CN110546452B - 用于测量作物或牧草的表面形貌的产品和方法 - Google Patents

用于测量作物或牧草的表面形貌的产品和方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及用于测量作物或牧草表面形貌的产品和方法。在优选实施方式中，本发明的产品和方法可以用于测量固定测量设备周围的作物和牧草植物的平均表面形貌。

Description

用于测量作物或牧草的表面形貌的产品和方法
技术领域
本发明涉及用于测量作物和牧草表面形貌(profile，轮廓、分布)的产品和方法。在优选实施方式中，本发明的产品和方法可以用于测量固定测量设备周围的作物和牧草植物的平均表面形貌。
背景
研究表明，对于小牧场中牧草的数量而言存在用以使草生长最大化的理想范围——并且该数量可以简单地测量为牧草高度，但也可以以每公顷干物质的公斤数(去除所有水后通常是野草和三叶草)来测量。
测量干物质唯一的直接方式是截取样地，在烤炉中干燥植物，然后称量结果。实践中，由于涉及到时间，这很少使用。
替代地，农民利用其它装置推出该值。这些包括：向牧草上扔一定重量的圆盘并测量其离地面多远才停下，使用附接至移动车辆或手杖的超声传感器，或拖动拱形阵列的光发射器(如机器保护装置中使用的那些)通过牧草以检测草高度。
估计的是，畜牧工人特别地通常每周要花费2-4小时来测量他们可用的牧草的数量，使得他们可以对他们的奶牛轮流经过不同的小牧场进行优化，以最大化总牧草生长。
有利的是，无需依靠当前使用的耗时的方法就可以准确确定作物或牧草的数量。
本发明的目的是解决前述问题中的一个或多个，或者至少为公众提供有用的选择。
发明内容
在第一方面，本发明提供用于测量生长在基质上的作物或牧草的冠层的表面形貌的设备，设备包括与支撑构件耦接的传感器构件，支撑构件被配置成可拆卸地安装至基质，其中，支撑构件被配置成：
i)使传感器构件在基质上方与该基质间隔开第一距离；以及
ii)使传感器构件在作物或牧草的冠层上方与该冠层间隔开第二距离；
并且其中，传感器构件包括：
i)光发射构件，光发射构件被配置成发射光，作物或牧草的冠层反射该光；以及
ii)光检测传感器，光检测传感器被配置成检测从光发射构件发射的被作物或牧草的冠层反射的光的至少一部分，以使得能测量作物或牧草的冠层的表面形貌。
通过测量设备周围的作物或牧草的冠层的表面形貌，相信可以计算下述值：
·作物或牧草高度；
·作物或牧草密度；
·作物或牧草代谢能(ME)；和/或
·作物或牧草干质量含量。
传感器构件可以包括多个光发射构件，诸如众多光发射构件。在传感器构件包括多个光发射构件的那些实例中，光发射构件可以沿不同方向定向。例如，多个光发射构件可以定向成从传感器构件径向向外地并朝向基质发射光。该光发射构件或每个光发射构件可以以相对于竖直面、水平面、基质的平均坡面(slope，斜坡、坡度)和/或作物或牧草的冠层的平均坡面成已知角度的方式从传感器构件径向向外发射光。设备可以包括成行且成不同角度的众多光发射构件，从而以相对于竖直面、水平面、基质的平均坡面和/或作物或牧草的冠层的平均坡面成一系列角度的方式从传感器构件径向向外发射光。
传感器构件可以包括多个光检测传感器，诸如众多光检测传感器。
在一些实施方式中，传感器构件可以包括集成单元，集成单元一体地包括光发射构件和光检测传感器二者。传感器构件可以包括多个这种集成单元，诸如众多光发射构件。有利地，由许多即用的现成的这种集成单元。
基质通常是作物或牧草生长所在的土地。
最简单的来说，设备可以用于通过确定第一距离和第二距离之间的差来测量基质上方的作物或牧草的冠层的表面形貌。在一些实施方式中，第一距离由支撑构件的尺寸预定，该支撑构件使传感器构件在基质上方与基质间隔开第一距离。在一些实施方式中，通过沿支撑构件可拆卸地安装至基质的位置的方向从传感器构件发射光并检测从光发射构件发射的被作物或牧草的冠层反射的光的至少一部分来确定第二距离。检测被发射的光所花费的时间可以用于确定距离，特别地其中假定光以光在真空中的速度移动(大约3.00×108m/s)，使用下述等式：
d2＝t/2×3.00×108
式中：
d2＝第二距离(m)
t＝检测被发射的光所花费的时间(s)
然后该信息可以用于确定作物或牧草高度为第一距离和第二距离之间的差。
本发明能进行更复杂的应用，如下文所述。
在一些实施方式中，设备本身可以包括处理装置(处理器)，处理装置能计算作物或牧草的冠层的形貌。处理装置还可以处理传感器构件进行的光发射和检测所提供的信息，诸如通过确定第一距离和第二距离之间的差。
在其他实施方式中，设备可以与单独的处理装置通信，单独的处理装置可以位于基站中。处理装置可以位于信息服务器中，诸如中央计算机。设备还可以包括用于存储数据的数据存储构件。
数据可以：
·无线传输至基站进行分析；
·无线传输至中间主单元，然后从主单元传输至基站。这种通信模式是特别优选的，以减少设备的电力负荷。例如，子设备可以通过蓝牙、广域网(WAN；包括LPWAN，诸如LoRaWAN)、无线局域网(WLAN)、Wi-Fi和/或移动电话(诸如GSM和UMTS)与主单元无线通信。优选地，子设备使用低功率通信模式诸如蓝牙与主单元通信。然后，主单元可以使用远程、可能大功率的通信模式诸如LoRaWAN与基站(诸如信息服务器，诸如中央计算机)通信。
·通过在设备中插入数据连接(有线通信)以连接例如膝上型电脑或智能电话来检索数据；或者
·通过与设备进行无线连接(无线通信)以连接例如膝上型电脑或智能电话来检索数据。
设备还可以包括算法作为软件的一部分，当作物或牧草高度的值、作物或牧草密度的值和/或作物或牧草干质量含量的值高于或低于预定限值时，该算法发出警报。
