CN104655014A - 一种农作物冠层结构信息自动测量装置与测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种农作物冠层结构信息自动测量装置及测量方法，该装置包括：第一支撑杆，供电与数据处理模块、推杆、转盘、第一图像传感器、第二图像传感器和太阳辐射传感器；供电与数据处理模块设置在第一支撑杆的下部；推杆位于第一支撑杆上并且可以沿着第一支撑杆上下移动；转盘设置在第一支撑杆上，并位于推杆上方，转盘可以随着推杆上下移动，并且可以绕着第一支撑杆转动；第一图像传感器和第二图像传感器设置在转盘上；太阳辐射传感器设置在从转盘向上延伸的第二支撑杆上。本发明的装置能够在田间野外光照条件下，自动连续获取农作物冠层内部信息，并且能够实现数据远程采集，以及远程访问。

Description

一种农作物冠层结构信息自动测量装置与测量方法

技术领域

本发明涉及农业器械领域，具体地，涉及一种农作物冠层结构信息自动测量装置与测量方法。

背景技术

农作物冠层是与外界环境相互作用最直接、最活跃的界面层，对生态系统物质能量交换，生物多样性，气候变化等具有重要影响(太阳辐射截获，风速、空气温湿度、土壤蒸发量、土壤温度等)。对农作物冠层内部信息的研究是理解作物系统生态格局、生理生化运作机制的重要基础。

在已经公开的专利中，申请号：201410252049.6公开了“一种获取植被冠层结构参数的自动测量装置”，通过低成本成像系统从冠层外部获取多时刻冠层阴影比，计算冠层叶面积指数(LAI)和平均叶倾角(ALA)。该装置从冠层外部进行量测，由于冠层外部被植株叶片遮挡覆盖，无法获取冠层中植株的高度、茎粗、株幅值、叶幅值等内部信息。

专利CN101916438A."半球摄影法获取水稻冠层叶面积指数和平均叶倾角的方法"利用半球图像，在冠层内部同时获取这两个结构参数。该方法基于图像处理的冠层结构获取，容易受野外光线变化的影响，为保证测量精度，图像获取时间选择没有阳光直射的早上或傍晚，这增加了应用条件限制。

发明内容

本发明针对上述情况，提供一种农作物冠层结构信息自动测量装置与测量方法，能够在田间野外光照条件下，自动连续获取农作物冠层内部信息，并且能够实现数据远程采集，以及远程访问。

根据本发明的一个方面，提供一种农作物冠层结构信息自动测量装置，其特征在于，所述装置包括：第一支撑杆，供电与数据处理模块、推杆、转盘、第一图像传感器、第二图像传感器和太阳辐射传感器；

其中，所述供电与数据处理模块设置在所述第一支撑杆的下部，用于为所述推杆、第一图像传感器、第二图像传感器和太阳辐射传感器供电并进行控制，并采集所述推杆的位置信息以及所述第一图像传感器、第二图像传感器和太阳辐射传感器的数据并进行数据处理；所述推杆位于所述第一支撑杆上并且可以沿着所述第一支撑杆上下移动；所述转盘设置在所述第一支撑杆上，并位于所述推杆上方，所述转盘可以随着所述推杆上下移动，并且可以绕着所述第一支撑杆转动；所述第一图像传感器和第二图像传感器设置在所述转盘上，并且所述第一图像传感器用于采集水平方向的图像，所述第二图像传感器用于采集竖直方向的图像；所述太阳辐射传感器设置在从所述转盘向上延伸的第二支撑杆上。

其中，所述装置还包括第三支撑杆，所述第三支撑杆固定在所述第一支撑杆的下部，并且向下延伸超过所述第一支撑杆的底部。

其中，所述第三支撑杆的向下延伸的一端的底部为锥形或楔形。

其中，所述第一支撑杆、第二支撑杆和上述转盘为中空结构。

其中，所述太阳辐射传感器、第一图像传感器和第二图像传感器的电源线和控制线通过所述第二支撑杆、转盘以及所述第一支撑杆的中空区域连接到所述供电和数据处理模块。

其中，所述太阳辐射传感器、第一图像传感器和第二图像传感器以有线的方式将数据传输到所述供电与数据处理模块，并且所述太阳辐射传感器、第一图像传感器和第二图像传感器的数据传输线通过所述第二支撑杆、转盘以及所述第一支撑杆的中空区域连接到所述供电和数据处理模块。

其中，所述太阳辐射传感器、第一图像传感器和第二图像传感器以无线传输的方式将数据传输到所述供电与数据处理模块。

其中，所述装置还包括查询终端，所述查询终端与所述供电与数据处理模块通过无线网路通信，以查询所述供电与数据处理模块中的数据。

其中，所述太阳辐射传感器包括用于测量总辐射值的第一太阳辐射传感器和用于测量散射辐射值的第二太阳辐射传感器，所述第一太阳辐射传感器朝向天空放置，所述第二太阳辐射传感器朝向地面放置。

