CN111561873B - 自走式苗木树干表型信息采集系统及其采集方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自走式苗木树干表型信息采集系统及其采集方法，包括软件处理模块、行车平台和信息采集系统；信息采集系统包括上相机升降装置、下相机升降装置和伸缩夹持装置，下相机升降装置下端与行车平台连接，上相机升降装置下端与伸缩夹持装置连接，上相机升降装置和下相机升降装置位于同一条竖直方向上。本发明的采集系统能够更加方便准确地对植物整个生长期表型的变化进行检测和无损测量。本发明的采集方法中，树干表型信息采集的效率较高，既能精确测量树干胸径，又能通过图像采集获得多高度直径、活枝下高、削度、材积、树皮颜色、树干健康程度等多种树干表型参数，过程中注重保护植株的枝干避免损伤，能够减小测量对植株生长的影响。

Description

自走式苗木树干表型信息采集系统及其采集方法

技术领域

本发明涉及面向林地种植的处于生长期的苗木树干的表型检测领域，具体涉及一种对中小型苗木在自然环境下生长过程的自走式苗木树干表型信息采集系统及其采集方法。

背景技术

基因组测序工作的快速发展带来一个新的问题，缺乏合适的高通量表型获取技术获取对应的表型信息。在获得海量植物基因组信息的基础上，如何高通量、高分辨率、高效地解析基因、表型及环境响应三者的相互作用机理已成为一个全新的挑战。植物表型数据涵盖生理、生化、生态及生长动态等多维尺度，它以植物栽培和植物育种的实际需求为导向，依赖自动化、现代化的表型平台来实现。

苗木的诸多表型特性，反映了苗木的生长整个过程，或者基因型与其生长环境动态变化的互作关系。苗木表型特性的采集，对苗木生长状况的监控、苗木的成活率的提高、优株的苗期筛选有着重要的意义。

树干的表型参数包括胸径、活枝下高、削度、材积、树皮颜色、树干健康程度等。

胸径，又称干径，指乔木主干离地表面胸高处的直径，胸径是森林调查中最为主要的基础数据，也是构建立木材积方程和生物量模型等所用的基本测树因子。为了便于测量及减少测量误差，我国采用树高1.3m处的直径作为胸径。目前的林业测树技术中已有高性能光学测树仪器能够准确测量树干不同高度处的直径。

活枝下高，是指地面到活立木树冠的最低枝杈点的高度，是树干修剪时决定树冠高度及冠高比的重要因素。如为用材类树种，认为其活枝下高的值越大越好，以提高木材的产出；如为观赏型树种，认为其活枝下高的值越小越好，有益于树冠形成后规整好看。

削度，是指树干直径沿其树干向上随干径位置的升高而逐渐减小变化的程度，即随着树干高度增加而逐渐变细的缓急程度。它是描述树干干形好坏的重要度量指标，削度值的大小直接影响材积和出材率。削度分绝对削度和相对削度。绝对削度是树干上相距1米两端直径之差，相对削度通常以胸径为100％，其它各断面之直径与其相比的百分数。

材积，即立木蓄积，树木经济利用的主要部分是树干，因此材积是林木经营利用的基本经济指标，在木工业生产、森林资源调查、生物量和碳储量研究等方面有着广泛的应用。目前计算活立木材积的常规方法是，利用样木的胸径、树高测量值，查阅立木材积表或使用材积求算单株活立木材积。

树皮颜色，是树木种类的识别的依据，也可以通过树干颜色判断树干的健康程度，一般通过色卡比对来确定。

树干健康程度，根据树干表面的颜色、节子和纹理等表面形貌特征，可以判断出树木表面是否有虫洞、破损或是腐坏，以此可以评估树干的健康程度。

传统的人工接触式胸径测量方法存在劳动强度大、人力成本高、效率低等缺陷，难以满足当前林业信息化发展要求，而全站仪等精密设备因限于其体积、重量、操作复杂程度及成本等因素，在林业调查中难以普及。近景摄影测量虽然可以在一定程度上解决上述问题，但其解算步骤繁琐，不可避免会具有一定误差，仍不能完全满足实地测量需要。国外研制的自伸长接触式卡尺测径仪，操作简单，可满足长期监测胸径变化的要求，但需要将测径仪钉与树木表面，对树木有所损伤，且一棵树木需要一个测径仪，对于大样本的监测来说成本昂贵。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足提供一种自走式苗木树干表型信息采集系统及其采集方法，本自走式苗木树干表型信息采集系统及其采集方法可以对多种经济及观赏型苗木进行半自动化无损测量，从而更便捷地获得苗木生长过程中的全动态表型数据；测量准确性高；成本低；效率高。

