CN104457843A - 导轨式设施番茄长势双位自动巡航成像检测装置及其检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种导轨式设施番茄长势双位自动巡航成像检测方法及装置，包括导轨移动平台架，所述导轨移动平台架的上端布置有移动平台面，所述导轨移动平台架的两侧分别安装有步进电机；所述移动平台面的上端面上固定有T型架，所述T形架上设有第一电控云台，第一高光谱成像仪，第二电控云台，第二高光谱成像仪，本发明采用导轨移动式的自动巡航检测平台，通过双位高光谱同步成像装置，按照设定时间依次对每株番茄的俯视位和主视位进行扫描成像，实现自主巡航监测。可以同步获取番茄植株的主视和俯视高光谱数据，信息获取量丰富，能够更全面、精确地把握番茄植株的长势信息，进行水肥管理和环境调控。

Description

导轨式设施番茄长势双位自动巡航成像检测装置及其检测方法

技术领域

本发明属于农林生命信息探测技术领域，涉及一种基于机器视觉技术检测设施作物生长信息的方法及装置，特指一种导轨式设施番茄长势双位自动巡航成像检测方法及装置。

背景技术

番茄是我国温室栽培的主要蔬菜作物之一。在设施生产过程中,番茄的长势信息是种植管理的关键信息,是生长状态评价,进行科学水肥管理和产量预估的重要依据。目前，番茄长势的检测方法研究多采用人工方法，在取样、测定、数据分析等方面需要耗费大量的人力、物力，时效性差，有些取样和测试手段还会对作物产生破坏，直接影响番茄的正常生长。无损检测技术能够在不破坏植物组织结构的基础上，利用高光谱和视觉图像等非接触的手段对作物的生长状况进行非接触监测。这种方法可以迅速、准确、自动化、非破坏性的对番茄长势状况进行监测，是实施精确农业迫切需要的高新技术。

作物长势的无损监测方面的研究主要集中在高光谱遥感和计算机视觉检测等方面。在高光谱遥感检测方面，申请号为200610097576.X的发明专利申请，公开了一种嵌入式农业植物生长状态监测仪及其工作方法，可以对作物生长的环境温湿度、茎粗、株高、土壤粘度和酸碱度进行探测；申请号为200410014648.0的发明专利申请公开了一种用于农作物生长监测及营养施肥处方生成装置和方法，该发明采用摄像机来获取作物的茎、叶、花、果、皮图像信息，利用营养成分检测仪获取农作物和土壤营养信息进行检测。在作物长势信息获取方面，光谱遥感主要通过近地或卫星遥感获取植被指数等参数，进行大面积的大田作物的长势监测，无法应用于设施环境条件下的番茄植株及各器官的长势检测；视觉图像检测方面的研究大多采用工业成像设备和普通相机获取作物生长状态信息，由于采集的仅是可见光合成图像信息，因此难以对植株长势信息进行精确的获取和分析，且获取的信息存在片面性，设施作物长势往往是茎粗、株高、特征叶长、果实形态、果实生长速率、植株生长速率等多种指标的综合表现，且在不同环境和生长阶段的表征不同，传统的视觉图像检测方法难以实现对番茄长势信息的全面综合的监测。传统的检测装置由于其自身的局限性，不能满足现代化设施规模生产过程中，对作物生长信息进行准实时精确动态监测的需要。

发明内容

本发明为了克服现有技术中的不足，提供一种采用导轨移动式的自动巡航检测平台，可以在主视和俯视两个采集位同步获取番茄植株的主视和俯视高光谱数据。 

为实现上述目的，本发明一种导轨式设施番茄长势双位自动巡航成像检测装置，包括导轨移动平台架，所述导轨移动平台架的上端布置有移动平台面，所述导轨移动平台架的两侧分别安装有步进电机，所述步进电机的输出轴上安装有齿轮，所述移动平台面的下端面上设置有齿条，所述步进电机与所述移动平台面之间通过齿轮齿条进行传动；所述移动平台面的上端面上固定有T型架，所述T形架的立柱中部设有第一电控云台，所述第一电控云台上安装有第一高光谱成像仪，所述T形架的悬臂末端设有第二电控云台，所述第二电控云台上安装有第二高光谱成像仪，所述第一电控云台、所述第二电控云台、所述第一高光谱成像仪和所述第二高光谱成像仪分别与计算机连接；所述步进电机通过平台控制器与计算机连接。