在第二方面，本发明提供用于测量生长在基质上的作物或牧草的冠层的表面形貌的系统，系统包括：
a)用于测量生长在基质上的作物或牧草的冠层的表面形貌的设备，设备包括与支撑构件耦接的传感器构件，支撑构件被配置成可拆卸地安装至基质，其中，支撑构件被配置成：
i)使传感器构件在基质上方与基质间隔开第一距离；以及
ii)使传感器构件在作物或牧草的冠层上方与冠层间隔开第二距离；
并且其中，传感器构件包括：
i)光发射构件，光发射构件被配置成发射光，作物或牧草的冠层反射该光；以及
ii)光检测传感器，光检测传感器被配置成检测从光发射构件发射的被作物或牧草的冠层反射的光的至少一部分，以使得能测量作物或牧草的冠层的表面形貌；以及
b)与设备分开的处理装置。
一般，系统将包括用于测量生长在基质上的作物或牧草的冠层的表面形貌的多个设备。通常，系统将包括用于测量生长在基质上的作物或牧草的冠层的表面形貌的众多设备。
在第三方面，本发明提供了测量众多区域内的作物或牧草的冠层的表面形貌的设备阵列，该阵列包括用于测量生长在基质上的作物或牧草的冠层的表面形貌的众多设备，众多设备中的每个设备独立地包括与支撑构件耦接的传感器构件，支撑构件被配置成可拆卸地安装至基质，其中，支撑构件被配置成：
i)使传感器构件在基质上方与基质间隔开第一距离；以及
ii)使传感器构件在作物或牧草的冠层上方与冠层间隔开第二距离；
并且其中，传感器构件包括传感器，传感器被配置成检测从传感器构件发射的光，以使得能测量作物或牧草的冠层的表面形貌。
阵列中的设备可以提供重叠区域的测量。
在第四方面，本发明提供一种用于测量生长在基质上的作物或牧草的冠层的表面形貌的方法，方法包括下述步骤：
i)设置传感器构件，传感器构件包括：
a)被配置成发射光的光发射构件；以及
b)光检测传感器；
ii)从光发射构件发射光，使得光被作物或牧草的冠层反射；
iii)利用光检测传感器检测被作物或牧草的冠层反射的发射光的至少一部分；以及
iv)计算传感器构件与作物或牧草的冠层之间的空间关系。
本发明的方法还可以包括确定传感器构件与基质之间的空间关系的校准步骤。例如，校准步骤可以涉及距基质预定距离设置该传感器构件。在一个实施方式中，可以通过使传感器构件在基质上方与基质间隔开第一距离来设置上述距基质的预定距离。可以通过固定尺寸的支撑构件设置间隔。在另一实施例中，可以通过在作物或牧草生长在基质之前测量基质的形貌来提供校准步骤。在一个实施方式中，校准步骤可以包括：
i)设置传感器构件，传感器构件包括：
a)被配置成发射光的光发射构件；以及
b)光检测传感器；
ii)从光发射构件发射光，使得光被基质反射；
iii)利用光检测传感器检测被基质反射的发射光的至少一部分；以及
iv)计算传感器构件与基质之间的空间关系。
相应地，本发明提供了测量生长在基质上的作物或牧草的冠层的表面形貌的方法，方法包括下述步骤：
i)设置传感器构件，传感器构件包括：
a)被配置成发射光的光发射构件；以及
b)光检测传感器；
ii)从光发射构件发射光，使得光被基质反射；
iii)利用光检测传感器检测被基质反射的发射光的至少一部分；
iv)计算传感器构件与基质之间的空间关系；
v)从光发射构件发射光，使得光被作物或牧草的冠层反射；
vi)利用光检测传感器检测被作物或牧草的冠层反射的发射光的至少一部分；以及
vii)计算传感器构件与作物或牧草的冠层之间的空间关系。
附图说明
根据下文的描述，本发明的其他方面将变得明显，下文的描述仅以示例的方式并参照附图给出，附图中：
图1示出了安装至基质的本发明的设备的侧视图；
图2示出了安装至基质的本发明的设备的立体图；
图3示出了安装至基质的本发明的设备的侧视图；
图4示出了安装至基质的本发明的设备的立体图；
图5示出了安装至基质的本发明的设备的侧视图；
图6示出了安装至基质的本发明的设备的立体图；
图7示出了安装至基质的本发明的设备阵列的立体图；
图8示出了安装至基质的本发明的设备阵列的立体图；
图9示出了本发明的设备的侧视图的剖视图示；
图10示出了竖直地安装的本发明的设备的侧视图，示出了用于测量生长在基质上的作物或牧草的冠层的表面形貌的数学变量；
图11示出了竖直地安装的本发明的设备的侧视图，示出了用于测量生长在基质上的作物或牧草的冠层的表面形貌的数学变量；
图12示出了未竖直地安装的本发明的设备的立体图，示出了用于测量生长在基质上的作物或牧草的冠层的表面形貌的数学变量；
图13示出了未竖直地安装的本发明的设备的侧视图，示出了用于测量生长在基质上的作物或牧草的冠层的表面形貌的数学变量；
图14示出了未竖直地安装的本发明的设备的端视图，示出了用于测量生长在基质上的作物或牧草的冠层的表面形貌的数学变量；
图15示出了未竖直地安装的本发明的设备的平面图，示出了视场；
图16示出了本发明的传感器构件内的检测器阵列(光检测传感器的示例)的前视图；
图17示出了安装至基质的本发明的设备的立体图以及以虚线界定的设备的视场。视场被分为许多子部分(以及在这些子部分中之一内的另外的子部分)；
图18示出了安装至基质的本发明的设备的平面图以及以虚线界定的设备的视场；
图19示出了安装至基质的本发明的设备的侧视图以及以虚线界定的设备的视场；
图20示出了包括多个设备的那些实施方式的通信示意图，其中，至少一个设备是子设备，至少一个设备是主设备，并且主设备与处理器通信；
图21示出了包括多个设备的那些实施方式的通信示意图，其中，每个设备与处理器通信；以及
图22示出了本发明的优选方案的通信示意图，结合了设备(包括环境光传感器、处理器和ToF传感器)；电信网关；以及数据库。
具体实施方式
