CN109358341A - 一种便携式草地生物量无损伤测量装置 - Google Patents

一种便携式草地生物量无损伤测量装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种便携式草地生物量无损伤测量装置，RGB图像获取模块和固态面阵激光雷达分别采集大量高分辨率的草地RGB图像和相对距离图像，GPS模块获取当前草地区域的GPS信息，嵌入式信号控制及处理板对相对距离图像进行距离差值和直方图统计获取被测区域完整的草地高度分布信息，同时对草地RGB图像进行覆盖度计算，最后根据大量的草地覆盖度数据、草地高度分布数据和对应区域的GPS信息进行草地生物量解算，使用本发明能够实时、全面地获取草地生物量信息，且结构简单、携带方便。

Description

一种便携式草地生物量无损伤测量装置
技术领域
本发明属于草地信息采集技术领域，具体涉及一种便携式草地生物量无损伤测量装置。
背景技术
草地生物量的测量是有效反映草地生长情况的重要指标，可为草原的演替趋势和生产潜力提供基础信息。
草地生物量的测量包括草地覆盖度的测量和高度的测量，传统的草地生物量测量通常是分别进行草地覆盖度测量和草地高度测量，然后线下进行生物量的解算。其中草地覆盖度测量通常采用照相法，草地高度测量通常采用尺子测量法和传感器测量法，因此其存在以下问题：①需多人操作；②便携性不强；③不能实时获取生物量；④可操作性不强；⑤测量精度不高。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是提供一种便携式草地生物量无损伤测量装置，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，为草原演替趋势和生产潜力的研究以及相关人员野外实时获取生物量信息提供了技术支持。
一种便携式草地生物量无损伤测量装置，包括壳体(10)、固态面阵激光雷达(1)、RGB图像获取模块(2)、嵌入式信号处理板(3)、显示屏(4)以及手持端(7)；
其中，所述固态面阵激光雷达(1)用于获取被测草地的相对距离图像，并根据相对距离图像获得草地区域的草地高度分布直方图；
所述RGB图像获取模块(2)用于获取被测草地的RGB图像；
所述嵌入式信号处理板(3)用于根据所述RGB图像识别出的有草区域和无草区域，并得到有草区域覆盖度；
所述显示屏(4)用于显示测量装置的工作状态和草地区域覆盖度以及草地高度测量结果；
所述手持端(7)固定在壳体(10)上。
进一步的，固态面阵激光雷达(1)包括激光发射模块(11)、激光发射透镜组(12)、激光接收透镜组(13)、窄带滤光片(14)、集成CMOS光电测距芯片(15)、光源驱动电路模块(16)和距离信息处理模块(17)；
所述光源驱动电路模块(16)驱动激光发射模块(11)发出激光信号；并由激光发射透镜组(12)向待测草地发射；激光接收透镜组(13)收目标反射的激光信号，经窄带滤光片(14)滤除杂散光；集成CMOS光电测距芯片(15)计算固态面阵激光雷达(1)到草地的相对距离图像；所述距离信息处理模块(17)获得被测草地的高度分布直方图。
进一步的，所述集成CMOS光电处理芯片(15)对回波信号进行多相位窗电荷累积积分并得到相对距离图像的具体过程为：
集成CMOS光电处理芯片(15)的每个像素点按照4个不同相位窗依次接收回波信号，得到4组不同相位的积分电荷Q1、Q2、Q3和Q4；其中，Q1、Q2、Q3和Q4分别为相位窗相对于反射的调制光信号的移动相位为0度、180度、90度以及动270度时的积分电荷；计算光信号在集成CMOS光电处理芯片的每个像素点与草地之间往返的相位差 其中∑Q1、∑Q2、∑Q3和∑Q4分别为积分电荷的多次累积结果；
然后根据每个像素点对应的相位差间接计算出往返时间t，再根据光速c计算集成CMOS光电处理芯片(15)的每个像素点与草地之间的距离，由此得到固态面阵激光雷达(1)与草地之间的距离图像。
进一步的，距离信息处理模块(17)计算草地区域的分布直方图的具体过程为：
距离图像中查找草地区域中各个像素点对应的距离，将各个像素点对应的距离乘以得到di′，其中夹角表示固态面阵激光雷达(1)中心像素位置与各像素点位置的夹角；在di′中寻找最大值dmax；根据RGB图像获取模块(2)识别的草地中有草区域和无草区域，将无草区域中各像素点的距离信息置为dmax；再根据di′和dmax得到真实的草地高度dmax-di′；根据草地高度绘制被测草地的高度分布直方图。
较佳的，所述固态面阵激光雷达(1)和RGB图像获取模块(2)固定在壳体(10)的底部。