进一步地，所述T形架的材质为轻质铝合金，所述T形架固定在移动平台面的几何中心位置，所述T形架立柱高度为1.3m，所述T形架悬臂总长为1.2m。

进一步地，所述导轨移动平台架长6m、宽0.5m、高0.7m。

本发明还提供了利用导轨式设施番茄长势双位自动巡航成像检测装置进行检测的方法，包括如下步骤：

A调整T形架和第二电控云台，使俯视视场的第二高光谱成像仪的视场中心对准番茄植株的行中心位置；调整T形架和第一电控云台，使主视视场的第一高光谱成像仪的视场中心对准第一棵番茄植株主干中心位置；

B设置T形架顺序移动的间隔距离使其与株距相同，设置第一电控云台和第二电控云台的扫描速度，使第一高光谱成像仪和第二高光谱成像仪的主视和俯视扫描图像不失真；

C设置检测装置自动巡航间隔时间和启动时间；启动监测装置进行番茄植株的生长信息监测，监测装置按照设定时间，顺序到达并停靠在检测位，由第一电控云台和第二电控云台带动第一高光谱成像仪和第二高光谱成像仪依次对每株番茄的俯视位和主视位进行扫描成像，完成行程范围内的所有信息的采集并复位，本轮检测结束；

D按照设定间隔时间重复上述过程，实现自主巡航监测。

本发明的效果是：（1）本发明采用导轨移动式的自动巡航检测平台，通过双位高光谱同步扫描成像装置，可以在主视和俯视两个采集位，同步获取番茄植株的的主视和俯视高光谱数据，通过高光谱成像仪的技术优势，对同一目标以5nm的高分辨率用数百个波段连续成像，对番茄植株的颜色、纹理、形态变化等特征进行可视化分析，对植株的茎粗、株高、特征叶长、果实形态、果实生长速率、植株生长速率等生长信息进行循环采集和特征提取分析。（2）与传统的人工和视觉图像检测方法相比，不仅信息获取量更大，更丰富，而且能够更全面、精确地把握番茄植株的长势信息，同时可以实现对设施番茄生产过程信息的全程实时巡航监测，适应现代化温室生产的需要。

附图说明

图1是导轨式设施番茄长势信息双位自动巡航成像检测方法流程简图；

图2是导轨式设施番茄长势信息双位自动巡航成像检测装置结构简图；

图中：1－番茄植株     2－导轨移动平台架　3－T形架  4－第一电控云台        　　5－第一高光谱成像仪6－第二电控云台 7－第二高光谱成像仪 8－控制计算机  　 9－平台控制器   10－步进电机   11-移动平台面。

具体实施方式

下面结合附图和实施步骤对本发明进行详细的描述。

参照附图2，本发明一种导轨式设施番茄生长双位自动巡航成像检测方法利用导轨式设施番茄生长信息双位自动巡航成像检测装置实现，该装置包含导轨移动式检测平台架2、双位高光谱成像装置和控制系统。

其中导轨移动式检测平台架2上端设有移动平台面11，移动平台面11上固定T形架3。导轨移动平台架2长6m、宽0.5m、高0.7m，采用2台步进电机10同步驱动，传动采用齿轮齿条结构，其中移动平台面11的下端面固定齿条，齿条与步进电机10上的齿轮咬合，由步进电机10的齿轮驱动齿条带动移动平台面11匀速移动。T形架3采用轻质铝合金结构，固定在导轨平面几何中心位置，其立柱高度为1.3m，悬臂总长为1.2m。其中悬臂的安装臂长为0.7m，平衡臂长为0.5m，T形架3用于安装双位高光谱成像系统。双位高光谱成像系统包括第一高光谱成像仪5、第二高光谱成像仪7和第一电控云台4、第二电控云台6。其中第二电控云台6安装在T形架3悬臂的安装臂的末端，其上固定第二高光谱成像仪7，第二高光谱成像仪7处于俯视位置，用于采集番茄植株1的冠层图像；第一电控云台4安装在T形架3的立柱中部，其上安装第一高光谱成像仪5，其视场相对于检测番茄植株1处于主视位置，用于采集番茄植株1的主视图像。

其中控制系统包括平台控制器9和控制计算机8。平台控制器9通过USB总线与控制计算机8相连，其IO接口与2台步进电机10相连，由控制计算机8发出指令实现对2台步进电机10的运动同步控制；第一高光谱成像仪5和第二高光谱成像仪7通过1394总线连接至控制计算机8实现，第一电控云台4和第二电控云台6通过RS-485总线与控制计算机8相连，由控制计算机8发出指令控制电控云台和高光谱成像仪实现对番茄植株1的扫描成像。