设想的是，本发明可以用于各种作物(诸如小麦和玉米)和牧草。本发明可以用于农作物或园艺作物，包括收割及放牧用的作物和牧草，诸如用于放牧驯养动物的牧草。例如，本发明可以用在用于牛和羊的草基牧场。
本发明可以结合其他传感器使用，用以检测临界作物管理点。例如，当作物遭到害虫或疾病的侵害时，或者当作物从营养生长期变换到生殖生长期时，本发明的产品和方法可以用于远程监测这些变化。
本发明可以使用任何形式的光，然而，优选地，光可以是相干光源，诸如从激光器源发出的光。例如，传感器可以是激光测距传感器，诸如飞行时间测距传感器。在一些实施方式中，激光是垂直腔面发射激光器(VCSEL)。有利地，这种传感器可以存在于完全整合的微型模块中，其中许多当前都可以在市面上购得。在一些实施方式中，光源是以940nm的波长运行的激光器源。虽然本发明可以使用可见光谱的光，但优选的是使用可见光谱以外的光，特别是在放牧动物可能被光的可见性打扰的情况下。
可以使用飞行时间(ToF)传感器进行测量。这种传感器可以发射被称为视场的光(诸如红外激光)锥(或类似的，棱锥或角锥)，然后检测从感测区域(视场)内的物体返回的反射。可以使用扫描激光或光学镜片发出光锥。优选地，使用光学镜片提供光锥，使得整个视场同时被激光照射。传感器可以在发射光时在光中嵌入时序信息，然后在被检测的光中测量该时序信息。在一些实施方式中，光可以通过脉宽调制(PWM)信号提供数字信号。
通过计算从发射光(具有嵌入信息和/或PWM信号)开始到检测到光所花费的时间，可以推出距离(因为光在空气中的速度是已知的)——因此称为飞行时间。众多这种类型的不同传感器都是可用的，包括ST Microelectronics公司的VL53L系列。
在优选实施方式中，传感器构件包括飞行时间(ToF)传感器。在特别优选的实施方式中，传感器构件包括多个ToF传感器。
在一些实施方式中，传感器构件内的检测器阵列可以细分(例如细分为4个或更多个区域，诸如9个区域，诸如16区域)，允许测量在对应细分视场内的生长在基质上的作物或牧草的冠层的多个表面形貌。从这种细分视场得到的信息可以允许更准确地对整个视场内的冠层的整个表面形貌进行建模。
支撑构件可以由各种材料制成，并可以制成各种尺寸。支撑构件可以是在测量时比作物高并构造成可拆卸地安装至基质的任何实心或基本上实心的固定部件。通常，支撑构件是伸长元件，诸如杆或梁。在一个实施方式中，支撑构件是一端插入土壤以固定就位的圆形杆。例如，支撑构件可以是基本上直的刚性杆或桩，其被配置成可拆卸地安装至基质。可以通过打入基质的杆或桩提供这种安装。支撑构件可以是基本刚性的。在这种实施方式中，优选的可能是对支撑构件设置弹性基部构件，使得支撑构件可以从其正常的静止定向偏转，诸如被经过的动物偏转，但是返回其正常静止定向或接近该定向。这种弹性基部构件可以包括弹簧和/或玻璃纤维。
在一些实施方式中，支撑构件被配置成允许传感器构件在多个不同位置之间移动。例如，传感器构件可以沿支撑构件上下移动，并可以从多个位置测量生长在基质上的作物或牧草的冠层的表面形貌，其中，上述位置可以使传感器构件在基质上方间隔开不同的距离。再如，支撑构件本身可以改变尺寸，使得传感器构件可以上下移动，诸如通过使用伸缩支撑构件。
在优选实施方式中，设备还包括角度检测构件，角度检测构件被配置成检测设备与竖直面(vertical，垂直面、竖向方向)的角度。这种角度检测构件的示例是加速度计。
在一些实施方式中，传感器构件测量距离视场中所有物体的众多距离，以提供距离分布。可以对该分布进行多次统计操作，以向用户提供有用的数据。例如，可以计算离视场内的所有物体的平均距离。统计操作可能涉及忽略某些无关的距离(诸如高点和低点)，以提供冠层的表面形貌的较有代表性的近似值。
利用离视场内的物体的距离、测得的竖向角度、第一距离以及杆相对于传感器的检测器阵列的中心的已知角度——可以计算植物的平均表面形貌(以及因此植物的平均高度)。
参照图10和图11，其中，本发明的设备竖直地安装，可以通过首先计算校准期间视场的中心轴线相对于土地的入射角度来测量生长在基质上的作物或牧草的冠层的表面形貌。为此，在没有作物或牧草存在的状态下(包括在放牧后状态下，其中，剩下放牧残株，对于黑麦草/三叶草牧场，放牧残株可以为大约7cm的数量级)测量离土地(其中支撑构件为竖直的)的距离：
Figure BDA0002239170320000111
Figure BDA0002239170320000112
式中：
γv＝在支撑构件为竖直的情况下，土地相对于传感器的检测器阵列的中心轴线的角度
Li＝支撑构件的长度
θi＝支撑构件与传感器视场的中心轴线之间的固定角度
Di＝校准期间测得的到土地的平均距离
一旦作物或牧草生长，就测量相对于冠层的平均距离，以确定平均高度/密度：
A＝sin γv×(Di-D)
因此：
Figure BDA0002239170320000121
式中：
A＝作物或牧草的平均高度/密度
D＝测得的离作物或牧草的顶部表面的距离
参照图12至图15，其中，本发明的设备与竖直面成一角度地安装，可以通过了解相对于竖直面的移位对Li、θi和Di以及因此γv的影响来测量生长在基质上的作物或牧草的冠层的表面形貌：
L＝Li×cos β
Figure BDA0002239170320000122
σsin-1(sin β×cos θi)
Dc＝Di×cos σ
因此：
Figure BDA0002239170320000123
式中：
γ＝土地相对于传感器视场的中心轴线的角度
β＝校准和测量时(沿垂直于测量平面的方向)相对于竖直面的角位移
L＝支撑构件的调节长度
θ＝支撑构件与传感器视场的中心轴线之间的调节角度