进一步的，还包括GPS模块(6)，置于壳体(10)顶部，用于采集当前草地位置的GPS信息。
进一步的，还包括控制按键(5)，置于壳体(10)的顶部，控制测量装置进行工作。
进一步的，还包括电池(8)以及电源模块(9)，用于给测量装置供电。
本发明具有如下有益效果：
本发明的一种便携式草地生物量无损伤测量装置，RGB图像获取模块和固态面阵激光雷达分别采集大量高分辨率的草地RGB图像和相对距离图像，GPS模块获取当前草地区域的GPS信息，嵌入式信号控制及处理板对相对距离图像进行距离差值和直方图统计获取被测区域完整的草地高度分布信息，同时对草地RGB图像进行覆盖度计算，最后根据大量的草地覆盖度数据、草地高度分布数据和对应区域的GPS信息进行草地生物量解算，使用本发明能够实时、全面地获取草地生物量信息，且结构简单、携带方便。
附图说明
图1是便携式草地生物量无损伤测量装置的示意图；
图2是固态面阵激光雷达结构示意图；
图3(a)是被测草地RGB图像；
图3(b)是被测草地中草地区域对应高度模拟分布直方图。
其中，1-固态面阵激光雷达、2-RGB图像获取模块、3-嵌入式信号控制处理板、4-显示屏、5-控制按键、6-GPS模块、7-手持端、8-电池、9-电源模块、10-壳体、11-激光发射模块、12-激光发射透镜组、13-激光接收透镜组、14-窄带滤光片、15-集成CMOS光电测距芯片、16-光源驱动电路模块、17-距离信息处理模块。
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。
本发明提供一种便携式草地生物量无损伤测量装置，如图1所示，包括壳体10、固态面阵激光雷达1、RGB图像获取模块2、嵌入式信号控制处理板3、显示屏4、控制按键5、GPS模块6、手持端7、电池8以及电源模块9；其中，固态面阵激光雷达1和RGB图像获取模块2固定在壳体10的底部，用于获取被测草地的相对距离图像和RGB图像；显示屏4置于壳体10的一个侧面上，用于显示测量装置的工作状态和测量结果；电池8和电源模块9置于壳体10的内部，用于给测量装置供电；GPS模块6置于壳体10顶部，用于采集当前草地位置的GPS信息；手持端7和控制按键5置于壳体10的外部，用于手持装置和控制装置进行工作；嵌入式信号控制处理板3置于壳体10的内部，分别连接固态面阵激光雷达1、RGB图像获取模块2、显示屏4、GPS模块6、电源模块9和控制按键5，用于控制各模块工作、采集各模块信息和解算生物量信息。
其中，如图2所示，固态面阵激光雷达1由激光发射模块11、激光发射透镜组12、激光接收透镜组13、窄带滤光片14、集成CMOS光电测距芯片15、光源驱动电路模块16和距离信息处理模块17组成。
生物量测量时，首先通过手持端7将测量装置置于待测区域上方，然后通过装置顶部控制按键5实现草地RGB图像获取、相对距离图像获取、GPS信息获取、覆盖度计算、高度计算以及生物量计算。
本发明采用的草地高度测量方案，使用的是固态面阵激光雷达1测距方式，固态面阵激光雷达1的光源驱动电路模块16驱动激光发射模块11发出激光信号；并由激光发射透镜组12向待测区域发射；激光接收透镜组13接收目标反射的激光信号，经窄带滤光片14滤除杂散光；集成CMOS光电测距芯片15对回波信号进行多相位窗电荷累积积分并计算相位差，结合光速计算雷达到草地的相对距离图像；如图3(a)和(b)所示；距离信息处理模块17通过相对距离图像找到草地最低点(地面)，最后根据相对距离图像和草地最低点之间的关系可形成草地区域的分布直方图，通过草地分布直方图可充分说明被测草地的完整高度分布。
其中，集成CMOS光电处理芯片对回波信号进行多相位窗电荷累积积分并得到相对距离图像的具体过程为：
集成CMOS光电处理芯片的每个像素点按照4个不同相位窗依次接收回波信号，得到4组不同相位的积分电荷Q1、Q2、Q3和Q4；其中，Q1、Q2、Q3和Q4分别为相位窗相对于反射的调制光信号的移动相位为0度、180度、90度以及动270度时的积分电荷；计算光信号在集成CMOS光电处理芯片的每个像素点与草地之间往返的相位差 其中∑Q1、∑Q2、∑Q3和∑Q4分别为积分电荷的多次累积结果。
然后根据每个像素点对应的相位差间接计算出往返时间t，再根据光速c计算集成CMOS光电处理芯片的每个像素点与草地之间的距离，由此得到固态面阵激光雷达与草地之间的距离图像。
距离信息处理模块17计算草地区域的分布直方图的具体过程为：
