CN109579910A

CN109579910A - 作物耗水规律表型监测系统及方法

Info

Publication number: CN109579910A
Application number: CN201811469805.5A
Authority: CN
Inventors: 薛绪掌; 张馨; 杜雅丽; 张钟莉莉; 郑文刚; 成媛媛
Original assignee: Beijing Research Center of Intelligent Equipment for Agriculture
Current assignee: Beijing Research Center of Intelligent Equipment for Agriculture
Priority date: 2018-11-28
Filing date: 2018-11-28
Publication date: 2019-04-05

Abstract

本发明涉及作物生长监测技术领域，提供了一种作物耗水规律表型监测系统及方法，作物耗水规律表型监测系统，包括运动控制机构、表型监测机构、测控机构和蒸渗仪机构；作物耗水规律表型监测方法，包括如下步骤：步骤一，采集作物的表型信息；步骤二，上位机和控制器联合控制龙门移动；步骤三，蒸渗仪记录蒸散耗水量数据。实现蒸渗仪数据与表型数据结合，提高了作物耗水规律监测的准确性；通过龙门架移动监测，扩大了测量面积，调整测量速度及收集作物表型信息的频率，实现快速定位测量，便捷准确；系统扩展性强，集成度高，操作简单；本监测方法通过预设程序自动完成测试过程，测试过程快，准确度和精确度高。

Description

作物耗水规律表型监测系统及方法

技术领域

本发明涉及作物生长监测技术领域，特别是涉及一种作物耗水规律表型监测系统及方法。

背景技术

现有监测技术中存在以下缺陷：

(一)无人机遥感技术，测量粮食作物例如水稻、小麦等生物量信息，偏向于群体整体信息分析，同时对监测设备能耗、体积、重量有一定要求。

(二)实验室单株多性状高通量测量，将植株放在暗箱中，利用多种成像方式获取表型信息，这种方法得到的表型信息较为准确，但是无法实现田地测量。在此基础上引入的自动化输送线，将农作物单独种植于花盆中，依次运送到实验室暗箱中测量，也不是真正意义上的田间测量。所处理的植株都是盆栽农作物，并不是真正意义上的田间高通测量，只是在实验室结构化环境下的近似逼近。

(三)目前大型科研机构或跨国公司构建的高通量植物表型测试平台造价过高，大部分科研单位和公司都难以承受。

(四)目前未有针对称重式蒸渗仪开发表型监测系统，难以将表型参数和蒸渗仪数据集成一体，未能将表型数据与作物需水状态关联，与实际应用还有一定距离。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明的目的是提供一种作物耗水规律表型监测系统及方法，以解决现有监测技术中难以将作物表型参数和蒸渗仪数据集成一体的问题。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供一种作物耗水规律表型监测系统，包括运动控制机构、表型监测机构、测控机构和蒸渗仪机构，所述运动控制机构包括控制器和龙门架，所述表型监测机构设置在龙门架上；

所述表型监测机构包括CCD图像接收元件、多光谱成像设备和激光扫描仪，均用以采集作物的图像信息；

所述测控机构包括上位机，所述上位机与所述控制器连接，用以联合控制所述龙门架的移动，所述上位机分别与所述CCD图像接收元件、所述多光谱成像设备和所述激光扫描仪连接，用以收集并存储所述作物的图像数据信息；