为实现上述技术目的，本发明采取的技术方案为：

自走式苗木树干表型信息采集系统，包括软件处理模块、行车平台以及安装在行车平台上的信息采集系统；

所述信息采集系统包括上相机升降装置、下相机升降装置和伸缩夹持装置，所述行车平台通过支杆与伸缩夹持装置固定连接，所述下相机升降装置的下端与行车平台固定连接，所述上相机升降装置的下端与伸缩夹持装置固定连接，所述伸缩夹持装置位于上相机升降装置和下相机升降装置之间，所述上相机升降装置和下相机升降装置位于同一条竖直方向上，所述上相机升降装置和下相机升降装置的结构相同且对称设置；

所述上相机升降装置包括上相机和用于驱动上相机升降的直线丝杆模组，所述上相机与直线丝杆模组连接；所述下相机升降装置均包括下相机和用于驱动下相机升降的直线丝杆模组，所述下相机与直线丝杆模组连接；

所述伸缩夹持装置包括电动伸缩结构、电动夹紧结构和胸径测量装置，所述电动伸缩结构的一端与支杆连接，另一端与电动夹紧结构连接，所述电动夹紧结构与胸径测量装置连接；

所述上相机、下相机、直线丝杆模组、电动伸缩结构和电动夹紧结构均与软件处理模块连接。

作为本发明进一步改进的技术方案，所述上相机和下相机均采用CCD相机；

所述电动夹紧结构包括双向丝杆模组和两个外夹板，两个外夹板与双向丝杆模组连接，所述双向丝杆模组用于驱动两个外夹板相对靠近或远离；

所述双向丝杆模组与软件处理模块连接。

作为本发明进一步改进的技术方案，所述胸径测量装置包括两个内夹持环，每个所述外夹板的弧形端部均转动连接有内夹持环，所述外夹板用于在双向丝杆模组的驱动下带动两个内夹持环相互重合夹紧；

所述内夹持环包括半圆环形的固定环、胸径测量卡尺、测量卡尺恢复弹簧和树干自适应弹簧，所述固定环的外圆面设有弧形凹槽，所述凹槽的一端固定连接有测量卡尺恢复弹簧，所述胸径测量卡尺的一端与固定环的一端内侧固定连接，所述固定环的另一端设有卡尺贯穿孔，所述胸径测量卡尺的另一端穿过卡尺贯穿孔并折弯缠绕在凹槽的槽壁上直到与测量卡尺恢复弹簧的另一端固定连接，所述固定环的内圆面连接有多个树干自适应弹簧，所述树干自适应弹簧位于胸径测量卡尺与固定环的内圆面之间；所述固定环的上端面和下端面上均内嵌有能自由转动的滚动珠，所述外夹板与固定环的配合面开设有能与滚动珠匹配的环形滚槽，使得固定环能在外夹板上自由旋转；每个所述外夹板内侧均设有传感器，所述传感器位于靠近两个内夹持环的重合位置，所述传感器用于测量卡尺拉伸长度，所述传感器与软件处理模块连接；

其中一个与外夹板转动连接的内夹持环的固定环端部设有测量卡尺固定块，该测量卡尺固定块位于固定环中心侧的胸径测量卡尺向固定环外圆面的凹槽折弯处，所述固定环上的测量卡尺固定块用于在两个固定环重合夹紧时固定另一个固定环上的胸径测量卡尺。

作为本发明进一步改进的技术方案，所述胸径测量卡尺的表面均匀并间隔分布有多个等腰三角形齿，所述测量卡尺固定块的端部能嵌入到相邻两个等腰三角形齿之间从而对胸径测量卡尺的移动进行限位；

所述树干自适应弹簧有3个，均匀并间隔的环形分布于固定环中心侧内圆面。

作为本发明进一步改进的技术方案，所述软件处理模块包括微型主板和表型数据提取模块，所述上相机、下相机、直线丝杆模组、双向丝杆模组、电动伸缩结构和传感器均与微型主板连接，所述微型主板安装在所述行车平台上，所述表型数据提取模块位于外部计算机主站内，所述微型主板通过5G通讯模块与外部计算机主站无线通信连接。