σ＝用于距离测量的校正角度
Dc＝校准期间测得的到土地的调节距离
一旦作物或牧草生长，就测量相对于冠层的平均距离，以确定平均高度/密度：
A＝sin γ×(Di-D)×cos σ
因此：
Figure BDA0002239170320000131
认为植物的厚度或密度会影响测得的平均高度，这可能是有利的。特别地，认为本发明的产品和方法提供的最有用的信息是作物或牧草的数量(kg/ha)，这可能与平均作物或牧草高度相关。例如，稀薄、高的作物可以与矮、浓密的作物一样地测量，因为所发射光能穿透稀薄、高的作物的外末端，并入射到植物形貌较下面的茎等。但是，这种测量很可能反映两种植物形貌的相似干重，因此，该方法可以提高用于预计作物或牧草数量的设备的准确性。
在一些实施方式中，检测器阵列(以及因此视场)可以分割/划分为不同的测量区，这可以提供下述优点：能检测到作物或牧草的冠层的显著高点或低点，否则这会对平均测量造成不良影响。
本发明的另一有利特征是能考虑到下述之间的视觉干扰：
·光发射构件与作物或牧草的冠层之间的视觉干扰；和/或
·作物或牧草的冠层与光检测传感器之间的视觉干扰。
由于本发明设备所在的农业环境，昆虫或蜘蛛自己落在传感器构件上从而部分遮挡视场并不罕见。这种遮挡会影响作物或牧草的表面形貌的测量的准确性。临时遮挡可能包括昆虫爬过传感器构件外面或灰尘颗粒沉积在传感器构件上，之后随风吹走。永久性遮挡(因此需要在设备清扫或维护期间移除)可能包括蜘蛛网、泥或昆虫或农畜的排泄物。
一些现成的ToF传感器设备可以应对这种异常，然而，在目前的应用中，由于传感器的视场与目标区域成一角度(通常为45度)，因此使用ToF传感器的内置能力所得的测量结果可能有偏差，因此不准确。
例如，如果遮挡在传感器盖的基部(其通常测量离传感器最近的视场的区域)，则将使测量结果偏差得过高(或过长)。这会使计算的牧草或饲料作物形貌测量比其实际的要短。相反，如果遮挡在传感器盖的上末端(其通常测量离传感器最远的视场的区域)，则将使测量结果偏差得过短。这会使计算的作物或牧草表面形貌测量比其实际的要长。
只要遮挡未完全覆盖传感器构件的视场，本发明可以应对这种遮挡，并且仍然可以计算遮挡后的作物或牧草的表面形貌，因为已经设计了将错误的近场读数(归因于部分遮挡)与目标读数相分离的方法。
本发明提供的针对该问题的解决方案涉及下述方法，该方法扫描视场的子部分，以检测视场何处出现遮挡，然后利用该信息校正测量结果。
取决于传感器性能，下述代表进行该遮挡校正方法的两个非限制性选项：
1.在光检测器传感器检测强信号和低噪音的实施方式中，该方法包括下述步骤：
1.将检测器阵列(因此视场)的整个区域分为较小部分(诸如2x2、3x3或4x4)；
2.测量在每一个较小部分中的作物或牧草的表面形貌；
3.忽略因遮挡产生读数异常的任何测量；
4.计算每个子部分与目标之间的距离和角度；
5.得到每个未被遮挡的部分的作物或牧草表面形貌；以及
6.计算每个未被遮挡的部分的作物或牧草表面形貌的平均值，以得到已被校正成忽略被遮挡部分的针对全视场的表面形貌。
2.在光检测器传感器不检测强信号和低噪音的实施方式中，替代方法包括下述步骤：
1.计算全视野范围内的作物或牧草表面形貌；
2.如果由于存在遮挡，表面形貌短于预期，则将检测器阵列的传感器区域分为两个(或更多个)较小部分；
3.测量每个较小部分的视场的表面形貌；
4.如果较小部分中的任一者(或任何部分)生成因遮挡产生的异常读数，则将这些较小部分分为两个(或更多个)较小部分，否则继续步骤(7)；
5.重复步骤3-4，直到生成具有遮挡的最小部分；
6.测量在每个较小部分中的作物或牧草的表面形貌；
7.忽略因遮挡产生读数异常的任何测量；
8.计算每个子部分与目标之间的距离和角度；
9.得到每个未被遮挡的部分的作物或牧草表面形貌；以及
10.计算每个未被遮挡的部分的作物或牧草表面形貌的平均值，
以得到已被校正成忽略被遮挡部分的针对全视场的表面形貌。
在一些情况下，由于背景噪音或其他性能因素，可能无法从感测区域的子部分得到远程测量。在这种情况下，优选的是首先从使用的整个感测区域得到形貌高度的一个读数，然后扫描子区域的矩阵，直到发现具有遮挡的区域。
一旦被遮挡子部分的预期区域从未遮挡传感器的预期区域移除，就可以计算出测量的剩余区域的中心的位置，然后计算出相对于其的角度，因此计算出校正的牧草形貌高度。
在优选实施方式中，在确定遮挡是否已经移动或正在移动的适合时间后，可以再次进行遮挡校正方法。
在优选实施方式中，设备设置有报警装置，报警装置感测对传感器构件的完全遮挡，并警告用户遮挡可以手动清除。
在优选实施方式中，本发明的产品和方法在夜间使用，以减少日光的干扰。但是，设备还可以包括获得并储存能量诸如太阳能和/或风能的装置。
图1示出了安装至基质(4)的本发明的设备(2)的侧视图。设备包括与支撑构件(8)耦接的传感器构件(6)。支撑构件(8)使传感器构件(6)在基质上方间隔开第一距离。为清楚起见，图1的基质(4)示出为没有任何作物或牧草，但是要理解，设备意在测量这种作物或牧草的冠层的表面形貌。设备(2)可以定向成基本上垂直于在支撑构件的基部处的基质的坡面，如图1所示。在基质的坡面变化的情况下，设备(2)可以定向成基本上垂直于指定区域内的基质的平均坡面，诸如待被设备感测的区域中的基质的平均坡面。在基质为水平的情况下，诸如图1所示，设备因此可以基本上竖直地安装。但是，设备既不需要定向成基本上垂直于基质，设备也不需要基本上竖直地定向。有利地，设备相对于竖直面的角度可以使用多种方法确定，包括使用加速度计。例如，加速度计可以是单轴或多轴的，以检测由于重力作为向量而产生的固有加速度的方向，因此得到设备相对于竖直面的角度。在计算作物或牧草高度、作物或牧草密度和/或作物或牧草干质量含量时，该角度留有容差。
