CN109282744A - 作物节单位表型监测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种作物节单位表型监测装置，属于农作物监测技术领域。其包括支架、传感器组、通讯模块及激光定位模块，传感器组、通讯模块及激光定位模块均安装在支架上，通讯模块用于将传感器组及激光定位模块获取的信息上传到远端服务器，并用于实现与另一作物节单位表型监测装置之间的通讯，激光定位模块用于获取自身所处的位置，传感器组包括用于获取作物图像的图像传感器及用于获取作物点云数据的3D传感器。本发明通过传感器组自动采集数据信息，通过通讯单元上传数据以便进行后续分析处理，整个过程采用自动化的监测方法，提高了监测的效率，降低人工成本，避免了人为误差对监测结果的干扰，易于大面积推广应用。

Description

作物节单位表型监测装置及方法

技术领域

本发明涉及农作物监测技术领域，尤其涉及一种作物节单位表型监测装置及方法。

背景技术

节单位(茎秆、叶鞘、叶片)是作物生长发育的基本器官和组成单位。对节单位生长监测及发育模式分析有利于建立作物的生长发育模型，提供作物冠层三维重建的基础约束性信息，是作物表型组学研究的关键技术。

目前，对节单位生长发育信息的观察记录仍然依靠人工调查、手工测量及手工称重等方式，虽然简单易行，但人工测量误差大、难以自动化大规模开展，已经成为制约作物栽培、育种领域发展的瓶颈问题。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明的目的之一是提供一种作物节单位表型监测装置，用以实现自动化测量，提供测量数据的准确性，降低测量的人工成本。

本发明的目的之二是提供一种作物节单位表型监测方法，通过采用上述作物节单位表型监测装置进行自动化监测。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题之一，本发明提供一种作物节单位表型监测装置，包括支架、传感器组、通讯模块及激光定位模块，所述传感器组、所述通讯模块及所述激光定位模块均安装在所述支架上，所述通讯模块用于将所述传感器组及所述激光定位模块获取的信息上传到远端服务器，并用于实现与另一所述作物节单位表型监测装置之间的通讯，所述激光定位模块用于获取自身所处的位置，所述传感器组包括用于获取作物图像的图像传感器及用于获取作物点云数据的3D传感器。

优选地，所述支架包括支撑杆、底板、气动连杆，所述气动连杆一端与所述底板相连，另一端与所述支撑杆相连，所述传感器组安装在所述支撑杆的顶端，所述通讯模块与所述激光定位模块均安装在所述底板上。

优选地，在所述底板内部安装控制模块及与所述气动连杆电连接的驱动电机，所述控制模块用于控制所述气动连杆的旋转和升降。

优选地，在所述底板上还安装电源，所述电源分别与所述传感器组、所述驱动电机、所述控制模块、所述通讯模块及所述激光定位模块电连接。

优选地，所述传感器组有四个，对称安装在所述支撑杆的顶端。

为了解决上述技术问题之二，本发明提供一种用上述作物节单位表型监测装置监测作物节单位表型的方法，包括如下步骤：

步骤S10，在作物群体内沿一株作物植株200周向布置多个所述作物节单位表型监测装置；

步骤S20，相邻的两个所述作物节单位表型监测装置中之间通过通讯模块相互通讯，通过激光定位模块获取自身所处的坐标位置；

步骤S30，图像传感器采集作物被监测的节单位的图像信息，3D传感器采集作物被监测的节单位的点云数据；

步骤S40，所述通讯模块将所述图像传感器及所述3D传感器获取的信息上传到远端服务器上；

步骤S50，所述远端服务器分析计算出节单位的各项表型监测值。

优选地，步骤S20与步骤S30之间还包括如下步骤：

步骤S21，控制模块驱动气动连杆升降以调整作物群体内的多个所述作物节单位表型监测装置的高度；

步骤S22，所述控制模块驱动所述气动连杆旋转使所述图像传感器及所述3D传感器朝向被监测的节单元。

优选地，步骤S50包括如下步骤：

步骤S51，所述远端服务器接收所述激光定位模块发送的坐标位置信息，以其中一个所述作物节单位表型监测装置的坐标位置为基准，计算其他作物节单位表型监测装置与该基准之间的位置变换矩阵；

