CN111561870B - 获取室外植物表型数据的方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种获取室外植物表型数据的方法和系统，方法包括：对待检测植物构建防风装置；对待检测植物贴扫描识别点，根据扫描识别点建立植物空间三维独立坐标系，确保扫描仪的每个工作位置有3个以上的扫描识别点；进行扫描预实验，判断光照是否影响扫描，若影响则在太阳入射方向添加遮光装置；对待检测植物进行扫描；根据扫描得到的扫描数据和植物空间三维独立坐标系计算待检测植物的各个特征参数。本发明解决了现有技术中传统手持三维激光扫描仪室外扫描植物形态存在风干扰和光照强度高影响的技术问题。

Description

获取室外植物表型数据的方法和系统

技术领域

本发明涉及检测领域，尤其涉及一种获取室外植物表型数据的方法和系统。

背景技术

三维激光扫描技术广泛应用于植物表型研究中。植物表型是受基因和环境因素决定或影响的,反映植物结构及组成、植物生长发育过程及结果的全部物理、生理、生化特征和性状。因此，获取植物形态结构为植物表型研究提供依据，有利于深入研究植物的生长生理状况。目前应用传统三维激光扫描仪获取植物形态的目标植物大多为温室植物，传统手持三维激光扫描仪室外扫描植物形态存在风干扰和光照强度高影响的技术问题。

发明内容

基于以上问题，本发明提出一种获取室外植物表型数据的方法和系统，解决了现有技术中传统手持三维激光扫描仪室外扫描植物形态存在风干扰和光照强度高影响的技术问题。

本发明提出一种获取室外植物表型数据的方法，包括：

对待检测植物构建防风装置；

对待检测植物贴扫描识别点，根据扫描识别点建立植物空间三维独立坐标系，确保扫描仪的每个工作位置有3个以上的扫描识别点；

进行扫描预实验，判断光照是否影响扫描，若影响则在太阳入射方向添加遮光装置；

对待检测植物进行扫描；

根据扫描得到的扫描数据和植物空间三维独立坐标系计算待检测植物的各个特征参数。

此外，进行扫描预实验，判断光照是否影响扫描包括：

对待检测植物进行三维激光扫描，若扫描数据缺失率超过预设数值，则认为光照影响扫描。

此外，特征参数至少包括：待检测植物的株高、冠幅和总受光面积。

此外，根据扫描得到的扫描数据和植物空间三维独立坐标系计算待检测植物的各个特征参数包括：

先对扫描数据进行点的处理，然后再进行多边形模型处理。

此外，对扫描数据进行点的处理包括：对扫描数据进行删除非链接项、去除孤点、减噪处理，然后分离扫描数据中的待检测植物和土壤后得到了待检测植物的点云数据。

此外，进行多边形模型处理包括：以相邻的点云数据中的数据点为顶点建立不规则三角形，形成不规则三角网模型并对待检测植物的表面进行逼近。

此外，对多边形模型处理后的数据进行完善处理：

将数据中的缺失部分进行填充，运用旋转矩阵将植物空间三维独立坐标系进行转换，转换后的坐标系以待检测植物的最低端的中心为坐标原点，以待检测植物的茎秆中心为Z轴。

本发明提出一种获取室外植物表型数据的系统，包括：

三维激光扫描仪、计算机、数据线、扫描识别点、防风装置和遮光装置；

三维激光扫描仪通过数据线与计算机连接，扫描识别点贴在待检测植物上，防风装置将待检测植物包围在内部，遮光装置设置在防风装置的外部。

此外，防风装置包括粗内径金属管、细外径金属管、控件、弹簧和连接构件；

粗内径金属管上均匀布设圆孔，细外径金属管的外径小于粗内径金属管的内径，细外径金属管的一端设有圆孔，在圆孔下方管壁的内侧设有圆柱，控件为圆柱体，与控件的端口平面互相垂直的方向上分别布设有方向指向控件外侧的金属片，弹簧安置在控件内部；

