CN105526963B - 可同时测量植被覆盖度和高度的便携式测量仪及测量方法 - Google Patents

可同时测量植被覆盖度和高度的便携式测量仪及测量方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种可同时测量植被覆盖度和高度的便携式测量仪及测量方法。使用本发明能够实时、同时获取植被高度信息和覆盖度信息，且结构简单、携带方便。本发明包括悬臂梁支架、图像采集与传输装置、二进制编码盘和手持终端；其中，二进制编码盘与水平面垂直且位于图像采集与传输装置的图像采集范围内，且其下端面与地面相接触；图像采集与传输装置采集包括二进制编码盘图像在内的待测区域的图像，并将图像信息无线传输给手持终端，手持终端提取二进制编码盘图像信息计算植被高度，并结合植被高度，在图像中提取样方的像素信息，用于进行覆盖度计算。

Description

可同时测量植被覆盖度和高度的便携式测量仪及测量方法
技术领域
本发明涉及植被信息采集技术领域，具体涉及一种可同时测量植被覆盖度和高度的便携式测量仪及测量方法。
背景技术
植被覆盖度和高度信息的获取是有效反映植被生长情况的重要指标，可为植被的演替趋势和生产潜力提供基础信息。
小尺度植被覆盖度的测量方法通常采用目测法和照相法，目测法主观性较强，而照相法采用相机对样方进行拍摄，然后利用图像处理技术和相关算法计算植被覆盖度信息，较目测法有所保障。所以，照相法成为目前对植被覆盖度测量的首选方法。目前已有的照相法主要存在的问题有①需多人操作；②便携性不强；③实时获取植被覆盖度能力弱；④有线传输模式繁琐；⑤可操作性不强。
植被高度测量方法通常采用目测法、尺子测量法和传感器测量法，目测法主观性较强，尺子测量法简单但需要人工统计，传感器测量法对探测物的要求高且精度有限。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种可同时测量植被覆盖度和高度的便携式测量仪，能够实时、同时获取植被高度信息和覆盖度信息，且结构简单、携带方便，为植被演替趋势和生产潜力的研究以及相关人员野外实时获取覆盖度和高度信息提供了技术支持。
本发明的可同时测量植被覆盖度和高度的便携式测量仪，包括悬臂梁支架、图像采集与传输装置、二进制编码盘和手持终端；其中，图像采集与传输装置和二进制编码盘固定在悬臂梁支架上；二进制编码盘垂直于水平面，且位于图像采集与传输装置的图像采集范围内，二进制编码盘的下端面与地面相接触；图像采集与传输装置与手持终端无线连接；图像采集与传输装置用于采集包括二进制编码盘图像在内的待测区域的图像，并将图像信息无线传输给手持终端；其中，二进制编码盘上划分有N行M列格子，各行格子的高度为设定的高度；各格子为黑色或白色，分别代表“0”或“1”，一行格子即代表一组二进制数，代表该行格子由下往上的行数。
进一步地，所述悬臂梁支架由调节杆、高度支撑杆、水平杆组成，其中，水平杆的一端与图像采集与传输装置固定连接，另一端与调节杆垂直连接；高度支撑杆的一端与二进制编码盘固定连接，另一端与水平杆垂直连接，调节杆、高度支撑杆、水平杆均可伸缩。
进一步地，还包括可伸缩的支架底座，支架底座与调节杆固定连接。
进一步地，调节杆上还设有水平泡。
进一步地，所述调节杆与水平杆通过铰接球连接，水平杆通过铰接球绕调节杆旋转。
进一步地，还包括弹性卡槽，所述弹性卡槽固定在水平杆上，图像采集与传输装置固定在弹性卡槽上。
进一步地，还包括支撑件，所述支撑件固定安装在高度支撑杆的一端，并套接在水平杆上，沿水平杆轴线方向移动。
本发明还提供了一种植被覆盖度和高度同时测量的方法，采用上述测量仪进行测量，包括如下步骤：
步骤1，图像采集与传输装置通过悬臂梁支架位于采集待测区域的上方，对待测区域进行图像采集，该图像同时包括二进制编码盘图像；并将采集到的图像信息无线发送给手持终端；