步骤S52，所述远端服务器根据计算出的位置变换矩阵对接收到的点云数据进行位置变换，获取节单位的三维点云模型；

步骤S53，所述远端服务器通过图像处理软件将接收到的图像信息拼接为所述节单位的全景图像。

优选地，在步骤S10中，所述作物节单位表型监测装置为四个，四个所述作物节单位表型监测装置之间顺次相连形成正四边形，作物植株位于正四边形的中心。

(三)有益效果

本发明提供的作物节单位表型监测装置，通过传感器组自动采集数据信息，通过通讯单元上传数据以便进行后续分析处理，整个过程采用自动化的监测方法，提高了监测的效率，降低人工成本，避免人为误差对监测结果的干扰，简单易行，易于大面积推广应用。

附图说明

图1为本发明实施例作物节单位表型监测装置的结构示意图；

图2为图1所示的作物节单位表型监测装置在作物群体内的布置方式示意图；

图3为对图1所示的作物节单位表型监测装置所获取的信息进行分析处理后得到的茎叶夹角随时间的变化趋势图。

图中：100、作物节单位表型监测装置；1、支架；11、底板；12、气动连杆；13、支撑杆；2、传感器组；3、通讯模块；4、激光定位模块；200、作物植株。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

如图1所示，一种作物节单位表型监测装置100，包括支架1、传感器组2、通讯模块3及激光定位模块4。其中，传感器组2、通讯模块3与激光定位模块4均安装在支架1上。通讯模块3用于和外部服务器及其他作物节单位表型监测装置100发生通讯，以便信息共享。具体地，通讯模块3可以将传感器组2采集的信息上传至远端服务器，并且能够与安放在同一作物群体内的其他作物节单位表型监测装置100进行数据通讯。激光定位模块4用于获取自身所处的位置坐标，该位置坐标包括三维坐标及倾斜角度。从多个作物节单位表型监测装置100中选定一个作为基准，三维坐标是该作物节单位表型监测装置100相对于基准的坐标值，倾斜角度是相对于各作物节单位表型监测装置100相对于地面的倾斜度。传感器组2包括图像传感器和3D传感器，图像传感器用于采集作物的数码图像，3D传感器用于采集作物的点云数据。

使用时，在作物群体内围绕单株作物植株200设置多个作物节单位表型监测装置100，其中各个作物节单位表型监测装置100中的传感器组朝向被监测节单元，各通讯模块3之间相互感知，通过激光定位模块4获取自身位置信息，通讯模块3将位置信息上传至远端服务器，为后续的分析处理提供基础；传感器组2中的3D传感器获取待监测节单元的点云数据，通过通讯模块3上传至远端服务器，结合激光定位模块4获取自身位置信息，可以分析得到节单元的三维点云模型；图像传感器获取待监测节单元的图像信息，经通讯模块3上传至远端服务器，结合图像处理技术拼接出节单位的全景图；利用全景图和三维点云模型可以计算出节间长度、茎秆直径、叶鞘长度、叶片长、叶片宽、茎叶夹角、叶片方位角等表型数据。

综上，本发明实施例中的作物节单位表型监测装置100通过自动化监测和数据处理，提高了监测的效率，降低人工成本，避免人为误差对监测结果的干扰，简单易行，易于大面积推广应用。

为了方便自动调整传感器组2的高度和角度，本发明实施例中的支架1包括底板11、气动连杆12和支撑杆13。其中，气动连杆12一端与支撑杆13相连，另一端与底板11相连。传感器组2安装在支撑杆13顶端，通讯模块3和激光定位模块4安装在底板11上。气动连杆12用于为支撑杆13的升降提供动力，从而调整传感器组2的高度。在底板11上还安装与气动连杆12电连接的驱动电机，在控制模块的控制下，驱动电机驱动气动连杆12旋转，从而调整传感器组2的角度。