图2示出了图1所示设备(2)的立体图，包括与支撑构件(8)耦接的传感器构件(6)。在优选实施方式中，设备具有极简的形貌，以投射极简的阴影，从而避免抑制作物或牧草生长。可以通过宽度和/或深度尺寸仅为使传感器构件在基质上方保持间隔开第一距离所需宽度的伸长杆来提供这种极简形貌。极简形貌对放牧牲畜的扰动也最小。
图3示出了安装至基质(4)的本发明的设备(2)的侧视图，并且图4示出了同一设备(2)的立体图。设备(2)包括与支撑构件(8)耦接的传感器构件(6)。传感器构件(6)包括传感器，传感器被配置成检测从传感器构件发射的光(10)，以使得能测量作物或牧草的冠层的表面形貌。虽然为清楚起见，图1的基质(4)示出为没有任何作物或牧草，但是要理解，设备意在测量这种作物或牧草的冠层的表面形貌。此外，要理解基质高度代表例如刚播种的基质。从传感器构件发射的光(8)将在视场(12)内入射到基质上。所发射的光的一部分将沿传感器构件的方向反射回去，并入射到传感器构件(6)包括的传感器上。在优选实施方式中，可以对反射光进行分析，以提供从传感器构件(6)到被测量视场(12)的距离的统计分布。在一些实施方式中，视场(12)是形貌均匀的，然而，通常视场(12)将代表生长在基质上的作物或牧草的冠层，并且不是形貌均匀的。在这种实施方式中，形貌可能包括相比于其他区域离基质显著更近的区域。例如，在稀疏种植作物或牧草的情况下，发射的光可能入射到下述中的每个上：基质；植物的干/茎；以及作物或牧草的叶/花。有利地，本发明的设备优选地测量视场(12)内的反射光，并提供该视场内的作物或牧草高度、作物或牧草密度和/或作物或牧草干质量含量的平均值(诸如均值或中值)。
在传感器构件(6)包括多个传感器诸如众多传感器的情况下，进一步提高表面形貌测量(因此作物或牧草高度；作物或牧草密度；和/或作物或牧草干质量含量)的准确性。如图5的侧视图以及图6的立体图所示，传感器构件(6)可以被配置成检测从多个(诸如众多)传感器发射的以及从多个(诸如众多)视场(12、18、20)反射的光(10、14、16)。使用包括多个(诸如众多)传感器的传感器构件在基质存在坡面和/或作物或牧草的冠层的形貌多变的情况下尤其是非常多变的情况下是特别有利的。图6示出了反射光(10、14、16)从传感器构件径向向外并朝向基质发射。
图7示出了本发明的用于测量第一视场内的作物或牧草表面形貌(因此高度)的设备(2)阵列的立体图。阵列中的设备(2)可以布置成规则的形式，如图7所示，考虑到基质上的其他基础设施或已知的土壤剖面，也可以不规则地布置。图8以立体图示出了图7所示的同一阵列，展示了可以从该阵列收集的信息量，包括视场(12、18、20)的每个视场内的平均(诸如均值或中值)作物或牧草表面形貌(因此高度；作物或牧草密度；和/或作物或牧草干质量含量)。
图9示出了本发明的设备(2)的侧视图的剖视图示。设备包括与支撑构件(8)耦接的传感器构件(6)。传感器构件(6)的形状大致是球形的，但这不应视为限制性的，并且包括：传感器(22；其可以包括ToF传感器的检测器阵列)；光阑(24)；和多个(诸如众多)其他光阑(26)。光(10)从传感器(22)发射通过传感器构件中的光阑(24)。光阑理想地对被发射和被接收的光的至少一部分是透明的，并可以包括透明实心材料，诸如玻璃、石英或塑料(诸如聚碳酸酯、聚苯乙烯或丙烯酸材料)，在使用期间，这些将抑制材料进入传感器构件。但是，光阑可以是传感器构件中的孔。图9的设备(2)示出了仅单个传感器(22)，但是要理解，传感器构件可以包括多个(诸如众多)光阑(26)，每个光阑可以由对应传感器(未示出)用在传感器(22)与光阑(24)的关系中。
虽然未示出，但传感器构件还可以沿着支撑构件(8)移动，以改变传感器构件(6)与基质(4)之间的间隔(第一距离)。
虽然未示出，但传感器构件中的传感器还可以包括多个(诸如众多)子传感器，子传感器使得能细分反射光的视场。这种多个(诸如众多)子传感器可以称为传感器阵列。使用包括多个(诸如众多)子传感器的传感器在基质存在坡面和/或作物或牧草的冠层的形貌多变的情况下尤其是非常多变的情况下是特别有利的。
如本文所用，术语“多个”指2个或更多个。如本文所用，术语“众多”指3个或更多个，诸如5个或更多个，诸如10个或更多个，诸如20个或更多个。
图16示出了本发明的传感器构件内的检测器阵列(光检测器传感器(22；图9)的示例)的前视图。该实施方式中的传感器构件包括集成单元，集成单元一体包括光发射构件和光检测传感器二者。传感器构件设置有具有中心(“A”；30)的镜片(28)。在一个实施方式中，认为传感器构件已被部分遮挡，并运行方法应对该遮挡。在该实施方式中，进行下述方法应对遮挡：
1.通过使用整个区域的检测器阵列计算全视场内的作物或牧草表面形貌。
2.将检测器阵列的区域分为四个(2×2)较小方形部分(32)；
3.测量每个较小部分的视场；
4.上部方形生成由方形(“B”)产生的异常读数，因此，检测器阵列的区域的上部方形被分为四个(2×2)较小方形部分(34)；
5.测量每个较小部分的视场；
6.忽视来自黑色方形(“B”)的异常读数；
7.计算传感器与目标上每个未遮挡部分的距离和角度；
8.得到每个未遮挡部分的作物或牧草表面形貌；以及
9.计算每个未遮挡部分的作物或牧草表面形貌的平均值，以得到已被校正成忽略被遮挡部分的针对全视场的表面形貌。