步骤2，手持终端根据图像采集与传输装置发送的图像信息，计算待测区域的植被覆盖度；根据图片信息中的二进制编码盘图像中，植被遮挡高度对应的二进制编码，将该二进制编码转换为十进制，即为编码格子所在行数，再将编码行数乘以格子高度，即获得二进制编码盘所在位置的植被平均高度。
进一步地，所述植被覆盖度采用如下方法获得：
步骤1，对图像采集与传输装置采集的图片中的样方大小进行标定：固定图像采集与传输装置高度，依照预设的样方区域，分别对样方内不同高度植被进行图片采集，获得不同植被高度下该样方区域在图片中的像素值区域大小；
步骤2，根据二进制编码盘图像获得待测区域内植被高度，然后依据步骤1标定的该植被高度下样方大小对应的图片像素区域，将该像素区域像素信息进行提取，计算待测区域的植被覆盖度。
有益效果：
(1)本发明可同时进行植被覆盖度和高度的测量，并通过对植被高度的实时测量实现了采集图片中对样方区域大小的准确定位，克服了覆盖度计算时样方大小误差带来的误差，且减小了传统样方定位调节的复杂性，并采用无线传输的模式，在手持终端上有效控制植被样方图像信息的获取以及植被覆盖度的计算，有效解决了有线传输模式和多人控制的繁琐性，提高了野外工作效率和装置的便携性。
(2)本发明采用的调节杆、高度支撑杆和水平杆，采用标准的测量用支架，质轻坚固，且均具有伸缩性，方便携带，调节杆和支架底座用于支撑整体结构、维持与高度支撑杆协同和调平，高度支撑杆为可定高伸长杆，底部安装编码盘，可用于维持整体结构稳定性和高度测量，水平杆为固定图像采集及传输装置杆，顶端连接调节杆且可进行360°旋转，中间位置和高度支撑杆以卡托式进行连接，起到支撑的作用。
附图说明
图1为本发明的可同时测量植被覆盖度和高度的便携式测量仪示意图。
图2为二进制编码对应高度示意图。
图3(a)为植被较低时编码盘和样方在相机中的成像位置示意；(b)为植被较高时编码盘和样方在相机中的成像位置示意。
其中，1-调节杆，2-高度支撑杆，3-水平杆，4-支架底座，5-水平泡，6-二进制编码盘，7-图像采集与传输装置，8-支撑件，9-铰接球，10-弹性卡槽，11-手持终端，12-图像采集模块，13-无线传输模块，14电源模块，15-摄像头。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
本发明提供了一种可同时测量植被覆盖度和高度的便携式测量仪，如图1所示，包括悬臂梁支架、图像采集与传输装置7、二进制编码盘6和手持终端11(如平板电脑或智能手机)，其中，图像采集与传输装置7和二进制编码盘6固定在悬臂梁支架上；二进制编码盘6垂直于水平面，且位于图像采集与传输装置7的图像采集范围内；二进制编码盘6的下端面与地面相接触；图像采集与传输装置(7)与手持终端无线连接；图像采集与传输装置用于采集包括二进制编码盘图像在内的待测区域的图像，并将图像信息无线传输给手持终端。
其中，悬臂梁支架由调节杆1、高度支撑杆2和水平杆3组成，其中，高度支撑杆2为可固定高度支杆，其上端通过支撑件8与水平杆3垂直连接，下端与二进制编码盘6固定连接；其中，支撑件8套接在水平杆3上，可沿水平杆3轴线方向滑动，滑动到设定位置后固定锁死。水平杆3的一端通过弹性卡槽10与图像采集与传输装置7固定，另一端与通过铰接球9与调节杆1垂直连接，并可绕调节杆1在水平方向上进行360°旋转。调节杆1为整体结构调节杆，上端与水平杆3连接，下端固定在可伸缩调节的支架底座4。调节杆1上还安装有水平泡5，调节支架底座4，使得水平杆3水平。调节杆1、高度支撑杆2、水平杆3均为可伸缩杆，调节其长度，扩大检测范围。
