CN108120473B - 基于深度相机的温室作物三维形态监测装置及监测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于深度相机的温室作物三维形态监测装置及监测方法。水培装置位于监测机构支架内，监测机构在水培装置作物的正上方移动采集深度数据。在小主机上进行预处理、数据压缩，传输，在监测终端对传输来的数据联合解码、存储、分析、UI展示；对数据进行存储和分析，将提取出作物的相关参数和传感器获取的环境参数，输入建立的作物监测模型，计算作物的信息参数通过网络同步到物联网，同时优化环境参数依照得到的参数通过控制中心对环境条件实现校正。本发明用于温室作物生长状态的无损监测，稳定和准确的数据获取结合环境信息的模型建立更能实现设施农艺的改进，减少成本，增加作物产量。它可用于温室内的叶菜类作物的三维形态监测。
Description
技术领域
本发明涉及农业物信息监控技术，尤其是涉及一种基于深度相机的温室作物三维形态监测装置及监测方法。
背景技术
自工业革命以来，人类的物质财富生产大幅增长，但是与此同时是资源短缺，环境污染、食品安全等问题日益突出。在矛盾激化之际，日本植物工厂学会提出植物工厂（PlantFactory）的概念，植物工厂是通过设施内高精度环境控制实现农作物周年连续生产的系统，即是利用计算机对植物生育的温度、湿度、光照、CO2浓度以及营养液等环境条件进行自动控制，使设施内植物生长不受或很少受自然条件制约的省力型生产。随着科技的进步和社会发展，农业生产的机械化、自动化、智能化发展成为主流趋势，对植物工厂的信息获取和环境控制的要求也越来越高。
基于传统传感器对植物工厂环境信息的获取已无法满足移动互联网，物联网的快速发展。机器视觉的适时引进，帮助直接获取作物的生长状态信息。
已发展的基于二维图像的作物无损监测，在一定程度上实现了作物生长信息的获取，并指导植物工厂的环境控制，但仍无法避免其自身维度的局限性，无法充分地获取高鲁棒性、高精度的作物信息。而随着三维信息获取技术的发展和普及，其获取的三维信息能够更加准确的描述作物的空间形态。
发明内容
为了进一步完善植物工厂内作物信息三维信息的获取和环境状态的控制，实现作物的实时无损监测，为植物工厂的生产提供更加精确和稳定的监测信息，本发明的目的在于提供一种基于深度相机的温室作物三维形态监测装置及监测方法。
本发明采用的技术方案如下：
一、一种基于深度相机的温室作物三维形态监测装置
本发明的装置包括：监测机构支架 、栽有作物的水培装置、监测机构、种植支架和监测终端；所述水培装置由并列多行且每行为多列的子水培装置组成，水培装置安装在种植支架上，并位于监测机构支架内，监测机构支架上面四周是用轨道围成的框架，框架内沿长度方向等距设有轨道，每条轨道均是由左、右两条槽钢焊接成 “□”形的轨道，且“□”形的轨道中间留有缝隙，监测机构通过自身的移动机构能沿“□”形的轨道，在水培装置作物的正上方移动，监测机构上的小主机与监测终端无线连接。
所述监测机构，包括深度相机、连接件、移动机构和小主机；连接件上端面装有小主机，连接件下端面开有两条槽，每条槽内装有多个小滚轮，两条槽内的小滚轮能在“□”形轨道上面移动，倒“Y”连接件上端插入“□”形轨道中间缝隙中并与连接件连接，深度相机固定件的上端插入倒“Y”连接件叉口端内，并用螺钉和螺母连接，深度相机固定件的下端与深度相机连接。
所述移动机构，包括两个滚轮和电动机，电动机安装在“Y”连接件上端孔内，电动机两侧的输出轴上分别装有滚轮，两个滚轮分别能在“□”形轨道内的左、右两条槽钢底面滚动，从而带动监测机构移动。
二、一种基于深度相机的温室作物三维形态监测方法，该方法的监测步骤如下：
1) 深度相机和小主机构成的监测机构能在“□”形轨道上移动，依据作物不同的种植时期采取不同监测路径移动路线，采集深度数据；
2) 采集到的深度数据通过传感器无线网络传输到监测终端，即深度相机获得的深度数据在小主机上进行预处理后，进行数据压缩，然后通过无线数据传输到监测终端上，对压缩后的数据进行联合解码后，对数据进行存储和分析，最后通过监测终端进行分析结果的UI展示；将提取出作物的相关参数和传感器获取的环境参数，输入建立的作物监测模型，计算作物的信息参数通过网络同步到物联网，同时优化环境参数依照得到的参数通过控制中心对环境条件实现校正。
所述不同种植时期采取不同监测路径移动方式，即分为：
1)作物成长的早期，深度相机和小主机的固定机构的监测路径移动为沿早期作物正上方轨道依次连续移动，釆集深度数据；