根据本发明的另一个方面，提供一种使用上述测量装置进行农作物冠层结构信息测量的方法，所述方法包括：

S1，根据设定的高度，调节所述推杆，将所述转盘设置在预定的位置；

S2，通过太阳辐射传感器采集的总辐射值和散射辐射值计算所述第一图像传感器的曝光时间和第二图像传感器的曝光时间；

S3，根据所述曝光时间设定所述第一图像传感器和第二图像传感器的参数，并采集所述第一图像传感器和第二图像传感器的数据；

S4、以预设的角度转动所述转盘，并分别采集在每个转动角度后的所述第一图像传感器和第二图像传感器的数据；

S5、从所述第一图像传感器中获取的数据计算所述植株的株高、茎粗、株幅值、叶片长、叶片宽，从所述第二图像传感器中获取的数据计算所述冠层生物量、叶面积指数、平均叶倾角、平均方位角。

本发明所述农作物冠层结构信息自动测量装置与测量方法，能够在田间野外光照条件下，自动连续获取农作物冠层内部信息，并且能够实现数据远程采集以及远程访问。同时可以自动化连续监测农作物冠层信息，并且根据太阳辐射传感器的值对曝光时间进行调整，能够适应农田环境下光线的剧烈变化，实现冠层结构信息的准确计算。

附图说明

通过参考附图会更加清楚的理解本发明的特征和优点，附图是示意性的而不应理解为对本发明进行任何限制，在附图中：

图1示出了本发明的一种农作物冠层结构信息自动测量装置的结构示意图。

图2示出了本发明的一种农作物冠层结构信息自动测量方法的流程图。

图3示出了本发明实施例的计算植株高度的过程示意图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的实施例进行详细描述。

图1示出了本发明的一种农作物冠层结构信息自动测量装置的结构示意图。

参照图1，本发明实施例的一种农作物冠层结构信息自动测量装置，具体包括：第一支撑杆1，供电与数据处理模块3、推杆4、转盘5、第一图像传感器6、第二图像传感器7和太阳辐射传感器8。

在上述结构中，第一支撑杆起到连接和支撑整个装置其他结构的作用，为了便于移动，第一支撑杆1采用轻质刚性材料制成，并根据测量植株的类型，第一支撑杆1设计成可以伸缩的结构，从而可以调节第一支撑杆1的长度，在一个实施例中，第一支撑杆1可以是长25cm,直径2cm，壁厚0.3cm的空心圆管。

在另一个实施例中，为了增加装置的稳定性，在第一支撑杆1的下部连接一个第三支撑杆2，第三支撑杆可以设置成实心管材，在于第一支撑杆1连接后向下折弯，并且其下端设置成圆锥形或楔形等端部尖锐的结构，以便于在固定装置时将下端插入到土壤中，增加装置整体直立时的稳定性。

供电与数据处理模块3设置在第一支撑杆1的下部，用于为推杆4、第一图像传感器6、第二图像传感器7和太阳辐射传感器8供电并进行控制，并采集推杆4的位置信息以及第一图像传感器6、第二图像传感器7和太阳辐射传感器8的数据并进行数据处理。

一个实施例中，在供电与数据处理模块3中，供电单元为输出电压为5V，容量为50000mAh的锂电池组，数据处理单元为能够运行linux操作系统的嵌入式硬件，硬件参数为CPU 700MHz，内存512M，4个USB2.0接口，microSD存储，10/100M以太网接口，40个GPIO接口。并且通过USB接口连接第一图像传感器6、第二图像传感器7和太阳辐射传感器7。

推杆4位于第一支撑杆1上并且可以沿着第一支撑杆1上下移动；转盘5设置在第一支撑杆1上，并位于推杆4上方，5转盘可以随着推杆4上下移动，并且可以绕着第一支撑杆1转动。

推杆4和转盘5可以通过供电与数据处理模块的GPIO发送的脉冲信号控制推拉和旋转。推杆4可以是液压推杆或是其他类型的推杆，如推杆4为液压推杆时，由电机驱动，行程20cm，速度5cm/s，最大推力200N。

转盘5直径可以根据具体情况设置，如设置为15cm，在转盘的中间安装电机，供电和数据处理模块3通过GPIO驱动电机旋转，带动转盘5绕着第一支撑杆1转动。

第一图像传感器6和第二图像传感器7设置在转盘5上，并且第一图像传感器6用于采集水平方向的图像，第二图像传感器7用于采集竖直方向的图像。

在一个实施例中，第一图像传感器6分辨率为1600×1200，帧速60FPS，镜头焦距24mm,usb2.0接口，水平安装在转盘上，用以拍摄冠层内部水平方向的图像。