图17示出了安装至基质的本发明的设备的立体图以及设备的视场。已根据传感器的检测器阵列处形成的且如图16所示的划分对视场进行划分。可以看出，虽然检测器阵列的区域在传感器处是方形的(图16)——这是由于传感器与基质/作物/牧草的角度，但视场在基质/作物/牧草处是梯形的。被遮挡部分(“B”；36)同样是梯形的。然而，要理解，在作物或牧草的表面形貌不规则或倾斜的情况下，则将观察到除了梯形视场以外的形状的视场。
图18示出了安装至基质的本发明的设备的平面图、设备的视场以及梯形被遮挡部分(36)；
图19示出了安装至基质的本发明的设备的侧视图。在该侧视图中，传感器处的检测器阵列的区域的中点(图16中的30)投射至点A(38)，点A不是视场的末端(40、42)之间的中点。
图20示出了包括多个设备的那些实施方式的通信示意图，其中，至少一个设备是子设备，至少一个设备是主设备，并且主设备与和设备分离的处理器通信。该示意图示出了每个子设备与主设备之间的双向通信。这不应视为限制性的，并且子设备中的仅一些可以被配置成与主设备进行双向通信。在一些实施方式中，子设备仅向主设备传输(单向通信)。在一些实施方式中，系统设置有多个主设备。
虽然示意图示出了单个主设备，但这不应视为限制性的。在农场系统内，可以部署许多主设备。同样，虽然示意图示出了单个处理器，但这不应视为限制性的。在农场系统内，可以部署许多处理器。
子设备在物理上可以位于主设备附近。在子设备在物理上非常接近主设备的情况下，子设备可以通过低功率无线技术(诸如蓝牙)与主设备通信。在一些实施方式中，主设备可以不用非常接近处理器，因此优选地可以使用远程通信模式，诸如广域网(WAN；包括LPWAN，诸如LoRaWAN)、无线局域网(WLAN)、Wi-Fi和/或移动电话(诸如GSM和UMTS)。虽然优选地参照无线通信模式描述本发明，但也设想了其他通信模式，包括有线通信模式和物理数据存储传输。
图21示出了包括多个设备的那些实施方式的通信原理图，其中，每个设备与和设备分离的处理器通信。在该实施方式中，该示意图示出了每个设备与处理器之间的双向通信。这不应视为限制性的，并且设备中的仅一些可以被配置成与处理器进行双向通信。在一些实施方式中，设备仅向处理器传输(单向通信)。在一些实施方式中，系统设置有多个主设备。通信模式的示例为蓝牙、广域网(WAN；包括LPWAN，诸如LoRaWAN)、无线局域网(WLAN)、Wi-Fi和/或移动电话(诸如GSM和UMTS)。
图22示出了本发明的优选实施方式的示意图。在该实施方式中，设备(44)包括ToF传感器(46)、处理器(48)和环境光传感器(50)。处理器(48)被配置成深度休眠，并且以规律的预定间隔(诸如每5分钟)唤醒，以启动数据获取序列，这结合了环境光传感器(50)。如果从环境光传感器获取的数据表明设备(44)附近的环境光高于预定阈值，则处理器(48)将再次进入深眠期。有利地，通过在环境光低水平低于预定阈值(诸如低光水平)时选择性地操作设备，该特征可以提供使用适用于远程电池供电设备的低功率传感器。如果从环境光传感器获取的数据表明设备(44)附近的环境光低于预定阈值，则处理器(48)被配置成启动数据获取序列，这结合ToF传感器(46)，并将启动该序列。ToF传感器数据获取序列可能涉及从每个传感器获取50个测量结果。为此，虽然通信示意图示出为具有仅一个ToF传感器，但这不应视为限制性的，设备可以包括多个或者甚至众多ToF传感器——诸如6个传感器。设备还可以包括GNSS(全球导航卫星系统；诸如GPS)模块，其可以被集成以收集位置数据并将该位置数据与表面形貌数据打包。从该(或每个)ToF传感器获取的数据可以包括表面形貌的平均测量结果，以及最大和最小表面形貌位置。处理器可以使用时间戳创建事件，并且获取的事件数据可以以打包和/或加密状态发送至网关电信设备(52)。然后，网关电信设备(52)在数据发送至包括数据库(54)的数据库服务器之前可以对事件数据进行另外的解包、打包和/或加密过程。数据库可以是基于云端的，以方便用户访问。
所有参考文献，包括本说明书中引用的任何专利或专利申请通过引用并入本文。不承认任何参考文献构成现有技术。对参考文献的讨论陈述其作者所声称的内容，申请人保留质疑引用文件的准确性和相关性的权利。要清楚地理解，虽然本文参照了许多现有技术出版物，但这种参照不构成对这些文件中的任何文件形成本领域、新西兰或任何其他国家的公知常识的部分的承认。
本文所称(用于测量生长在基质上的作物或牧草的冠层的表面形貌的)“设备”还可以称为“作物或牧草冠层表面形貌测量设备”。
在本说明书全文，“包括(comprise)”一词或其变型，诸如“包括(comprises)”或“包括(comprising)”将理解为意指包括所陈述的元件、整数或步骤或者元件、整数或步骤的组，但不排除任何其他元件、整数或步骤或者元件、整数或步骤的组。
还可以宽泛地说，本发明单独地在于本申请的说明书中被参照或说明的部分、元件和特征，或整体地在于所述部分、元件或特征中两个或更多个的任何或所有组合。
仅通过示例的方式描述本发明的方面，应理解，在不脱离所附权利要求限定的本发明的范围的情况下，可以对其做出修改和增加。

Claims (48)

1.用于测量生长在基质上的作物或牧草的冠层的表面形貌的设备，所述设备包括与支撑构件耦接的传感器构件，所述支撑构件被配置成可拆卸地安装至所述基质并且在测量时固定至所述基质，其中，所述支撑构件被配置成：
i)使所述传感器构件在所述基质上方与所述基质间隔开第一距离；以及
ii)使所述传感器构件在所述作物或牧草的所述冠层上方与所述冠层间隔开第二距离；
并且其中，所述传感器构件包括：