2)作物成长的中期，深度相机和小主机的固定机构的监测路径移动为沿中期作物中间一行正上方轨道依次连续移动，釆集深度数据；
3)作物成长的后期，深度相机和小主机的固定机构的监测路径移动为沿后期作物正上方轨道依次连续移动，釆集深度数据。
所述对数据进行存储和分析，是对小主机数据预处后过的原始数据进行配准，过滤掉无用点云和噪声，对图像进行分割，提取出作物的彩色三维点云，对提取出作物的彩色三维点云进行建模，获得完整的植物模型；所述模型中分别提取出株高信息，提取叶面积信息，提取叶面颜色信息以便评估作物氮状态，提取作物的叶倾角信息以便评估作物的水状态和计算体积信息以便预估作物产量，得到作物生长参数。
所述通过无线传输到监测终端上，采用IEEE 802.11b标准，IEEE 802.11b最高数据传输速率能达11Mpbs，数据传输距离为30~100m，IEEE802.11b标准提供了一种Internet的无线接入技术；而监测机构设置伴随深度相机进行移动的小主机配置有符合所述标准的WIFI，在温室的实际操作距离内，实现大量点云数据的传输。
本发明具有的有益效果是：
本发明用于温室内作物生长状态的无损监测，实现温室环境精确控制、智能操作、完善作物的物联网所需要的信息。相较于二维的机器视觉所获得的信息更加全面，可在获取作物颜色，形状等信息的同时，捕获作物的空间信息，提供株高、体积、叶面积等参数。同时稳定和准确的数据获取结合环境信息的模型建立更能实现设施农艺的改进，减少人力成本，增加作物产量。本发明可用于温室内的叶菜类作物的三维形态监测。
附图说明
图1是蔬菜种植的早-中-晚生长时期示意图。
图2是基于深度相机的作物监测的总体主视图。
图3是作物种植和监测部分立体示意图。
图4是深度相机固定件结构立体示意图。
图5是深度相机和轨道连接及移动机构立体示意图。
图6是深度相机的固定和移动机构的局部放大立体图。
图7是深度相机固定件立体示意图。
图8是深度相机的固定和移动主视图。
图9是蔬菜种植早期的监测机构的移动路线示意图。
图10是蔬菜种植中期的监测机构的移动路线示意图。
图11是蔬菜种植晚期的监测机构的移动路线示意图。
图12是数据传输过程的流程图。
图13是深度数据在大主机上的处理过程示意图。
图14是模型建立和监测过程的总体示意图。
图中：1、监测机构支架，11、轨道，12、支架，2、水培装置，3、监测机构，31、深度相机，32、深度相机固定件，32a、相机固定螺孔，32b、相机固定卡扣，32c、相机固定件孔，33、连接件，33a、小滚轮，33b、小主机螺孔，33c、孔，34、移动机构，35、小主机，36、螺母，37、螺钉，4、种植支架，5、监测终端，6a、早期监测路线，6b、中期监测路线，6c、后期监测路线。
具体实施方式
下面结合附图和实例对本发明作进一步说明。
如图2、图3、图7所示，本发明包括监测机构支架1、栽有作物的水培装置2、监测机构3、种植支架4和监测终端5；所述水培装置2由并列多行且每行为多列的子水培装置组成，水培装置2安装在种植支架4上，并位于监测机构支架1内，监测机构支架1上面四周是用轨道11围成的框架，支架12支撑框架，框架内沿长度方向等距设有轨道11，每条轨道11均是由左、右两条槽钢焊接成 “□”形的轨道，且“□”形的轨道中间留有缝隙，监测机构3通过自身的移动机构34能沿“□”形的轨道移动，在水培装置2作物的正上方移动，监测机构3上的小主机35与监测终端5无线连接。值得注意的是所使用的深度相机31的有效深度范围是0.5-4.5m，所以轨道的高度需要确保植物最大株高时高于其0.5m。
如图4、图5、图6、图7、图8所示，所述监测机构3，包括深度相机31(如微软的kinectV2)、深度相机固定件32、连接件33、移动机构34和小主机35；连接件33上端面装有小主机35(如新创运迷你主机X31-i5 4200u)，小主机35由连接件33上的小主机螺孔33b用螺钉固定，连接件33下端面开有两条槽，每条槽内装有多个小滚轮33a，两条槽内的小滚轮33a能在“□”形轨道上面移动，倒“Y”连接件上端插入“□”形轨道中间缝隙中并与连接件33连接，深度相机固定件32的上端插入倒“Y”连接件叉口端内，倒“Y”连接件叉口端孔33c和相机固定件孔32c用螺钉37和螺母36连接，用以改变深度相机的监测角度，深度相机固定件32的下端与深度相机31连接，32a为相机固定螺孔，32b为相机固定卡扣。