第二图像传感器7分辨率2592×1944，帧速30FPS，镜头焦距8mm,usb2.0接口，垂直安装在转盘上，用以拍摄冠层内部垂直方向的图像。

太阳辐射传感器8设置在从转盘5向上延伸的第二支撑杆上，并且太阳辐射传感器8的位置比转盘5的位置高2米，以防冠层植株叶片遮挡光线引起测量误差。

太阳辐射传感器8的灵敏度为7～12μV/w.m^-2，响应时间≤15秒，精确度在±1.5％之间，温度漂移在±2％之间，测试范围：0～2000W/m²。

太阳辐射传感器8包括用于测量总辐射值R_s的第一太阳辐射传感器和用于测量散射辐射值R_b的第二太阳辐射传感器，第一太阳辐射传感器朝向天空放置，第二太阳辐射传感器朝向地面放置。

在上述装置中，太阳辐射传感器8、第一图像传感器6和第二图像传感器7的电源线和控制线通过第二支撑杆、转盘5以及第一支撑杆1的中空区域连接述供电和数据处理模块3。并且当太阳辐射传感器、第一图像传感器和第二图像传感器以有线的方式将数据传输到所述供电与数据处理模块时，传输线同样通过中空区域连接。

另外，也可以设置成太阳辐射传感器8、第一图像传感器6和第二图像传感器7以无线传输的方式将数据传输到供电与数据处理模块3。

在另一个实施例中，所述装置还包括查询终端，查询终端与供电与数据处理模块3通过无线网路通信，以查询所述供电与数据处理模块中的数据。查询终端也可以将供电与数据处理模块中的数据进行存储，并进行进一步的分析处理。

另外，在另一个实施例中，查询终端可以将控制指令传输到供电与数据处理模块3，然后传输到对应的每个设备(如推杆、转盘、第一、第二图像传感器、太阳辐射传感器等)进行对应的控制，从而实现了远程控制的目的。

在本发明的另一个实施例中，提供一种农作物冠层结构信息测量方法。

图2示出了本发明的一种农作物冠层结构信息自动测量方法的流程图。

参照图2，本发明的实施例的农作物冠层结构信息测量方法，具体步骤如下：

S1，根据设定的高度，调节所述推杆，将所述转盘设置在预定的位置；

S2，通过太阳辐射传感器采集的总辐射值和散射辐射值计算所述第一图像传感器的曝光时间和第二图像传感器的曝光时间；

S3，根据所述曝光时间设定所述第一图像传感器和第二图像传感器的参数，并采集所述第一图像传感器和第二图像传感器的数据；

S4、以预设的角度转动所述转盘，并分别采集在每个转动角度后的所述第一图像传感器和第二图像传感器的数据；

S5、从所述第一图像传感器中获取的数据计算所述植株的株高、茎粗、株幅值、叶片长、叶片宽，从所述第二图像传感器中获取的数据计算所述冠层生物量、叶面积指数、平均叶倾角、平均方位角。

在上述过程中，步骤S2具体为：

通过采集的总辐射值R_s和散射辐射值R_b计算直接辐射值，其具体计算公式为：

R_d＝R_s-R_b，

然后根据R_d的值计算第一图像传感器和第二图像传感器的曝光时间，其计算公式为：

$T_e=e^{R_d-R_{d\_\max }}{T}_{e\_\max };$

其中，T_e为图像传感器的曝光时间，e为自然对数的底数，R_d为直接辐射值，R_{d_max}为测量点所处地理位置的最大直接辐射值(常数，可由历年数据获得)，T_{e_max}为图像传感器设备标称的曝光时间最短值(属于设备内固有参数)。

通过上述公式，即可计算第一图像传感器和第二图像传感器的曝光时间。

随太阳直接辐射值调整图像传感器的曝光时间，可以保证在不同光照条件下得到亮度保持一致的冠层内部图像，在处理亮度一致的冠层内部图像时，可以选取统一的算法参数，克服了以往冠层内部信息图像获取时对光线亮度的苛刻要求，增加了系统的适用性。

在一个实施例中，步骤S5中，根据采集的数据计算相应的冠层结构信息。以下以计算株高H为例。

图3示出了本发明实施例的计算植株高度的过程示意图。

参照图3，株高H的计算方法如下：

H＝h₁+h₂

其中h₁是第一图像传感器的光心高度，可由第一支撑杆1和推杆5升降高度计算得到。

h₂＝p₁×L/f

其中p₁是图像平面上植株顶端投影点到图像中心距离，f是第一图像传感器的焦距(设备出厂参数)，L是第一图像传感器的光心到被测植株的距离。

L＝h₁×f/p₂

其中p₂是图像平面上植株底端投影点到图像中心距离。

同理，其他冠层内部信息都可由植株在图像上的投影点计算。

本发明所述农作物冠层结构信息自动测量装置与测量方法，在水平和垂直方向上通过两个图像传感器获取冠层的信息，并根据太阳辐射传感器的值对曝光时间进行调整，能够在田间野外光照条件下，自动连续获取农作物冠层内部信息，并能够适应农田环境下光线的剧烈变化，实现冠层信息的准确计算。另外，本发明的装置可以通过无线网络的方式实现数据远程采集以及远程访问。