二进制编码盘6上划分有N行M列格子，各行格子高度为预先设定好的高度值，且各行格子的高度可以相同，也可以不同；各格子为黑色或白色，分别代表“1”或“0”，一行格子即代表一组二进制数，该二进制数代表该行格子由下往上的行数，然后根据各行格子的高度以及格子行数，确定植被的高度。如图2(a)所示，二进制编码盘6上为40行6列，每一行格子的高度均为2cm。二进制编码盘6的底部与地面相接触，一方面使得二进制编码盘6的起始测量高度为0，另一方面也起到支撑作用，防止水平杆3过长而导致弯曲，从而导致图像采集与传输装置7非垂直拍照而引起的误差。二进制编码盘6用于测量植被高度，测量时，二进制编码盘6被植被所遮挡，如图2(b)所示，植被平均高度对应的二进制编码盘6上的编码为001001，即为十进制的9，则植被平均高度在二进制编码盘6的第9行(由下向上数)，则植被平均高度约为9×2cm＝18cm。
图像采集与传输模块7包括摄像头、图像采集模块、无限传输模块和电源模块，其中，摄像头、图像采集模块、无限传输模块依次连接，电源模块为摄像头、图像采集模块和无限传输模块提供电源。
图像采集与传输装置7对待测区域垂直拍照，采集待测区域的植被覆盖信息，同时，调节高度支撑杆2的位置，使得二进制编码盘6位于图像采集与传输装置7的图像采集范围内，图像采集与传输装置7与手持终端11无线连接，将采集到的图片信息发送给手持终端11，由手持终端11计算待测区域的植被覆盖度和植被高度。
在手持终端11上点击视频显示按钮可实现视频图像的显示，点击覆盖度和高度按钮可进行植被覆盖度和高度的输出显示。
植被覆盖度和高度测量时，首先将图像采集及传输装置7、高度支撑杆2和调节杆1分别与水平杆3进行固定连接，将悬臂梁支架放置在待测区域边缘，将调节杆1升到最大高度同时将高度支撑杆2升到固定高度，以调节杆1为中心旋转水平杆3，将高度支撑杆2置于待测区域中以及将图像采集与传输装置7置于待测区域上方，伸缩调节杆1来保证二进制编码盘6的下端面与地面接触，最后通过控制手持终端中的视频显示、高度和覆盖度按钮实现植被图像信息的获取传输以及覆盖度和高度的计算。
本发明采用的测高方案，使用的是二进制编码盘定位方式，首先图像采集模块通过摄像头采集图像信息，所述无线传输模块将图像信息传输到所述手持终端上，然后手持终端内置程序通过图像处理提取编码盘对应的未被植被覆盖的二进制编码信息，在分别提取不同植被顶端对应的二进制编码的基础上分别计算对应植被顶端的高度，最后取编码盘区域植被顶端高度的平均值作为植被的高度。
本发明采用的植被覆盖度测量方案为，首先所述图像采集模块通过所述摄像头采集图像信息，所述无线传输模块将图像信息传输到所述手持终端上，然后手持终端内置程序通过图像处理算法提取图像样方对应区域(即图像固定像素位置)的RGB图像信息，然后对该区域RGB图像信息进行一定的阈值分割和G信息二值化处理，最后根据二值化处理结果计算0、1所占比例，得出植被的覆盖度。
在植被覆盖度计算时，需要确定样方大小，由于植被高度会影响样方在图片中的成像区域，如图3所示，(a)为植被较低时样方大小在相机中的成像位置，(b)为植被较高时相同样方大小在相机中的成像位置，两者的成像大小不同。因此本发明首先对样方大小在图片中的成像位置进行标定，具体方法如下：固定图像采集与传输装置(7)高度，依照预设的样方区域，分别对样方内不同高度植被进行图片采集，获得不同植被高度下该样方区域在图片中的像素值区域大小。然后图像采集模块通过摄像头采集待测区域的图像，根据二维编码盘所示的植被高度，从相机图像中选取该植被高度下对应的成像区域大小，针对该成像区域进行植被覆盖度计算。
本发明采用的图像信息传输方案，使用的是无线方式传输模式，通过所述无线传输模块和所述手持终端进行无线连接(如WIFI或蓝牙)，手持终端通过按钮控制命令将图像信息快速有效的传输到手持终端上，继而进一步信息处理，这样有效避免了测量系统的复杂性，保证了测量系统的简洁性。
