CN107677221B - 一种植物叶片运动角度测量方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种植物叶片运动角度测量方法及装置，该装置包括底板以及固定在底板上的方形玻璃罩，在方形玻璃罩的两个相邻侧面的中线上分别安装两台相机，同时在方形玻璃罩的顶部中央安装一台相机，三台相机分别通过数据线与上位机连接。本发明较传统采用人工方式测量叶片运动与角度变化而言，本发明具有高精度、高效率、高时间分辨率的特点；与激光雷达3D扫描相比较，本发明具有成本低，可以多台设备联用批量化监测，获取的数据容量小，不需要使用度全3D点云后建模再测量，使用AutoCAD、Photoshop等常规软件即可测量平面图上的角度，根据公式即可计算待测角，因此比3D点云数据模型计算与测量易于实现。

Description

一种植物叶片运动角度测量方法及装置
技术领域
本发明涉及一种植物叶片运动角度测量方法及装置，属于植物叶片运动角度测量技术领域。
背景技术
强烈的太阳辐射会灼伤植物叶片，高温会导致植物叶片水分散失加剧，因此植物叶片进化出不同的适应机制，植物叶片改变角度是集中的一种应对机制，其中豆科植物叶片(小叶)运动较为明显，常随昼夜呈现明显的“开-合”运动，其范围可达180°变化，含羞草在受外界机械刺激后可在几秒中之内叶片角度变化90°，舞草在受声音刺激后叶片会不停扭动，这些植物的角度变化范围较大、速度较快，因此使用常规方法测量叶片角度难以实现。现阶段研究叶片角度的方法主要是人工使用角度尺测量，少部分使用激光雷达3D扫描。其中人工测量较为直接，但是误差大，小叶运动比较快时不能及时测量，而激光雷达3D扫描设备昂贵，数据冗余。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供一种经济划算、数据量小、测算准确的植物叶片运动角度测量方法及装置，以克服现有技术中的不足。
本发明的技术方案：一种植物叶片运动角度测量方法，包括以下步骤：
(1)将植物叶片置于方形玻璃罩的中央，在方形玻璃罩的两个相邻侧面的中线上分别安装两台相机，同时在方形玻璃罩的顶部中央安装一台相机，这样便可通过三个相互垂直面上的三台相机以一定的时间间隔采集植物叶片在同一时间点上的三张投影图片；
(2)从三台相机中分别提取植物叶片在三个相互垂直面上同一时间点的投影图片，并以植物叶片的中脉为测量基准线，通过投影图片便可获得测量基准线在三个相互垂直面上的投影线，这样便可获得两个相邻垂面上的第一投影线和第二投影线；
(3)以测量基准线为长方体的对角线构建长方体，测量基准线与垂线的夹角为待测角，第一投影线与垂线的夹角为第一测量角，第二投影线与垂线的夹角为第二测量角，第一测量角和第二测量角可以在投影图片上直接测量得到，而待测角与第一测量角和第二测量角的关系演算如下：
∵AB2＝BC2+AC2＝BC2+BD2＝(OBtanα)2+(OBtanβ)2
∴∠α∈(0°，90°)∠β∈(0°，90°)
上述方法中，将3个相机设置为录制视频模式，将相机时间调成一致，间隔摄影时间设置为60s，这样便可每隔一分钟获得三个相互垂直面上的三张投影图片。
同时，本发明还提供一种由上述植物叶片运动角度测量方法构建的植物叶片运动角度测量装置，包括底板以及固定在底板上的方形玻璃罩，在方形玻璃罩的两个相邻侧面的中线上分别安装两台相机，同时在方形玻璃罩的顶部中央安装一台相机，三台相机分别通过数据线与上位机连接。
进一步，所述方形玻璃罩的四个侧面以及顶部均开设有通风口，避免方形玻璃罩内空气温度与外界温差较大，使植物叶片处于自然生长状态中，保证测量结果的真实性。
进一步，所述相机为1200万像素以上的高清相机。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：本发明较传统采用人工方式测量叶片运动与角度变化而言，本发明具有高精度、高效率、高时间分辨率的特点；与激光雷达3D扫描相比较，本发明具有成本低，可以多台设备联用批量化监测，获取的数据容量小，不需要使用度全3D点云后建模再测量，使用AutoCAD、Photoshop等常规软件即可测量平面图上的角度，根据公式即可计算待测角，因此比3D点云数据模型计算与测量易于实现。此外，本发明还适用于监测叶片生长过程中运动变化。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是以测量基准线OA为长方体的对角线构建的长方体模型。
附图标记说明：1-底板，2-方形玻璃罩，3-相机，4-通风口，5-上位机。
具体实施方式
为了使本发明目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。
本发明的实施例：植物叶片运动角度测量装置的结构示意图如图1所示，包括底板1以及固定在底板1上的方形玻璃罩2，在方形玻璃罩2的两个相邻侧面的中线上分别安装两台相机3，同时在方形玻璃罩2的顶部中央安装一台相机3，三台相机3分别通过数据线与上位机5连接，所述相机3为1200万像素以上的高清相机。同时，在方形玻璃罩2的四个侧面以及顶部均开设有通风口4，避免方形玻璃罩2内空气温度与外界温差较大。
采用上述装置测量植物叶片运动角度时，可以采用以下步骤：
(1)将植物叶片置于方形玻璃罩2的中央，在方形玻璃罩2的两个相邻侧面的中线上分别安装两台相机3，同时在方形玻璃罩2的顶部中央安装一台相机3，将3个相机3设置为录制视频模式，将相机3时间调成一致，间隔摄影时间设置为60s，这样便可每隔一分钟获得三个相互垂直面上的三张投影图片，因此，通过三个相互垂直面上的三台相机3每隔60s采集植物叶片在同一时间点上的三张投影图片，并将图片信息传输至上位机5储存；
(2)参见图2，使用视频编辑软件提取每一帧视频图像，即从三台相机3中分别提取植物叶片在三个相互垂直面上同一时间点的投影图片，并以植物叶片的叶柄或中脉为测量基准线OA，通过投影图片便可获得测量基准线OA在三个相互垂直面上的投影线，这样便可获得两个相邻垂面上的第一投影线OC和第二投影线OD；
(3)以测量基准线OA为长方体的对角线构建长方体，测量基准线OA与垂线OB的夹角为待测角∠θ，第一投影线OC与垂线OB的夹角为第一测量角∠α，第二投影线OD与垂线OB的夹角为第二测量角∠β；测量时，将投影图片导入上位机5中的AutoCAD或者Photoshop软件，通过软件即可测量出植物叶片的中脉在两个相邻垂面上的投影线与垂线0B的夹角，即第一测量角∠α和第二测量角∠β，而待测角∠θ与第一测量角∠α和第二测量角∠β的关系演算如下：
∵AB2＝BC2+AC2＝BC2+BD2＝(OBtana)2+(OBtanβ)2
∴∠α∈(0°，90°)∠β∈(0°，90°)
通过上述公式便可计算得到待测角∠θ，即植物叶片的变化角度。因此，本发明较传统采用人工方式测量叶片运动与角度变化而言，本发明具有高精度、高效率、高时间分辨率的特点；与激光雷达3D扫描相比较，本发明具有成本低，可以多台设备联用批量化监测，获取的数据容量小，不需要使用度全3D点云后建模再测量，使用AutoCAD、Photoshop等常规软件即可测量平面图上的角度，根据公式即可计算待测角，因此比3D点云数据模型计算与测量易于实现。此外，本发明还适用于监测叶片生长过程中运动变化。

