器，用于所述控制系统中的数据处理及各部件的控制；电机驱动模块，该电机驱动模块以与所需要的分辨率相对应的转速驱动所述电机；

此外，该控制系统还包括：线阵感光传感器，用于扫描图像数据；线阵数据缓存，用于将线阵感光传感器扫描的一行图像数据临时记录下来；面阵数据缓存，用于将来自线阵数据缓存中的临时数据进行较长一段时间的存储；时序控制模块，用于为线阵感光传感器和电机驱动模块提供时钟信息，让其按设定的频率采集图像信号和旋转。

2.如权利要求1所述的原位扫描装置，其特征在于，所述控制系统设置有通信模块，该通信模块用于通过有线或无线方式与外部终端实现数据交换。

3.如权利要求1所述的原位扫描装置，其特征在于，所述控制系统设置有存储单元或存储单元接口。

4.如权利要求1至3任何一项所述的原位扫描装置，其特征在于，所述控制系统设置有电源模块，该电源模块用于管理和控制所述原位扫描装置中各部件的休眠、启动和节电运行，该电源模块包括用于供电的可充电电池。

5.如权利要求4所述的原位扫描装置，其特征在于，所述控制系统设置有液晶显示模块，所述扫描部侧面设置有与该液晶显示模块位置相对应的显示窗口。

6.如权利要求5所述的原位扫描装置，其特征在于，所述原位扫描装置还包括控制手柄，其用于与所述控制系统以无线或有线方式进行连接，并实现控制。

7.如权利要求6所述的原位扫描装置，其特征在于，所述前导向部和所述后导向部与所述扫描部之间的接合处设置有防尘结构。

8.如权利要求7所述的原位扫描装置，其特征在于，所述控制系统还包括多个功能按钮，其设置在所述扫描部的侧面上，用于设置所述控制系统的参数。

9.如权利要求8所述的原位扫描装置，其特征在于，所述控制系统还包括多个状态指示灯，用于显示所述控制系统中各部件的运行状态。

10.如权利要求9所述的原位扫描装置，其特征在于，所述前导向部和所述后导向部上设置有导向轮。