控件安装在细外径金属管内，控件的封口端朝向细外径金属管的外侧，细外径金属管安装在粗内径金属管内构成伸缩管；

连接构件将多个伸缩管连接成长方体框架。

此外，遮光装置为PE透明膜，遮光装置的大小根据长方体框架的大小设定，使用时将遮光装置固定到长方体框架的伸缩管上，将长方体框架的四周和顶部封闭。

通过采用上述技术方案，具有如下有益效果：

本发明解决了现有技术中传统手持三维激光扫描仪室外扫描植物形态存在风干扰和光照强度高影响的技术问题。通过本发明提供的获取室外植物表型数据的方法，利用防风装置和遮光装置能够排除室外风和太阳高强度照射的干扰，可以使得手持三维激光扫描仪能够在室外有风、强光条件下获取植物表型数据。并且本发明中通过扫描前设置预实验的方法进行是否需要遮光检验，并且只遮挡太阳入射方向的光，不会完全遮挡自然光，这也可以将装置对植物光照影响降到最小，本发明方法易于操作、设备便携、成本低、高效，为利用手持三维激光扫描仪获取室外有风和强光条加下植物表型数据提供了有力的技术支持。

附图说明

图1是本发明一个实施例提供的获取室外植物表型数据的方法的流程图；

图2是本发明一个实施例提供的扫描处理后玉米三维模型的示意图；

图3是本发明一个实施例提供的试验获取到的玉米株高的示意图；

图4是本发明一个实施例提供的试验获取到的玉米冠幅的示意图；

图5是本发明一个实施例提供的玉米株高和冠幅属性表的示意图；

图6是本发明一个实施例提供的处理玉米总受光面积和属性表的示意图；

图7是本发明一个实施例提供的防风遮光装置组合图的示意图；

图8是本发明一个实施例提供的粗内径金属管的正视图；

图9是本发明一个实施例提供的粗内径金属管的俯视图；

图10是本发明一个实施例提供的细外径金属管的正视图；

图11是本发明一个实施例提供的细外径金属管的俯视图；

图12是本发明一个实施例提供的控件和弹簧的示意图；

图13是本发明一个实施例提供的连接构件的示意图；

图14是本发明一个实施例提供的伸缩管组合图的正视图；

图15是本发明一个实施例提供的伸缩管组合图的俯视图。

具体实施方式

以下结合具体实施方案和附图对本发明进行进一步的详细描述。其只意在详细阐述本发明的具体实施方案，并不对本发明产生任何限制，本发明的保护范围以权利要求书为准。

参照图1，本发明提出一种获取室外植物表型数据的方法，包括：

步骤S001，对待检测植物构建防风装置；

步骤S002，对待检测植物贴扫描识别点，根据扫描识别点建立植物空间三维独立坐标系，确保扫描仪的每个工作位置有3个以上的扫描识别点；

步骤S003，进行扫描预实验，判断光照是否影响扫描，若影响则在太阳入射方向添加遮光装置；

步骤S004，对待检测植物进行扫描；

步骤S005，根据扫描得到的扫描数据和植物空间三维独立坐标系计算待检测植物的各个特征参数。

在步骤S001中，对待检测植物构建防风装置；防风装置如图3所示，防风装置包括粗内径金属管、细外径金属管、控件、弹簧和连接构件；

粗内径金属管上均匀布设圆孔，细外径金属管的外径小于粗内径金属管的内径，细外径金属管的一端设有圆孔，在圆孔下方管壁的内侧设有圆柱，控件为圆柱体，与控件的端口平面互相垂直的方向上分别布设有方向指向控件外侧的金属片，弹簧安置在控件内部；

控件安装在细外径金属管内，控件的封口端朝向细外径金属管的外侧，细外径金属管安装在粗内径金属管内构成伸缩管；

连接构件将多个伸缩管连接成长方体框架。

可选地，遮光装置为PE透明膜，遮光装置的大小根据长方体框架的大小设定，使用时将遮光装置固定到长方体框架的伸缩管上，将长方体框架的四周和顶部封闭。

通过防风装置将待检测植物围起来，使其在检测过程中不受风的干扰。

在步骤S002中，对待检测植物贴扫描识别点，根据扫描识别点建立植物空间三维独立坐标系，确保扫描仪的每个工作位置有3个以上的扫描识别点；

对待检测植物进行三维激光扫描时，需要先对待检测植物贴扫描识别点，根据扫描识别点建立植物空间三维独立坐标系，为了保证检测结果准确，使扫描仪的每一个工作位置都有3个以上的扫描识别点。

在步骤S003中，进行扫描预实验，判断光照是否影响扫描，若影响则在太阳入射方向添加遮光装置；为了确保后续的扫描效果，先对待检测植物进行扫描预实验，通过判断光照是否影响扫描的方式进行扫描预实验，从而使扫描工作的准确率提高，在现有技术中，直接对待检测植物进行扫描，导致数据非常不准确，费时费力。