如图5、图6所示，所述移动机构34，包括两个滚轮和电动机，电动机安装在“Y”连接件上端孔内，电动机两侧的输出轴上分别装有滚轮，两个滚轮分别能在“□”形轨道内的左、右两条槽钢底面滚动，从而带动监测机构移动。
本发明方法的监测步骤如下：
1) 深度相机和小主机构成的监测机构能在“□”形轨道上移动，依据作物不同的种植时期采取不同监测路径移动路线，采集深度数据；
2) 采集到的深度数据通过传感器无线网络传输到监测终端，即深度相机获得的深度数据在小主机上进行预处理后，进行数据压缩，然后通过无线数据传输到监测终端上，对压缩后的数据进行联合解码后，对数据进行存储和分析，最后通过监测终端进行分析结果的UI展示；将提取出作物的相关参数和传感器获取的环境参数，输入建立的作物监测模型，计算作物的信息参数通过网络同步到物联网，同时优化环境参数依照得到的参数通过控制中心对环境条件实现校正。(如图12、图13、图14所示)。
所述不同种植时期采取不同监测路径移动方式，即分为：
1)在作物成长的早期，即从育苗盘移栽到种植架的时期，此时作物处于生长早期，其叶面积和株高满足深度相机采集的基本要求的同时，也是单株作物采集的数据量最小的时期，在此时期对全体作物进行一段时期的连续监测，对其株高，叶面积，叶片颜色等信息进行监测，确保移栽后所有幼苗都健康成长，在必要的时候有系统通知操作人员对病、残、死苗进行剔除、替换操作。深度相机和小主机的固定机构的监测路径移动为沿早期作物正上方轨道依次连续移动，即按照早期监测路线6a，釆集深度数据(如图1、图9所示)；
2)在作物成长的中期，由于温室内在同一可控环境条件下批量生长，同批作物之间的差异性小，但是由于种植架，光照设备的布置等外界固有因素的影响，同批作物之间在大的同一性的前提下有较小的差异性存在，早期监测的数据同时对作物的同一性进行评价，在剔除病、残、死苗后，对作物进行分区后，筛选出最具有代表性的区块，作为后续监测的目标区。在作物种植中期，主要是日常维护，包括间苗、植保等操作，此时作物逐渐长大，数据量也大大增加，此时对作物的监测又连续监测改为间断区间监测，同时由全体同批作物的数据采集换成对目标区的单一监测，确保信息的全面的同时，减少深度相机的工作量，增加工作效率，减少运行成本。对于生长周期较长的作物，在中期的时候需要进行二次同一性评估，即再次采集所有的同批作物的信息，分区后确定最具有代表性的区块。深度相机和小主机的固定机构的监测路径移动为沿中期作物中间一行正上方轨道依次连续移动，即按照中期监测路线6b，测釆集深度数据(如图1、图10所示)。
3)在作物成长的后期，深度相机和小主机的固定机构的监测路径移动为沿后期作物正上方轨道依次连续移动，釆集深度数据。深度相机的固定和移动装置3按照后期监测路线6c对植物进行采样再次对全体作物进行一次全体信息的采集，包括作物的株高，总叶面积，体积等信息的获取，帮助评估作物产量和预测，为物联网的运作提供可靠的预测信息(如图1、图11所示)。
如图13所示，所述对数据进行存储和分析，是对小主机数据预处后过的原始数据进行配准，过滤掉无用点云和噪声，对图像进行分割，提取出作物的彩色三维点云，对提取出作物的彩色三维点云进行建模，获得完整的植物模型；所述模型中分别提取出株高信息，提取叶面积信息，提取叶面颜色信息以便评估作物氮状态，提取作物的叶倾角信息以便评估作物的水状态和计算体积信息以便预估作物产量，得到作物生长参数。
所述通过无线传输到主机上，采用IEEE 802.11b标准，IEEE 802.11b最高数据传输速率能达11Mpbs，数据传输距离为30~100m，IEEE802.11b标准提供了一种Internet的无线接入技术；而监测机构设置伴随深度相机进行移动的小主机配置有符合所述标准的WIFI，在温室的实际操作距离内，实现大量点云数据的传输。
如图14所示，所述建立作物监测模型，依据实验研究获取的相关性和获取的相关环境参数进行数学建模得到。实验通过手动测量植物真实参数，作为标准值，包括植物的株高，叶面氮状态、叶面积、叶倾角、体积和深度相机获取的植物点云提取出的相应参数之间建立相关性，在作物种植同时，通过传感器监测记录其种植的环境参数，将得到的环境参数和作物参数之间通过处理建立得到作物监测模型。而后才将建立的作物监测模型用于指导生产的实时监测过程中。实时监测时深度相机测量的点云数据和传感器获取环境参数输入到建立的作物监测模型产出作物信息参数和优化后的环境参数，并通过移动端等显示实时计算出的作物信息参数，同时通过控制端调节环境到优化后的环境参数。