一种导轨式设施番茄生长双位自动巡航成像检测装置的具体工作过程：

1）设置导轨式设施番茄长势信息双位自动巡航成像检测装置

①调整俯视视场的第二高光谱成像仪7，使其视场中心与植株行中心一致；调整主视视场的第一高光谱成像仪5，使其视场对准第一棵植株主干中心位置；

②在检测起始位的主视视场和俯视视场，放置已知尺寸的环形参考标尺；

③设置检测平台间隔移动距离使其与株距相同，设置云台扫描速度，保证图像不失真；

④设置检测平台自动巡航间隔时间和启动时间；

2）启动导轨式双位自动巡航成像检测装置，进行自动巡航扫描成像

检测装置按照设定时间，顺序到达并停靠在检测位，由两电控云台带动高光谱成像仪依次对每株番茄的俯视位和主视位进行扫描成像，完成行程范围内的所有信息的采集并复位。之后按照设定间隔时间重复上述过程，实现自主巡航监测。

3）对设施番茄的长势特征参数进行提取和量化描述。

①利用获取的番茄俯视和主视高光谱图像数据立方体，提取包含作物长势信息的高光谱图像的最优波长，获取作物长势的特征图像。

②对俯视视场的特征图像进行处理，提取冠幅和冠层面积等特征参数。

③对主视视场的特征图像进行处理，提取茎粗、株高、果实直径等特征参数。

④对起始位的主视和俯视视场的参考标尺进行提取和参数计算，得到实际尺寸与目标特征参数的换算关系。

⑤对作物长势信息进行量化描述输出。

Claims (4)

1.一种导轨式设施番茄长势双位自动巡航成像检测装置，其特征在于，包括导轨移动平台架(2)，所述导轨移动平台架(2)的上端布置有移动平台面(11)，所述导轨移动平台架(2)的两侧分别安装有步进电机(10)，所述步进电机(10)的输出轴上安装有齿轮，所述移动平台面(11)的下端面上设置有齿条，所述步进电机(10)与所述移动平台面(11)之间通过齿轮齿条进行传动；所述移动平台面(11)的上端面上固定有T型架(3)，所述T形架的立柱中部设有第一电控云台(4)，所述第一电控云台(4)上安装有第一高光谱成像仪(5)，所述T形架的悬臂末端设有第二电控云台(6)，所述第二电控云台(6)上安装有第二高光谱成像仪(7)，所述第一电控云台(4)、所述第二电控云台(6)、所述第一高光谱成像仪(5)和所述第二高光谱成像仪(7)分别与计算机(8)连接；所述步进电机(10)通过平台控制器(9)与计算机(8)连接。

2.根据权利要求1所述的一种导轨式设施番茄长势双位自动巡航成像检测装置，其特征在于，所述T形架(3)的材质为轻质铝合金，所述T形架(3)固定在移动平台面(11)的几何中心位置，所述T形架立柱高度为1.3m，所述T形架悬臂总长为1.2m。

3.根据权利要求2所述的一种导轨式设施番茄长势双位自动巡航成像检测装置，其特征在于，所述导轨移动平台架2长6m、宽0.5m、高0.7m。

4.利用导轨式设施番茄长势双位自动巡航成像检测装置进行检测的方法，包括如下步骤：

A调整T形架(3)和第二电控云台(6)，使俯视视场的第二高光谱成像仪(7)的视场中心对准番茄植株(1)的行中心位置；调整T形架(3)和第一电控云台(4)，使主视视场的第一高光谱成像仪(5)的视场中心对准第一棵番茄植株主干中心位置；

B设置T形架(3)顺序移动的间隔距离使其与株距相同，设置第一电控云台(4)和第二电控云台(6)的扫描速度，使第一高光谱成像仪(5)和第二高光谱成像仪(7)的主视和俯视扫描图像不失真；

C设置检测装置自动巡航间隔时间和启动时间；启动监测装置进行番茄植株(10)的生长信息监测，监测装置按照设定时间，顺序到达并停靠在检测位，由第一电控云台(4)和第二电控云台(6)带动第一高光谱成像仪(5)和第二高光谱成像仪(7)依次对每株番茄的俯视位和主视位进行扫描成像，完成行程范围内的所有信息的采集并复位，本轮检测结束；

D按照设定间隔时间重复上述过程，实现自主巡航监测。