当光照影响了激光扫描，则对防风装置加上遮光装置，从而使后续的激光扫描得到的数据准确。

在步骤S004中，对待检测植物进行扫描；

在步骤S005中，根据扫描得到的扫描数据和植物空间三维独立坐标系计算待检测植物的各个特征参数。

先对扫描数据进行点的处理，然后再进行多边形模型处理。对多边形模型处理后的数据进行完善处理：

将数据中的缺失部分进行填充，运用旋转矩阵将植物空间三维独立坐标系进行转换，转换后的坐标系以待检测植物的最低端的中心为坐标原点，以待检测植物的茎秆中心为Z轴。

本实施例解决了现有技术中传统手持三维激光扫描仪室外扫描植物形态存在风干扰和光照强度高影响的技术问题。

通过本发明实施例提供的获取室外植物表型数据的方法，利用防风装置和遮光装置能够排除室外风和太阳高强度照射的干扰，可以使得手持三维激光扫描仪能够在室外有风、强光条件下获取植物表型数据。并且本发明中通过扫描前设置预实验的方法进行是否需要遮光检验，并且只遮挡太阳入射方向的光，不会完全遮挡自然光，这也可以将装置对植物光照影响降到最小，本发明方法易于操作、设备便携、成本低、高效，为利用手持三维激光扫描仪获取室外有风和强光条加下植物表型数据提供了有力的技术支持。

在其中的一个实施例中，进行扫描预实验，判断光照是否影响扫描包括：

对待检测植物进行三维激光扫描，若扫描数据缺失率超过预设数值，则认为光照影响扫描。

当光照强度影响三维激光扫描的结果时，扫描数据会出现大面积缺失或者完全没有，所以可以根据扫描数据缺失率是否超过预设数值，则判断光照是否影响扫描。预设数值比如为50％、60％、80％等。

通过预实验判断光照是否影响扫描，使扫描工作开始时即可以得到准确的数据，节约了扫描时间，提高了工作效率。

在其中的一个实施例中，特征参数至少包括：待检测植物的株高、冠幅和总受光面积。

根据最后的扫描数据可以得到很多待检测植物的特征参数，常用的有待检测植物的株高、冠幅和总受光面积。

在其中的一个实施例中，根据扫描得到的扫描数据和植物空间三维独立坐标系计算待检测植物的各个特征参数包括：

先对扫描数据进行点的处理，然后再进行多边形模型处理。

对特征数据进行处理时分两个步骤进行：

先对扫描数据进行点处理，这一步主要是对扫描数据进行去噪声处理，得到去除掉噪声的扫描数据，扫描数据然后再进行多边形模型处理，进行多边形模型处理后得到了待检测数据的外轮廓。

在其中的一个实施例中，对扫描数据进行点的处理包括：对扫描数据进行删除非链接项、去除孤点、减噪处理，然后分离扫描数据中的待检测植物和土壤后得到了待检测植物的点云数据。

对扫描数据进行点的处理可参考专利“采用三维激光扫描方式测量植株形态的方法”中数据处理方法。

点处理阶段：在Geomagic Studio软件中进行数据处理，将扫描得到的点云数据导入Geomagic Studio中，选择“网格医生”对数据进行简化，删除非链接项、去除孤点、减噪等前期处理；然后分离植物和土壤后就得到了苗期玉米完整的点云数据，如图2所示。

在其中的一个实施例中，进行多边形模型处理包括：以相邻的点云数据中的数据点为顶点建立不规则三角形，形成不规则三角网模型并对待检测植物的表面进行逼近。

多边形模型处理阶段：多边形模型是以相邻的数据点为顶点建立不规则三角形，形成不规则三角网模型(triangulation irregular net，TIN模型)，对实体表面进行逼近的。

在其中的一个实施例中，对多边形模型处理后的数据进行完善处理：

将数据中的缺失部分进行填充，运用旋转矩阵将植物空间三维独立坐标系进行转换，转换后的坐标系以待检测植物的最低端的中心为坐标原点，以待检测植物的茎秆中心为Z轴。

对TIN模型进行完善处理：

填充孔洞：扫描时会有部分数据缺失形成不规则的孔洞，需要在软件中选择不同的“填充孔”命令进行填充。

转换坐标系：在扫描时，扫描仪器会自动建立一个植物空间三维独立坐标系，Z轴与待检测植物的茎秆竖直方向不同向，需要运用旋转矩阵将独立空间坐标系转换为以玉米最低端的中心为坐标原点，茎秆中心为Z轴的空间坐标系。首先选取茎秆数据进行圆柱特征模拟，出现贯穿茎秆的中心线，然后运用“对齐”命令以这条中心线为固定的Z轴进行坐标转换，就得到茎秆方向与Z轴一致的模型。这时可以随意旋转模型从任何角度对植株进行观测。