Claims (5)

1.一种植物叶片运动角度测量方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)将植物植株置于方形玻璃罩(2)的中央，在方形玻璃罩(2)的两个相邻侧面的中线上分别安装两台相机(3)，同时在方形玻璃罩(2)的顶部中央安装一台相机(3)，这样便可通过三个相互垂直面上的三台相机(3)以一定的时间间隔采集植物叶片在同一时间点上的三张投影图片；
(2)从三台相机(3)中分别提取植物叶片在三个相互垂直面上同一时间点的投影图片，并以植物叶片的叶柄或中脉为测量基准线OA，通过投影图片便可获得测量基准线OA在三个相互垂直面上的投影线，这样便可获得两个相邻垂面上的第一投影线OC和第二投影线OD；
(3)以测量基准线OA为长方体的对角线构建长方体，测量基准线OA与垂线OB的夹角为待测角∠θ，第一投影线OC与垂线OB的夹角为第一测量角∠α，第二投影线OD与垂线OB的夹角为第二测量角∠β，第一测量角∠α和第二测量角∠β可以在投影图片上直接测量得到，而待测角∠θ与第一测量角∠α和第二测量角∠β的关系演算如下：
∵AB2＝BC2+AC2＝BC2+BD2＝(OB tanα)2+(OB tanβ)2
∴
2.根据权利要求1所述的植物叶片运动角度测量方法，其特征在于：将3个相机(3)设置为录制视频模式，将相机(3)时间调成一致，间隔摄影时间设置为60s，这样便可每隔一分钟获得三个相互垂直面上的三张叶片投影图片。
3.一种由权利要求1或2所述的植物叶片运动角度测量方法构建的植物叶片运动角度测量装置，包括底板(1)以及固定在底板(1)上的方形玻璃罩(2)，其特征在于：在方形玻璃罩(2)的两个相邻侧面的中线上分别安装两台相机(3)，同时在方形玻璃罩(2)的顶部中央安装一台相机(3)，三台相机(3)分别通过数据线与上位机(5)连接。
4.根据权利要求3所述的植物叶片运动角度测量装置，其特征在于：所述方形玻璃罩(2)的四个侧面以及顶部均开设有通风口(4)。
5.根据权利要求3所述的植物叶片运动角度测量装置，其特征在于：所述相机(3)为1200万像素以上的高清相机。
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