上述具体实施方式用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种基于深度相机的温室作物三维形态监测装置，其特征在于：包括监测机构支架(1)、栽有作物的水培装置(2)、监测机构(3)、种植支架(4)和监测终端(5)；所述水培装置(2)由并列多行且每行为多列的子水培装置组成，水培装置(2)安装在种植支架(4)上，并位于监测机构支架(1)内，监测机构支架(1)上面四周是用轨道(11)围成的框架，框架内沿长度方向等距设有轨道(11)，每条轨道(11)均是由左、右两条槽钢焊接成 “□”形的轨道，且“□”形的轨道中间留有缝隙，监测机构(3)通过自身的移动机构(34)能沿“□”形的轨道，在水培装置(2)作物的正上方移动，监测机构(3)上的小主机(35)与监测终端(5)无线连接；
所述监测机构(3)，包括深度相机(31)、深度相机固定件（32）、连接件(33)、移动机构(34)和小主机(35)；连接件(33)上端面装有小主机(35)，连接件(33)下端面开有两条槽，每条槽内装有多个小滚轮(33a)，两条槽内的小滚轮(33a)能在“□”形轨道上面移动，倒“Y”连接件上端插入“□”形轨道中间缝隙中并与连接件(33)连接，深度相机固定件(32)的上端插入倒“Y”连接件叉口端内，并用螺钉(37)和螺母(36)连接，深度相机固定件(32)的下端与深度相机(31)连接。
2.根据权利要求1所述的一种基于深度相机的温室作物三维形态监测装置：其特征在于：所述移动机构(34)，包括两个滚轮和电动机，电动机安装在“Y”连接件上端孔内，电动机两侧的输出轴上分别装有滚轮，两个滚轮分别能在“□”形轨道内的左、右两条槽钢底面滚动，从而带动监测机构(3)移动。
3.用于权利要求1所述监测装置的一种基于深度相机的温室作物三维形态监测方法，其特征在于，该方法的监测步骤如下：
1) 深度相机和小主机构成的监测机构能在“□”形轨道上移动，依据作物不同的种植时期采取不同监测路径移动路线，采集深度数据；
2) 采集到的深度数据通过传感器无线网络传输到监测终端，即深度相机获得的深度数据在小主机上进行预处理后，进行数据压缩，然后通过无线数据传输到监测终端上，对压缩后的数据进行联合解码后，对数据进行存储和分析，最后通过监测终端进行分析结果的UI展示；将提取出作物的相关参数和传感器获取的环境参数，输入建立的作物监测模型，计算作物的信息参数通过网络同步到物联网，同时优化环境参数依照得到的参数通过控制中心对环境条件实现校正。
4.根据权利要求3所述的一种基于深度相机的温室作物三维形态监测方法，其特征在于：所述不同种植时期采取不同监测路径移动方式，即分为：
1)作物成长的早期，深度相机和小主机的固定机构的监测路径移动为沿早期作物正上方轨道依次连续移动，釆集深度数据；
2)作物成长的中期，深度相机和小主机的固定机构的监测路径移动为沿中期作物中间一行正上方轨道依次连续移动，釆集深度数据；
3)作物成长的后期，深度相机和小主机的固定机构的监测路径移动为沿后期作物正上方轨道依次连续移动，釆集深度数据。
5.根据权利要求3所述的一种基于深度相机的温室作物三维形态监测方法，其特征在于：所述对数据进行存储和分析，是对小主机数据预处后过的原始数据进行配准，过滤掉无用点云和噪声，对图像进行分割，提取出作物的彩色三维点云，对提取出作物的彩色三维点云进行建模，获得完整的植物模型；所述模型中分别提取出株高信息，提取叶面积信息，提取叶面颜色信息以便评估作物氮状态，提取作物的叶倾角信息以便评估作物的水状态和计算体积信息以便预估作物产量，得到作物生长参数。
6.根据权利要求3所述的一种基于深度相机的温室作物三维形态监测方法，其特征在于：所述通过无线传输到监测终端上，采用IEEE 802.11b标准，IEEE 802.11b最高数据传输速率能达11Mpbs，数据传输距离为30~100m，IEEE802.11b标准提供了一种Internet的无线接入技术；而监测机构设置伴随深度相机进行移动的小主机配置有符合所述标准的WIFI，在温室的实际操作距离内，实现大量点云数据的传输。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
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Granted publication date: 20190716 Termination date: 20211123 |