待检测植物的各个特征参数的获取：

以玉米为例进行说明：

苗期玉米株高和冠幅：在Geomagic Studio软件中选中点云数据，选择“创建圆柱体”命令，可获得点云数据的外切圆柱体，见图3和图4所示，可以在“创建圆柱体”的属性中查看圆柱体的高度和直径，即玉米的株高和冠幅，见图5。

玉米总受光面积：在Geomagic Studio软件中选中点云数据，选择“计算面积”命令，在“计算面积”命令下选择“曲面面积”，“计算面积”属性中“面积”即为玉米的总受光面积，见图6。

参照图7所示，本发明还提出一种获取室外植物表型数据的系统，包括：

三维激光扫描仪、计算机、数据线、扫描识别点、防风装置和遮光装置；

三维激光扫描仪通过数据线与计算机连接，扫描识别点贴在待检测植物上，防风装置13将待检测植物包围在内部，遮光装置15设置在防风装置13的外部。

在其中的一个实施例中，防风装置13包括粗内径金属管3、细外径金属管6、控件7、弹簧9和连接构件12；

参照图8-9，粗内径金属管3上均匀布设圆孔1，细外径金属管6的外径小于粗内径金属管3的内径，细外径金属管6的一端设有圆孔，在圆孔下方管壁的内侧设有圆柱，控件7为圆柱体，与控件的端口平面互相垂直的方向上分别布设有方向指向控件外侧的金属片8，弹簧9安置在控件7内部；其中，4为细外径金属管6上控件7的安装孔，5为细外径金属管上控件7和弹簧9的在管内的卡控，用于防止弹簧9侧向移动。

控件7安装在细外径金属管6内，控件7的封口端朝向细外径金属管6的外侧，细外径金属管6安装在粗内径金属管3内构成伸缩管10，其中14为防风遮光装置的侧边。参照图14-15所示；

连接构件12将多个伸缩管连接成长方体框架。

可选地，粗内径金属管的管长1.1m，内径10mm，外径11mm，一端2封口，一端3开口，并在管体上开口端开始均匀布设10个10cm间隔的直径6mm的圆孔1。

参照图10-11，可选地，细外径金属管的管长1.1m，外径9mm，内径8mm，该外径比粗内径金属管的内径小1mm，一端封口，一端开口，在距离开口一端10cm处设置一个直径为6mm的圆孔，在圆孔下方管壁内侧设置一个直径为3mm，高为3mm的金属圆柱；

参照图12，可选地，控件为按钮控件，该控件近似为圆柱体，长5mm，外径5mm，内径4mm，一端封口，另一端在端口平面上互相垂直的方向上分别布设宽为2mm，长为3mm方向指向圆柱体外的金属片，弹簧外径为3mm，自然伸长为15mm，可压缩为8mm，将弹簧安置到按钮控件内部。

参照图13，可选地，连接构件12为空间上有一个公共点互相垂直的PVC材质套件，内径为11mm，外径为13mm，每个方向上长20mm。

连接构件12与伸缩管的连接口为11。

在其中的一个实施例中，防风装置为PE透明膜，防风装置的大小根据长方体框架的大小设定，使用时将防风装置固定到长方体框架的伸缩管上，将长方体框架的四周和顶部封闭。

可选地，防风装置的材料为PE透明膜，厚度为0.06mm，透光率达90％，防风材料大小由伸缩管和连接构件组成的长方体框架决定，使用时用胶带将防风材料固定到伸缩管上，将长方体框架四周和顶部封闭。

可选地，遮光材料包含3块，该遮光材料为黑色遮阳网，聚乙烯材料，规格为10针，遮阳率达75％-85％，大小与需要遮光方向防风材料一样，使用时将遮光材料安置在防风材料外，用胶带固定。遮光材料最多使用3块，是为了减少遮光对植物表型结构的影响，而不是完全遮光。

可选地，防风装置包含12根伸缩管，8个连接构件和5块防风材料。

图2展示的是本试验获取的扫描数据进行数据简化处理后的植物三维模型，可以发现并未出现叶片“重影”的现象，这说明本试验中室外三维激光扫描技术获取植物形态数据的方法是可靠的。经过室内数据处理图5显示，玉米株高为235.00mm，冠幅为280.00mm，图6显示玉米的总受光面积为16844.1967mm2。这说明提出的获取室外植物表型数据的系统为三维激光扫描仪在室外有风和光照强的环境下数据采集提供了支持。