距离图像中查找草地区域中各个像素点对应的距离，将各个像素点对应的距离乘以得到di′，其中夹角表示激光雷达中心像素位置与各像素点位置的夹角；在di′中寻找最大值dmax；根据RGB图像获取模块2识别的草地中有草区域和无草区域，将无草区域中各像素点的距离信息置为dmax；再根据di′和dmax得到真实的草地高度dmax-di′；根据草地高度绘制被测草地的高度分布直方图。
本发明采用的草地覆盖度测量方案为：首先所述RGB图像获取模块2通过摄像头采集待测区域图像信息，所述嵌入式信号处理控制板3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二值化处理，最后根据二值化处理结果计算草地和非草地所占比例，得出草地的有草区域覆盖度。
所述嵌入式信号处理控制板3用于控制各模块工作以及运行草地生物量测量软件，可实时显示当前的工作状态以及测量信息，该嵌入式信号处理控制板3上运行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 (8)

1.一种便携式草地生物量无损伤测量装置，其特征在于，包括壳体(10)、固态面阵激光雷达(1)、RGB图像获取模块(2)、嵌入式信号处理板(3)、显示屏(4)以及手持端(7)；
其中，所述固态面阵激光雷达(1)用于获取被测草地的相对距离图像，并根据相对距离图像获得草地区域的草地高度分布直方图；
所述RGB图像获取模块(2)用于获取被测草地的RGB图像；
所述嵌入式信号处理板(3)用于根据所述RGB图像识别出的有草区域和无草区域，并得到有草区域覆盖度；
所述显示屏(4)用于显示测量装置的工作状态和草地区域覆盖度以及草地高度测量结果；
所述手持端(7)固定在壳体(10)上。
2.如权利要求1所述的一种便携式草地生物量无损伤测量装置，其特征在于，固态面阵激光雷达(1)包括激光发射模块(11)、激光发射透镜组(12)、激光接收透镜组(13)、窄带滤光片(14)、集成CMOS光电测距芯片(15)、光源驱动电路模块(16)和距离信息处理模块(17)；
所述光源驱动电路模块(16)驱动激光发射模块(11)发出激光信号；并由激光发射透镜组(12)向待测草地发射；激光接收透镜组(13)收目标反射的激光信号，经窄带滤光片(14)滤除杂散光；集成CMOS光电测距芯片(15)计算固态面阵激光雷达(1)到草地的相对距离图像；所述距离信息处理模块(17)获得被测草地的高度分布直方图。
3.如权利要求1所述的一种便携式草地生物量无损伤测量装置，其特征在于，所述集成CMOS光电处理芯片(15)对回波信号进行多相位窗电荷累积积分并得到相对距离图像的具体过程为：
集成CMOS光电处理芯片(15)的每个像素点按照4个不同相位窗依次接收回波信号，得到4组不同相位的积分电荷Q1、Q2、Q3和Q4；其中，Q1、Q2、Q3和Q4分别为相位窗相对于反射的调制光信号的移动相位为0度、180度、90度以及动270度时的积分电荷；计算光信号在集成CMOS光电处理芯片的每个像素点与草地之间往返的相位差 其中∑Q1、∑Q2、∑Q3和∑Q4分别为积分电荷的多次累积结果；
然后根据每个像素点对应的相位差间接计算出往返时间t，再根据光速c计算集成CMOS光电处理芯片(15)的每个像素点与草地之间的距离，由此得到固态面阵激光雷达(1)与草地之间的距离图像。
4.如权利要求3所述的一种便携式草地生物量无损伤测量装置，其特征在于，距离信息处理模块(17)计算草地区域的分布直方图的具体过程为：
距离图像中查找草地区域中各个像素点对应的距离，将各个像素点对应的距离乘以得到di′，其中夹角表示固态面阵激光雷达(1)中心像素位置与各像素点位置的夹角；在di′中寻找最大值dmax；根据RGB图像获取模块(2)识别的草地中有草区域和无草区域，将无草区域中各像素点的距离信息置为dmax；再根据di′和dmax得到真实的草地高度dmax-di′；根据草地高度绘制被测草地的高度分布直方图。
5.如权利要求1所述的一种便携式草地生物量无损伤测量装置，其特征在于，所述固态面阵激光雷达(1)和RGB图像获取模块(2)固定在壳体(10)的底部。
6.如权利要求1所述的一种便携式草地生物量无损伤测量装置，其特征在于，还包括GPS模块(6)，置于壳体(10)顶部，用于采集当前草地位置的GPS信息。
7.如权利要求1所述的一种便携式草地生物量无损伤测量装置，其特征在于，还包括控制按键(5)，置于壳体(10)的顶部，控制测量装置进行工作。
8.如权利要求1所述的一种便携式草地生物量无损伤测量装置，其特征在于，还包括电池(8)以及电源模块(9)，用于给测量装置供电。
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