除此之外，在底板11内还安装电源，该电源分别与传感器组、驱动电机、控制模块、通讯模块和激光定位模块电连接，用于向这些需电单元供电。

为了减少使用过程中所需的作物节单元表型监测装置的数量，在支撑杆13顶端设有四个传感器组2。这四个传感器组2呈十字型布置，这样使用时，可以同时监测四个作物植株200，能有效减少作物节单位表型监测装置100的数量。

本发明实施例还提供了一种使用上述作物节单位表型监测装置100进行监测的方法，其具体包括如下步骤：

步骤S10，在作物群体内沿一株作物植株200周向布置多个作物节单位表型监测装置100；具体地，可以在一株作物植株200周围布置四个作物节单位表型监测装置100，各作物节单位表型监测装置100顺次相连形成正四边形结构，作物植株200位于正四边形内，其布置方式如图2所示。

步骤S20，相邻的两个作物节单位表型监测装置100中之间通过通讯模块3相互通讯感知对方，通过激光定位模块4获取自身所在的坐标位置，包括三维坐标和倾斜角度。该坐标位置经由通讯模块3上传至远端服务器，将该作物节单位表型监测装置100的自身姿态在围绕同一植株的多个作物节单位表型监测装置100所组成的监测群组内进行注册。

步骤S30，图像传感器采集作物植株200被监测的节单位的图像信息，3D传感器采集作物植株200被监测的节单位的点云数据。

步骤S40，通讯模块3将图像传感器及3D传感器获取的信息上传到远端服务器上。

步骤S50，远端服务器分析计算出节单位的各项表型监测值。具体地，在远端服务器内设有数据分析处理软件，通过该软件对接收到的数据进行统一处理，获取节单位的节间长度、茎秆直径、叶鞘长度、叶片长、叶片宽、茎叶夹角、叶片方位角等表型数据。

具体地，在步骤S20和步骤S30之间包括如下步骤：

步骤S21，控制模块驱动气动连杆12升降，调整作物节单位表型监测装置100的高度，以便适应不同高度的作物植株200。

步骤S22，控制模块驱动气动连杆12旋转，调整图像传感器和3D传感器的朝向，使其与被监测的节单元相对。

通过以上高度和角度的调节，使获取的信息更加有针对性，更加准确有效，从而提高节单位表型数据的监测准确度。

本发明实施例中的远端服务器进行数据处理分析的具体方法如下：

步骤S51，远端服务器接收激光定位模块发送的坐标位置信息，以其中一个作物节单位表型监测装置100的坐标位置为基准，计算围绕同一植株的其他作物节单位表型监测装置100与该基准之间的位置变换矩阵。

步骤S52，对接收到的点云数据进行相应的位置变换，获取节单位的三维点云模型。

步骤S53，通过图像处理软件将接收到的图像信息拼接为节单位的全景图像。

步骤S54，根据全景图像和三维点云模型计算节间长度、茎秆直径、叶鞘长度、叶片长、叶片宽、茎叶夹角、叶片方位角等表型数据。

具体地，以茎叶夹角的计算为例进行详细说明如下：

取作物上一点M(x，y，z)，作物平面P(AX+BY+CZ+D＝0)，t＝-(Ax+By+Cz+D)/A2+B2+C2，M’(x’＝x+At，y’＝y+Bt，z’＝z+Ct)为点M在平面P上的投影点，旋转作物平面使其与XY(XZ，YZ)平面平行，此时平面P内所有点的三维坐标中z分量相等。对旋转后的平面P内的离散叶片点，以叶片最高点为界进行二次函数分段拟合，为保证叶片曲线的光顺性，用7个关键点描述叶片形状：茎叶交点、叶片最高点、叶片尖端点、二次拟合曲线求得的4个中间点，对这7个关键点进行Cardinal样条插值产生代表叶片形状的曲线。茎叶夹角取茎的方向与叶片曲线上茎叶连接点到叶片长度1/5为止的各直线所成的角度的均值，获得的茎叶夹角随时间变化趋势如图3所示。