所述蒸渗仪机构包括蒸渗仪，所述蒸渗仪设置在地下工作室内，所述蒸渗仪对应的地面上设有种植所述作物的种植田，所述蒸渗仪与所述上位机连接。

其中，所述CCD图像接收元件通过视频控制器与所述上位机连接。

其中，所述多光谱成像设备为五目多光谱相机，所述五目多光谱相机设有五个滤光片，五个所述滤光片分别用以实时分离成红、绿、蓝、红边、近红外五个波段。

其中，所述控制器为可编程逻辑控制器，所述可编程逻辑控制器通过伺服驱动器与电机连接。

其中，所述可编程逻辑控制器连接人机交互界面，所述人机交互界面用以人工控制所述龙门架的移动。

其中，所述龙门架安装在轨道上，所述电机安装在所述龙门架上，所述电机用以驱动所述龙门架沿所述轨道移动。

其中，还包括气象站，所述气象站设于地面上并与所述上位机连接，用以采集空气温湿度、光照、风速、降雨量、大气压、总辐射数据信息。

本发明还提供一种作物耗水规律表型监测方法，

包括如下步骤：

步骤一，CCD图像接收元件、多光谱成像设备和激光扫描仪每隔设定时间采集作物的表型信息，并传输至上位机；

步骤二，上位机和控制器联合控制龙门架带动CCD图像接收元件、多光谱成像设备、激光扫描仪和上位机沿蒸渗仪机构的长度方向由蒸渗仪机构的一端移动至另一端；

步骤三，蒸渗仪每隔设定时间记录蒸散耗水量数据，并传输至上位机。

其中，所述步骤二中控制器连接人机交互界面，通过人机交互界面设置龙门架的移动参数。

其中，还包括步骤四，地面设置气象站，采集空气温湿度、光照、风速、降雨量、大气压、总辐射数据信息，并传输至上位机。

(三)有益效果

本发明提供的一种作物耗水规律表型监测系统及方法，通过蒸渗仪和表型监测机构配合，实现蒸渗仪数据与表型数据结合，提高了作物耗水规律监测的准确性；通过龙门架移动监测，扩大了测量面积，调整测量速度及收集作物表型信息的频率，实现快速定位测量，便捷准确；系统扩展性强，集成度高，操作简单；本监测方法通过预设程序自动完成测试过程，测试过程速度快，准确度和精确度高。

附图说明

图1为本发明实施例作物耗水规律表型监测系统的结构示意图；

图2为本发明实施例作物耗水规律表型监测系统的控制器的工艺流程图；

图3为本发明实施例作物耗水规律表型监测系统的上位机与各部件的连接示意图；

图4为本发明实施例作物耗水规律表型监测系统的工作流程示意图。

图中，1：龙门架；2：控制器；3：PC柜；4：激光扫描仪；5：CCD图像接收元件；6：多光谱成像设备；7：蒸渗仪；8：作物；9：轨道；10：气象站；11：上位机。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

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。

此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”、“多根”、“多组”的含义是两个或两个以上，“若干个”、“若干根”、“若干组”的含义是一个或一个以上。

如图1所示，本发明实施例提供一种作物耗水规律表型监测系统，包括运动控制机构、表型监测机构、测控机构和蒸渗仪机构，运动控制机构包括控制器2和龙门架1，,表型监测机构设置在龙门架1上。

其中，龙门架1包括两个滑动竖梁和一个横梁，横梁的两端分别与两个滑动竖梁的上端连接，表型监测机构设置在横梁上，控制器2安装在电机控制柜内，电机控制柜设置在地面上。两个滑动竖梁分别可移动的安装在两个对称布置在地面上的轨道9上，且两个滑动竖梁各自通过对应的电机驱动移动，实现龙门架1在轨道9上往复移动。

其中，控制器2为可编程逻辑控制器(PLC)，本实施例中，控制器2选用DVP40EH00T3型号的PLC，工作电压为24VDC，由开关电源供给。如图2所示，PLC通过两个伺服驱动器一对一控制两个电机。本实施例中，伺服驱动器选用ASD-A2-2023-L型号，电机选用ECMA-E11320RS，伺服驱动器与电机的供电电压均为48VAC，由外接220VAC通过交流变压器进行转换连接。具体的，PLC传送信号至伺服驱动器，伺服驱动器通过输出占空比控制两个电机进行行进，电机带动龙门架1在相应轨道9上同步移动。

其中，PLC连接人机交互界面，实现手动控制龙门架1开始、前进、后退、距离设置、电机转动频率、故障复位功能。在自动控制程序出现故障或需要微小变动，可以改为手动模式。

进一步的，表型监测机构包括CCD图像接收元件5、多光谱成像设备6和激光扫描仪4，均用以采集作物的表型信息；测控机构包括上位机11，上位机11安装在PC柜3中，并固定在地面上。上位机11与控制器2连接，用以联合控制龙门架1的移动，上位机11分别与CCD图像接收元件5、多光谱成像设备6和激光扫描仪4连接，用以收集并存储作物8的表型信息。

其中，如图3所示，本实施例中龙门架1的横梁上设置两个CCD图像接收元件5、两个多光谱成像设备6和两个激光扫描仪4，组成两组表型监测机构，其中每组表型监测机构对应一列作物8。具体的，CCD图像接收元件5选用RGB高速彩色摄像头，型号为CV-h200c，额定电压为24VDC±10％，分辨率为1600×1200，可达到192万有效像素。RGB高速彩色摄像头通过摄像头专用线与视频控制器连接，视频控制器选用CV-5701型号，用以进行高速图像处理，捕获来自RGB高速彩色摄像头的图像进行传输，像素传输频率可达到82MHz。

其中，本实施例中，多光谱成像设备6为五目多光谱相机，选用RedEdge^TM，供电电压为5VDC，包括五个独立的成像器，分别配有特制的滤光片，可实时分离成红(668nm)、绿(560nm)、蓝(475nm)、红边(717nm)、近红外(840nm)5个波段，让每个成像器接收到精确波长范围的光谱。滤光片能提供针对单一波段最大图像分辨率，像素为120万每波段,共600万。