虽然结合附图描述了本发明的实施方式，但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下做出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。

Claims (10)

1.一种农作物冠层结构信息自动测量装置，其特征在于，所述装置包括：第一支撑杆，供电与数据处理模块、推杆、转盘、第一图像传感器、第二图像传感器和太阳辐射传感器；

其中，所述供电与数据处理模块设置在所述第一支撑杆的下部，用于为所述推杆、第一图像传感器、第二图像传感器和太阳辐射传感器供电并进行控制，并采集所述推杆的位置信息以及所述第一图像传感器、第二图像传感器和太阳辐射传感器的数据并进行数据处理；所述推杆位于所述第一支撑杆上并且可以沿着所述第一支撑杆上下移动；所述转盘设置在所述第一支撑杆上，并位于所述推杆上方，所述转盘可以随着所述推杆上下移动，并且可以绕着所述第一支撑杆转动；所述第一图像传感器和第二图像传感器设置在所述转盘上，并且所述第一图像传感器用于采集水平方向的图像，所述第二图像传感器用于采集竖直方向的图像；所述太阳辐射传感器设置在从所述转盘向上延伸的第二支撑杆上。

2.根据权利要求1所述的农作物冠层结构信息自动测量装置，其特征在于，所述装置还包括第三支撑杆，所述第三支撑杆固定在所述第一支撑杆的下部，并且向下延伸超过所述第一支撑杆的底部。

3.根据权利要求2所述的农作物冠层结构信息自动测量装置，其特征在于，所述第三支撑杆的向下延伸的一端的底部为锥形或楔形。

4.根据权利要求1所述的农作物冠层结构信息自动测量装置，其特征在于，所述第一支撑杆、第二支撑杆和上述转盘为中空结构。

5.根据权利要求4所述的农作物冠层结构信息自动测量装置，其特征在于，所述太阳辐射传感器、第一图像传感器和第二图像传感器的电源线和控制线通过所述第二支撑杆、转盘以及所述第一支撑杆的中空区域连接到所述供电和数据处理模块。

6.根据权利要求4所述的农作物冠层结构信息自动测量装置，其特征在于，所述太阳辐射传感器、第一图像传感器和第二图像传感器以有线的方式将数据传输到所述供电与数据处理模块，并且所述太阳辐射传感器、第一图像传感器和第二图像传感器的数据传输线通过所述第二支撑杆、转盘以及所述第一支撑杆的中空区域连接到所述供电和数据处理模块。

7.根据权利要求1所述的农作物冠层结构信息自动测量装置，其特征在于，所述太阳辐射传感器、第一图像传感器和第二图像传感器以无线传输的方式将数据传输到所述供电与数据处理模块。

8.根据权利要求1所述的农作物冠层结构信息自动测量装置，其特征在于，所述装置还包括查询终端，所述查询终端与所述供电与数据处理模块通过无线网路通信，以查询所述供电与数据处理模块中的数据。

9.根据权利要求1所述的农作物冠层结构信息自动测量装置，其特征在于，所述太阳辐射传感器包括用于测量总辐射值的第一太阳辐射传感器和用于测量散射辐射值的第二太阳辐射传感器，所述第一太阳辐射传感器朝向天空放置，所述第二太阳辐射传感器朝向地面放置。

10.一种使用权利要求1-9的任一项的装置进行农作物冠层结构信息测量的方法，其特征在于，所述方法包括：

S1，根据设定的高度，调节所述推杆，将所述转盘设置在预定的位置；

S2，通过太阳辐射传感器采集的总辐射值和散射辐射值计算所述第一图像传感器的曝光时间和第二图像传感器的曝光时间；

S3，根据所述曝光时间设定所述第一图像传感器和第二图像传感器的参数，并采集所述第一图像传感器和第二图像传感器的数据；

S4、以预设的角度转动所述转盘，并分别采集在每个转动角度后的所述第一图像传感器和第二图像传感器的数据；

S5、从所述第一图像传感器中获取的数据计算所述植株的株高、茎粗、株幅值、叶片长、叶片宽，从所述第二图像传感器中获取的数据计算所述冠层生物量、叶面积指数、平均叶倾角、平均方位角。