i)光发射构件，所述光发射构件被配置成发射光，所述作物或牧草的所述冠层反射所述光，并且其中，所述光发射构件被定向成以相对于竖直面、水平面、所述基质的平均坡面和/或所述作物或牧草的所述冠层的平均坡面成一系列角度的方式从所述传感器构件径向向外地并朝向所述基质发射光；以及
ii)光检测传感器，所述光检测传感器被配置成检测从所述光发射构件发射的、被所述作物或牧草的所述冠层反射的光的至少一部分，以使得能测量所述作物或牧草的所述冠层的表面形貌。
2.根据权利要求1所述的设备，其中，对所述冠层的表面形貌的测量用于计算：
·作物或牧草高度；
·作物或牧草密度；
·作物或牧草代谢能（ME）；和/或
·作物或牧草干质量含量。
3.根据权利要求1所述的设备，其中，所述传感器构件包括多个光发射构件。
4.根据权利要求1所述的设备，其中，所述传感器构件包括众多光发射构件。
5.根据权利要求3或权利要求4所述的设备，其中，所述光发射构件沿不同的方向定向。
6.根据权利要求5所述的设备，其中，所述光发射构件中的每个光发射构件被定向成从所述传感器构件径向向外地并朝向所述基质发射光。
7.根据权利要求4所述的设备，其中，所述光发射构件中的每个光发射构件被定向成以相对于竖直面、水平面、所述基质的平均坡面和/或所述作物或牧草的所述冠层的平均坡面成一系列角度的方式从所述传感器构件径向向外地发射光。
8.根据权利要求1所述的设备，其中，所述传感器构件包括多个光检测传感器。
9.根据权利要求1所述的设备，其中，所述传感器构件包括众多光检测传感器。
10.根据权利要求1所述的设备，其中，所述传感器构件包括集成单元，所述集成单元一体地包括光发射构件和光检测传感器二者。
11.根据权利要求1所述的设备，其中，所述传感器构件包括多个集成单元，每个集成单元均一体地包括光发射构件和光检测传感器二者。
12.根据权利要求1所述的设备，其中，所述传感器构件包括众多集成单元，每个集成单元均一体地包括光发射构件和光检测传感器二者。
13.根据权利要求1所述的设备，其中，所述基质是所述作物或牧草生长所在的土地。
14.根据权利要求1所述的设备，还包括处理装置，所述处理装置能计算所述作物或牧草的所述冠层的形貌。
15.根据权利要求14所述的设备，其中，所述处理装置处理由所述传感器构件进行的对光的发射和检测所提供的信息。
16.根据权利要求1所述的设备，还包括数据存储构件，所述数据存储构件用于存储由所述光检测传感器生成的数据。
17.根据权利要求1所述的设备，还包括无线电通信模块。
18.根据权利要求17所述的设备，其中，所述无线电通信模块被配置成通过蓝牙、无线局域网（WLAN）、Wi-Fi和/或移动电话进行无线通信。
19.根据权利要求18所述的设备，其中，所述移动电话为GSM或UMTS。
20.根据权利要求1所述的设备，还包括报警模块，所述报警模块被配置成在作物或牧草高度的值、作物或牧草密度的值和/或作物或牧草干质量含量的值高于或低于预定限值时发出警报。
21.用于测量生长在基质上的作物或牧草的冠层的表面形貌的系统，所述系统包括：
a)用于测量生长在基质上的作物或牧草的冠层的表面形貌的设备，所述设备包括与支撑构件耦接的传感器构件，所述支撑构件被配置成可拆卸地安装至所述基质并且在测量时固定至所述基质，其中，所述支撑构件被配置成：
i)使所述传感器构件在所述基质上方与所述基质间隔开第一距离；以及
ii)使所述传感器构件在所述作物或牧草的所述冠层上方与所述冠层间隔开第二距离；
并且其中，所述传感器构件包括：
i)光发射构件，所述光发射构件被配置成发射光，所述作物或牧草的所述冠层反射所述光，并且其中，所述光发射构件被定向成以相对于竖直面、水平面、所述基质的平均坡面和/或所述作物或牧草的所述冠层的平均坡面成一系列角度的方式从所述传感器构件径向向外地并朝向所述基质发射光；以及
ii)光检测传感器，所述光检测传感器被配置成检测从所述光发射构件发射的、被所述作物或牧草的所述冠层反射的光的至少一部分，以使得能测量所述作物或牧草的所述冠层的表面形貌；以及
b)与所述设备分开的处理装置。
22.根据权利要求21所述的系统，其中，所述设备还包括无线电通信模块。
23.根据权利要求21或权利要求22所述的系统，其中，所述处理装置位于包括无线电通信模块的基站中，并且所述基站被配置成与所述设备无线地通信。
24.根据权利要求21所述的系统，其中，所述处理装置位于包括无线电通信模块的中央计算机中，并且所述中央计算机被配置成与所述设备无线地通信。
25.根据权利要求22所述的系统，其中，所述无线电通信模块被独立地配置成通过蓝牙、广域网（WAN）、无线局域网（WLAN）、Wi-Fi和/或移动电话进行无线通信。
26.根据权利要求25所述的系统，其中，所述广域网包括LPWAN。
27.根据权利要求26所述的系统，其中，所述LPWAN为LoRaWAN。
28.根据权利要求25所述的系统，其中，所述移动电话为GSM或UMTS。
29.根据权利要求21所述的系统，其中，所述系统包括多个用于测量生长在基质上的作物或牧草的冠层的表面形貌的设备。
30.根据权利要求21所述的系统，其中，所述系统包括众多用于测量生长在基质上的作物或牧草的冠层的表面形貌的设备。
31.根据权利要求29或权利要求30所述的系统，其中，至少一个设备是主设备，并且至少一个设备是子设备，其中，所述子设备与所述主设备通信，并且所述主设备与所述子设备和所述处理装置通信。
32.根据权利要求31所述的系统，其中，所述子设备通过低功率无线技术与所述主设备通信。
33.根据权利要求32所述的系统，其中，所述低功率无线技术是蓝牙。
34.根据权利要求29或权利要求30所述的系统，其中，每个设备均与所述处理装置通信。