以上所述的仅是本发明的原理和较佳的实施例。应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在本发明原理的基础上，还可以做出若干其它变型，也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种获取室外植物表型数据的方法，其特征在于，包括：

对待检测植物构建防风装置；

对待检测植物贴扫描识别点，根据扫描识别点建立植物空间三维独立坐标系，确保扫描仪的每个工作位置有3个以上的扫描识别点；

进行扫描预实验，判断光照是否影响扫描，若影响则在太阳入射方向添加遮光装置；

对待检测植物进行扫描；

根据扫描得到的扫描数据和植物空间三维独立坐标系计算待检测植物的各个特征参数；

进行扫描预实验，判断光照是否影响扫描包括：

对待检测植物进行三维激光扫描，若扫描数据缺失率超过预设数值，则认为光照影响扫描；

防风装置包括粗内径金属管、细外径金属管、控件、弹簧和连接构件；

粗内径金属管上均匀布设圆孔，细外径金属管的外径小于粗内径金属管的内径，细外径金属管的一端设有圆孔，在圆孔下方管壁的内侧设有圆柱，控件为圆柱体，与控件的端口平面互相垂直的方向上分别布设有方向指向控件外侧的金属片，弹簧安置在控件内部；

控件安装在细外径金属管内，控件的封口端朝向细外径金属管的外侧，细外径金属管安装在粗内径金属管内构成伸缩管；

连接构件将多个伸缩管连接成长方体框架；

遮光装置为PE透明膜，遮光装置的大小根据长方体框架的大小设定，使用时将遮光装置固定到长方体框架的伸缩管上，将长方体框架的四周和顶部封闭。

2.根据权利要求1所述的获取室外植物表型数据的方法，其特征在于，

特征参数至少包括：待检测植物的株高、冠幅和总受光面积。

3.根据权利要求1-2任一项所述的获取室外植物表型数据的方法，其特征在于，

根据扫描得到的扫描数据和植物空间三维独立坐标系计算待检测植物的各个特征参数包括：

先对扫描数据进行点的处理，然后再进行多边形模型处理。

4.根据权利要求3所述的获取室外植物表型数据的方法，其特征在于，

对扫描数据进行点的处理包括：对扫描数据进行删除非链接项、去除孤点、减噪处理，然后分离扫描数据中的待检测植物和土壤后得到了待检测植物的点云数据。

5.根据权利要求3所述的获取室外植物表型数据的方法，其特征在于，

进行多边形模型处理包括：以相邻的点云数据中的数据点为顶点建立不规则三角形，形成不规则三角网模型并对待检测植物的表面进行逼近。

6.根据权利要求5所述的获取室外植物表型数据的方法，其特征在于，

对多边形模型处理后的数据进行完善处理：

将数据中的缺失部分进行填充，运用旋转矩阵将植物空间三维独立坐标系进行转换，转换后的坐标系以待检测植物的最低端的中心为坐标原点，以待检测植物的茎秆中心为Z轴。

7.一种获取室外植物表型数据的系统，其特征在于，采用如权利要求1所述的获取室外植物表型数据的方法，包括：

三维激光扫描仪、计算机、数据线、扫描识别点、防风装置和遮光装置；

三维激光扫描仪通过数据线与计算机连接，扫描识别点贴在待检测植物上，防风装置将待检测植物包围在内部，遮光装置设置在防风装置的外部；

防风装置包括粗内径金属管、细外径金属管、控件、弹簧和连接构件；

粗内径金属管上均匀布设圆孔，细外径金属管的外径小于粗内径金属管的内径，细外径金属管的一端设有圆孔，在圆孔下方管壁的内侧设有圆柱，控件为圆柱体，与控件的端口平面互相垂直的方向上分别布设有方向指向控件外侧的金属片，弹簧安置在控件内部；

控件安装在细外径金属管内，控件的封口端朝向细外径金属管的外侧，细外径金属管安装在粗内径金属管内构成伸缩管；

连接构件将多个伸缩管连接成长方体框架；

遮光装置为PE透明膜，遮光装置的大小根据长方体框架的大小设定，使用时将遮光装置固定到长方体框架的伸缩管上，将长方体框架的四周和顶部封闭。

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