其中，本实施例中，激光扫描仪4为二维激光扫描仪，选用LMS111-10100型号，工作电压为10.8VDC-30VDC。二维激光扫描仪采用多脉冲回波原理，通过红外线(905nm)光源扫描，最远可达到20m的检测距离，针对10％反射率的黑色物体可达到18m，能够识别任何形状的物体。二维激光扫描仪在工作时可进行270°旋转扫描，0.25°角度分辨率，最高扫描频率为50Hz，数据传输率达到100Mbit/s。

其中，视频控制器、五目多光谱相机和二维激光扫描仪均通过网线与交换机连接，交换机与上位机11连接，实现图像信息的传递。上位机11通过对各个RGB高速彩色摄像头、五目多光谱相机和二维激光扫描仪的ip地址进行访问，完成作物8的表型信息的自动采集与存储功能。

其中，上位机11通过RS485总线与PLC连接，并采用ModbusRTU通讯协议与可编程逻辑控制器进行通信控制龙门架1，保证了表型信息采集与龙门架1运动的同步进行，可以在龙门架1移动的时候准确监测到作物8的生长信息。各个RGB高速彩色摄像头、五目多光谱相机和二维激光扫描仪采集到的图像数据信息都会自动存储在上位机11中的指定文件夹。

进一步的，蒸渗仪机构包括蒸渗仪7，蒸渗仪7设置在地下工作室内，地下工作室采用全钢结构，蒸渗仪7对应的地面上设有种植作物8的种植田，蒸渗仪7与上位机11连接。本实施例中，设置24座长1m、宽0.75m、深2m的小型蒸渗仪7，蒸渗仪7装在了全钢结构的地下工作室。每座蒸渗仪7对应的地面上都有一块长为1m、宽为0.8m的种植田，面积为0.8m²，整体面积19.2m²。蒸渗仪7每隔5分钟就会记录一组作物8蒸散耗水量数据，测量的灵敏度在0.05mm-0.1mm之间,监测数据采用上位机11自动控制采集。

其中，轨道9的长度不小于蒸渗仪机构的长度，保证对所有作物8的监测。

进一步的，还包括气象站10，气象站10设于地面上并与上位机11连接，用以采集空气温湿度、光照、风速、降雨量、大气压、总辐射数据信息，并将采集的数据信息发送至上位机11进行存储，用于后期估计作物8耗水量。

如图4所示，本发明实施例提供一种作物耗水规律表型监测方法，以上述的作物耗水规律表型监测系统的监测方法为例，包括如下步骤：

其中，所述步骤二中控制器连接人机交互界面，通过人机交互界面设置龙门架的移动参数，人机交互界面具有开始、前进、后退、距离设置、电机转动频率、故障复位功能，通过改变电机转动频率控制龙门架的移动速度。

其中，还包括步骤四，地面设置气象站，采集空气温湿度、光照、风速、降雨量数据信息，并传输至上位机。

其中，步骤一中高速摄像头和多光谱相机每隔5秒采集作物的表型信息，激光扫描仪每隔1秒扫描采集作物的表型信息。

其中，步骤三中蒸渗仪每隔5分钟记录蒸散耗水量数据。

具体监测方法如下：

程序开始，根据实际需求，设置时间定时，RGB高速彩色摄像头和五目多光谱相机图像采集每隔5秒进行一次，二维激光扫描仪每隔1秒执行一次，实验测定龙门架单趟行走所用时间为142s。整个系统完成工作需要上位机和PLC的联合控制，上位机开始工作，同时打开与PLC的RS485总线串口通信，保证龙门架移动与RGB高速彩色摄像头、五目多光谱相机、二维激光扫描仪采集图像数据信息同时进行。RGB高速彩色摄像头和五目多光谱相机根据各自的通信协议获取图像，激光扫描仪根据通信协议获取点信息后还要进行转化才可得到植株位置高度信息。待龙门架开始返回时，各RGB高速彩色摄像头、五目多光谱相机、二维激光扫描仪停止图像数据采集，龙门架回到原点，结束一个周期的采集工作。

RGB高速彩色摄像头、五目多光谱相机、二维激光扫描仪都是基于TCP/IP协议并通过各自的通信协议与上位机进行通信。

RGB高速彩色相机与上位机通过自定义协议进行通信。首先上位机发送给RGB高速彩色相机一个指令“BC，CM\r”，则RGB高速彩色相机会返回一串字符，其中有效字符串为“BC、图像数据长度、图像数据”，所以在返回的字符串中找到以BC开头的字符串，其中的第三个字符即是我们捕获到的RGB图像，然后进行存储即可。创建一个data文件夹，以时间格式yyyy-MM-dd-HH-mm-ss将图像存储为.bmp格式，方便随时查看。