35.一种测量众多区域内的作物或牧草的冠层的表面形貌的设备阵列，所述阵列包括用于测量生长在基质上的作物或牧草的冠层的表面形貌的众多设备，所述众多设备中的每个设备独立地包括与支撑构件耦接的传感器构件，所述支撑构件被配置成可拆卸地安装至所述基质并且在测量时固定至所述基质，其中，所述支撑构件被配置成：
i)使所述传感器构件在所述基质上方与所述基质间隔开第一距离；以及
ii)使所述传感器构件在所述作物或牧草的所述冠层上方与所述冠层间隔开第二距离；
并且其中，所述传感器构件包括传感器，所述传感器被配置成检测从所述传感器构件发射的光，以使得能测量所述作物或牧草的所述冠层的表面形貌，并且其中，从所述传感器构件发射的光被以相对于竖直面、水平面、所述基质的平均坡面和/或所述作物或牧草的所述冠层的平均坡面成一系列角度的方式从所述传感器构件径向向外地并朝向所述基质发射。
36.根据权利要求35所述的阵列，其中，所述阵列中的所述设备提供重叠区域的测量。
37.一种测量生长在基质上的作物或牧草的冠层的表面形貌的方法，所述方法包括下述步骤：
i)设置传感器构件，所述传感器构件可拆卸地安装至所述基质并且在测量时固定至所述基质，所述传感器构件包括：
a)被配置成发射光的光发射构件，并且其中，所述光发射构件被定向成以相对于竖直面、水平面、所述基质的平均坡面和/或所述作物或牧草的所述冠层的平均坡面成一系列角度的方式从所述传感器构件径向向外地并朝向所述基质发射光；以及
b)光检测传感器；
ii)从所述光发射构件发射光，使得所述光被所述作物或牧草的所述冠层反射；
iii)利用所述光检测传感器检测被所述作物或牧草的所述冠层反射的发射光中的至少一部分；以及
iv)计算所述传感器构件与所述作物或牧草的所述冠层之间的空间关系。
38.根据权利要求37所述的方法，所述方法还包括用以确定所述传感器构件与所述基质之间的空间关系的校准步骤。
39.根据权利要求38所述的方法，其中，所述校准步骤涉及将所述传感器构件设置在距所述基质的预定距离处。
40.根据权利要求39所述的方法，其中，通过下述方式设置距所述基质的所述预定距离：所述方式为使所述传感器构件在所述基质上方与所述基质间隔开第一距离。
41.根据权利要求40所述的方法，其中，通过固定尺寸的支撑构件来设置所述间隔。
42.根据权利要求38所述的方法，其中，所述校准步骤包括：在作物或牧草在所述基质上生长之前测量所述基质的形貌。
43.根据权利要求38所述的方法，其中，所述校准步骤：
i)设置传感器构件，所述传感器构件包括：
a)被配置成发射光的光发射构件；以及
b)光检测传感器；
ii)从所述光发射构件发射光，使得所述光被所述基质反射；
iii)利用所述光检测传感器检测被所述基质反射的发射光中的至少一部分；以及
iv)计算所述传感器构件与所述基质之间的空间关系。
44.一种测量生长在基质上的作物或牧草的冠层的表面形貌的方法，所述方法包括下述步骤：
i)设置传感器构件，所述传感器构件可拆卸地安装至所述基质并且在测量时固定至所述基质，所述传感器构件包括：
a)被配置成发射光的光发射构件，并且其中，所述光发射构件被定向成以相对于竖直面、水平面、所述基质的平均坡面和/或所述作物或牧草的所述冠层的平均坡面成一系列角度的方式从所述传感器构件径向向外地并朝向所述基质发射光；以及
b)光检测传感器；
ii)从所述光发射构件发射光，使得所述光被所述基质反射；
iii)利用所述光检测传感器检测被所述基质反射的发射光中的至少一部分；
iv)计算所述传感器构件与所述基质之间的空间关系；
v)从所述光发射构件发射光，使得所述光被所述作物或牧草的所述冠层反射；
vi)利用所述光检测传感器检测被所述作物或牧草的所述冠层反射的发射光中的至少一部分；以及
vii)计算所述传感器构件与所述作物或牧草的所述冠层之间的空间关系。
45.根据权利要求37至44中任一项所述的方法，包括执行遮挡校正方法。
46.根据权利要求45所述的方法，其中，所述遮挡校正方法包括下述步骤：
i)扫描视场的子部分，以检测何处出现对所述视场的遮挡；以及
ii)忽略来自那些子部分的数据。
47.根据权利要求45所述的方法，其中，所述遮挡校正方法包括下述步骤：
i)设置具有检测器阵列的传感器构件并将所述检测器阵列的区域划分成较小部分；
ii)测量每个所述较小部分中的所述作物或牧草的表面形貌；
iii)忽略具有由遮挡产生的异常读数的任何测量；
iv)计算每个子部分与目标之间的距离和角度；
v)得到每个没有被遮挡的部分的作物或牧草表面形貌；以及
vi)计算每个没有被遮挡的部分的所述作物或牧草表面形貌的平均值，以得到已被校正成忽略被遮挡部分的针对全视场的表面形貌。
48.根据权利要求45所述的方法，其中，所述遮挡校正方法包括下述步骤：
i)计算全视场内的所述作物或牧草表面形貌；
ii)如果所述表面形貌由于遮挡的存在而比预期的表面形貌短，则将检测器阵列的传感器区域划分成两个或更多个较小部分；
iii)测量每个所述较小部分的视场；
iv)如果所述较小部分中的任一者或任何部分生成由遮挡产生的异常读数，则将那些较小部分拆分成两个或更多个较小部分，否则继续到步骤(vii)；
v)重复步骤(iii) - (iv)，直到生成具有遮挡的最小部分；
vi)测量在每个所述较小部分中的所述作物或牧草的表面形貌；
vii)忽略具有由遮挡产生的异常读数的任何测量；
viii)计算每个子部分与目标之间的距离和角度；
ix)得到每个没有被遮挡的部分的作物或牧草表面形貌；以及
x)计算每个没有被遮挡的部分的所述作物或牧草表面形貌的平均值，以得到已被校正成忽略被遮挡部分的针对全视场的表面形貌。
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