以四个作物节单位表型监测装置100组成的监测群组为例说明节单位的三维点云模型的处理过程。远端服务器先对四个装置获取的数据进行匹配和注册。按逆时针排列的四个作物节单位表型监测装置100分别为装置(1，2，3，4)，各自获取的点云分别为P₁、P₂、P₃、P₄。装置1和2之间的位置变换可由旋转矩阵R₁₂和平移向量T₁₂描述，同理，装置1和3之间的位置变换可由旋转矩阵R₁₃和平移向量T₁₃描述，装置1和4之间的位置变换可由旋转矩阵R₁₄和平移向量T₁₄描述。将P₂，P₃，P₄分别通过R₁₂×P₂+T₁₂，R₁₃×P₃+T₁₃，R₁₄×P₄+T₁₄转换到P₁点的坐标系，将转换后的点与P₁融合，获得节单位的三维点云模型。

综上，本发明实施例中的作物节单位表型监测方法，通过自动化的数据采集和分析处理获取节单位表型数据，监测效率高，人为误差小，有助于实现大面积作物群体的表型监测。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，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)

1.一种作物节单位表型监测装置，其特征在于，包括支架、传感器组、通讯模块及激光定位模块，所述传感器组、所述通讯模块及所述激光定位模块均安装在所述支架上，所述通讯模块用于将所述传感器组及所述激光定位模块获取的信息上传到远端服务器，并用于实现与另一所述作物节单位表型监测装置之间的通讯，所述激光定位模块用于获取自身所处的位置，所述传感器组包括用于获取作物图像的图像传感器及用于获取作物点云数据的3D传感器。

2.根据权利要求1所述的作物节单位表型监测装置，其特征在于，所述支架包括支撑杆、底板、气动连杆，所述气动连杆一端与所述底板相连，另一端与所述支撑杆相连，所述传感器组安装在所述支撑杆的顶端，所述通讯模块与所述激光定位模块均安装在所述底板上。

3.根据权利要求2所述的作物节单位表型监测装置，其特征在于，在所述底板内部安装控制模块及与所述气动连杆电连接的驱动电机，所述控制模块用于控制所述气动连杆的旋转和升降。

4.根据权利要求3所述的作物节单位表型监测装置，其特征在于，在所述底板上还安装电源，所述电源分别与所述传感器组、所述驱动电机、所述控制模块、所述通讯模块及所述激光定位模块电连接。

5.根据权利要求1所述的作物节单位表型监测装置，其特征在于，所述传感器组有四个，对称安装在所述支撑杆的顶端。

6.一种用权利要求1-5任一项所述的作物节单位表型监测装置监测作物节单位表型的方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤S10，在作物群体内沿一株作物植株200周向布置多个所述作物节单位表型监测装置；

步骤S20，相邻的两个所述作物节单位表型监测装置中之间通过通讯模块相互通讯，通过激光定位模块获取自身所处的坐标位置；

步骤S30，图像传感器采集作物被监测的节单位的图像信息，3D传感器采集作物被监测的节单位的点云数据；

步骤S40，所述通讯模块将所述图像传感器及所述3D传感器获取的信息上传到远端服务器上；

步骤S50，所述远端服务器分析计算出节单位的各项表型监测值。

7.根据权利要求6所述的作物节单位表型监测方法，其特征在于，步骤S20与步骤S30之间还包括如下步骤：

步骤S21，控制模块驱动气动连杆升降以调整作物群体内的多个所述作物节单位表型监测装置的高度；

步骤S22，所述控制模块驱动所述气动连杆旋转使所述图像传感器及所述3D传感器朝向被监测的节单元。

8.根据权利要求6所述的作物节单位表型监测方法，其特征在于，步骤S50包括如下步骤：

步骤S51，所述远端服务器接收所述激光定位模块发送的坐标位置信息，以其中一个所述作物节单位表型监测装置的坐标位置为基准，计算其他作物节单位表型监测装置与该基准之间的位置变换矩阵；

步骤S52，所述远端服务器根据计算出的位置变换矩阵对接收到的点云数据进行位置变换，获取节单位的三维点云模型；

步骤S53，所述远端服务器通过图像处理软件将接收到的图像信息拼接为所述节单位的全景图像。

9.根据权利要求6所述的作物节单位表型监测方法，其特征在于，在步骤S10中，所述作物节单位表型监测装置为四个，四个所述作物节单位表型监测装置之间顺次相连形成正四边形，作物植株位于正四边形的中心。