五目多光谱相机通过HTTP协议与上位机进行通信，根据通信协议，上位机发送一个指令信息，在一个实施例中具体指令例如为http://192.168.1.83/capture？cache_raw ＝31&block＝true，给五目多光谱相机请求获取数据，五目多光谱相机收到信息后会返回5个不同波段的图像信息并以json格式存储在五目多光谱相机中，上位机对五目多光谱相机中的图像进行复制并存在创建好的data文件夹中，对于采集到的红、绿、蓝、红边和近红外五张不同波段的照片在名称前加上序号0-4进行区分并以时间格式yyyy-MM-dd-HH-mm-ss存储为.tif格式。

二维激光扫描仪与上位机进行通信是通过cola A通信协议。根据协议，上位机发送给二维激光扫描仪一个十六进制形式的电报结构sRN LMDscandata，则二维激光扫描仪会给上位机返回一个字符串，在返回的字符串中寻找有效字符sRA LMDscandata，从它开始以空格为单位，26个字符开始一直到字符串结束就是扫描到的有效的点数据，上位机对这段有效点数据进行接收即可。这样，上位机得到的是一连串的植株点信息数据，还要将其转化为植株的位置信息和高度信息。

为了准确获取植株位置高度信息，需建立空间直角坐标系。以龙门架前进方向左边轨道方向为y轴，y轴右手边为x轴，竖直方向为z轴，建立xyz空间直角坐标系。经过测量，距离y轴较近的二维激光扫描仪距离y轴的距离记为X₁,值为2.195m，对应扫描的农作物为左边位置。另外一个二维激光扫描仪距离y轴的距离记为X₂，值为5.505m，对应扫描的农作物为右边位置。二维激光扫描仪直接扫描到作物顶部的距离记为d，光源为红外线，红外线朝向原点转动方向与水平方向的角度记为α，二维激光扫描仪底端到地面的高度记为H，值为2.25m。龙门架前进速度记为v，前进时间记为t，v通过人机交互界面的“电机转动频率”来设置转换，t通过程序设置计时得到。

则空间坐标：

z＝H-d·sinα；

y＝v·t；

左边x＝X₁-d·cosα；

右边x＝X₂-d·cosα；

这样就可以得到空间点坐标V(x、y、z)，确定了每座蒸渗仪上面所种作物的位置及植株高度信息。这些信息被写入.obj文件并按照时间格式存储在创建好的data文件夹下。对于左边的激光扫描仪存储格式为ScanL+(yyyyMMddHHmmss)+.obj，对于右边的激光扫描仪存储格式为ScanR+(yyyyMMddHHmmss)+.obj。

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

1.一种作物耗水规律表型监测系统，其特征在于，包括运动控制机构、表型监测机构、测控机构和蒸渗仪机构，所述运动控制机构包括控制器和龙门架，所述表型监测机构设置在所述龙门架上；

所述蒸渗仪机构包括多个蒸渗仪，所述蒸渗仪对应的地面上设有种植所述作物的种植田，所述蒸渗仪与所述上位机连接。

2.如权利要求1所述的作物耗水规律表型监测系统，其特征在于，所述CCD图像接收元件通过视频控制器与所述上位机连接。

3.如权利要求1所述的作物耗水规律表型监测系统，其特征在于，所述多光谱成像设备为五目多光谱相机，所述五目多光谱相机设有五个滤光片，五个所述滤光片分别用以实时分离成红、绿、蓝、红边、近红外五个波段。

4.如权利要求1所述的作物耗水规律表型监测系统，其特征在于，所述控制器为可编程逻辑控制器，所述可编程逻辑控制器通过伺服驱动器与电机连接。

5.如权利要求4所述的作物耗水规律表型监测系统，其特征在于，所述可编程逻辑控制器连接人机交互界面，所述人机交互界面用以人工控制所述龙门架的移动。

6.如权利要求4所述的作物耗水规律表型监测系统，其特征在于，所述龙门架安装在轨道上，所述电机安装在所述龙门架上，所述电机用以驱动所述龙门架沿所述轨道移动。

7.如权利要求1所述的作物耗水规律表型监测系统，其特征在于，还包括气象站，所述气象站设于地面上并与所述上位机连接，用以采集空气温湿度、光照、风速、降雨量、大气压、总辐射数据信息。

8.一种作物耗水规律表型监测方法，其特征在于，包括如下步骤：

9.如权利要求8所述的作物耗水规律表型监测方法，其特征在于，所述步骤二中控制器连接人机交互界面，通过人机交互界面设置龙门架的移动参数。

10.如权利要求8所述的作物耗水规律表型监测方法，其特征在于，还包括步骤四，地面设置气象站，采集空气温湿度、光照、风速、降雨量、大气压、总辐射数据信息，并传输至上位机。