所述手持终端用于运行植被覆盖度和高度测量软件，通过点击手持终端中视频显示、高度和覆盖度按钮可进行图像的采集传输、高度计算和覆盖度计算，该手持终端运行android系统，型号不限。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种可同时测量植被覆盖度和高度的便携式测量仪，其特征在于，包括悬臂梁支架、图像采集与传输装置(7)、二进制编码盘(6)和手持终端(11)；其中，图像采集与传输装置(7)和二进制编码盘(6)固定在悬臂梁支架上；二进制编码盘(6)垂直于水平面，且位于图像采集与传输装置(7)的图像采集范围内，二进制编码盘(6)的下端面与地面相接触；图像采集与传输装置(7)与手持终端无线连接；图像采集与传输装置用于采集包括二进制编码盘图像在内的待测区域的图像，并将图像信息无线传输给手持终端；其中，二进制编码盘(6)上划分有N行M列格子，各行格子的高度为设定的高度；各格子为黑色或白色，分别代表“1”或“0”，一行格子即代表一组二进制数，该二进制数代表该行格子由下往上的行数。
2.如权利要求1所述的可同时测量植被覆盖度和高度的便携式测量仪，其特征在于，所述悬臂梁支架由调节杆(1)、高度支撑杆(2)、水平杆(3)组成，其中，水平杆(3)的一端与图像采集与传输装置(7)固定连接，另一端与调节杆(1)垂直连接；高度支撑杆(2)的一端与二进制编码盘(6)固定连接，另一端与水平杆(3)垂直连接，调节杆(1)、高度支撑杆(2)、水平杆(3)均可伸缩。
3.如权利要求2所述的可同时测量植被覆盖度和高度的便携式测量仪，其特征在于，还包括可伸缩的支架底座(4)，支架底座(4)与调节杆(1)固定连接。
4.如权利要求2所述的可同时测量植被覆盖度和高度的便携式测量仪，其特征在于，调节杆(1)上还设有水平泡(5)。
5.如权利要求2所述的可同时测量植被覆盖度和高度的便携式测量仪，其特征在于，所述调节杆(1)与水平杆(3)通过铰接球(9)连接，水平杆(3)通过铰接球(9)绕调节杆(1)旋转。
6.如权利要求2所述的可同时测量植被覆盖度和高度的便携式测量仪，其特征在于，还包括弹性卡槽(10)，所述弹性卡槽(10)固定在水平杆(3)上，图像采集与传输装置(7)固定在弹性卡槽(10)上。
7.如权利要求2所述的可同时测量植被覆盖度和高度的便携式测量仪，其特征在于，还包括支撑件(8)，所述支撑件(8)固定安装在高度支撑杆(2)的一端，并套接在水平杆(3)上，沿水平杆(3)轴线方向移动。
8.一种采用如权利要求1～7任意一项所述的便携式测量仪的植被覆盖度和高度同时测量的方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1，图像采集与传输装置(7)通过悬臂梁支架位于采集待测区域的上方，对待测区域进行图像采集，该图像同时包括二进制编码盘(6)图像；并将采集到的图像信息无线发送给手持终端(11)；
步骤2，手持终端(11)根据图像采集与传输装置(7)发送的图像信息，计算待测区域的植被覆盖度；根据图片信息中的二进制编码盘图像中，植被遮挡高度对应的二进制编码，将该二进制编码转换为十进制，即为编码格子所在行数，再将编码行数乘以格子高度，即获得二进制编码盘(6)所在位置的植被平均高度。
9.如权利要求8所述的植被覆盖度和高度同时测量的方法，其特征在于，所述植被覆盖度采用如下方法获得：
步骤1，对图像采集与传输装置(7)采集的图片中的样方大小进行标定：固定图像采集与传输装置(7)高度，依照预设的样方区域，分别对样方内不同高度植被进行图片采集，获得不同植被高度下该样方区域在图片中的像素值区域大小；
步骤2，根据二进制编码盘图像获得待测区域内植被高度，然后依据步骤1标定的该植被高度下样方大小对应的图片像素区域，提取该像素区域的RGB图像信息，然后进行阈值分割和二值化处理，按照二值化结果计算植被的覆盖度。
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