作为本发明进一步改进的技术方案，所述行车平台上还安装有电源箱，所述电源箱内设有锂电池组电源，所述5G通讯模块和微型主板均位于电源箱内，所述锂电池组电源用于为上相机、下相机、直线丝杆模组、双向丝杆模组、电动伸缩结构、传感器、微型主板和5G通讯模块供电。

作为本发明进一步改进的技术方案，所述微型主板通过5G通讯模块远程连接有遥控装置，所述遥控装置用于通过5G通讯模块发送控制信号到微型主板，所述微型主板通过遥控装置远程发送的信号控制行车平台前进后退和自由转向。

为实现上述技术目的，本发明采取的另一个技术方案为：

一种自走式苗木树干表型信息采集系统的采集方法，包括以下步骤：

(1)初始状态下，上相机位于直线丝杆模组的下限位以及伸缩夹持装置上方，下相机位于另一直线丝杆模组的下限位以及行车平台上方，电动伸缩结构处于缩回状态；

(2)遥控装置远程控制行车平台行进到待测苗木旁边时，上相机拍摄待测苗木树干位置图片，发送位置图片到微型主板，微型主板内的图像处理模块对位置图片进行处理，定位到苗木树干位置，并计算行车平台行进距离使得树干处于两个外夹板中间；微型主板对行车平台进行位置和转向角度的微调，使伸缩夹持装置的电动伸缩结构伸出时，树干中心位于两外夹板的中间对称线上；在行车平台进行位置和转向角度调整时，上相机和下相机一起拍摄树干位置图像，并发送位置图像到微型主板，微型主板内的图像处理模块对位置图像进行处理，考校上相机和下相机的图像处理结果，计算树干与行车平台之间的距离，进一步计算出电动伸缩结构需要伸出的长度；

(3)电动伸缩结构在微型主板的控制下带动电动夹紧结构和胸径测量装置伸出，同时电动夹紧结构在微型主板的控制下带动胸径测量装置环住树干，胸径测量装置测量环住的树干部分的胸径，经传感器反馈到微型主板，测得样本苗木的胸径值；

(4)随后直线丝杆模组带动上相机和下相机从下限位开始向上限位移动，同时上相机和下相机拍摄各个高度的水平图像；上相机和下相机抵达上限位时，微型主板控制行走驱动装置动作从而使行车平台绕苗木旋转，上相机和下相机以行车平台旋转一定角度为间隔拍摄图像，即：行车平台旋转一定角度停下，直线丝杆模组带动上相机和下相机从上限位开始向下限位移动，同时上相机和下相机拍摄各个高度的水平图像；行车平台继续旋转一定角度停下，直线丝杆模组带动上相机和下相机从下限位开始向上限位移动，同时上相机和下相机拍摄各个高度的水平图像；以此往复，直到行车平台旋转至初始位置；上相机和下相机完成拍摄一周多个角度的全高度图像序列后，传送给微型主板，微型主板内的图像处理模块对图像进行分析处理后，由微型主板无线传送给计算机主站的表型数据提取模块，表型数据提取模块从分析处理后的图像中提取树干表型信息。

作为本发明进一步改进的技术方案，其中图像处理模块对图像进行分析处理的工作步骤包括：

S1、确定了样本苗木后使用上相机拍摄树干位置图片，初始状态下，上相机处于直线丝杆模组的下限位上，图像处理模块对位置图片进行边缘检测定位出苗木树干所在的方向，进一步计算行车平台的位置微调量和转向角度微调量，同时，在行车平台进行位置和角度调整时，上相机和下相机一起拍摄树干位置图片，并发送位置图像到微型主板，微型主板内的图像处理模块利用图像位置标定原理对多幅位置图片多次分析验证以计算树干与行车平台的距离，进一步计算出电动伸缩结构需要伸出的长度，微型主板再反馈给电动伸缩结构；

S2、图像处理模块采集上相机和下相机从一限位向另一限位移动时拍摄的各个高度的水平图像，待完成一周360°的全高度图像序列的采集后，存储至微型主板上的存储模块；图像处理模块再将树干从背景图像中分离出来，无线传送到外部计算机主站的表型数据提取模块。

作为本发明进一步改进的技术方案，所述树干表型信息包括全高度直径、活枝下高、削度、材积、树皮颜色和树干健康程度；

其中表型数据提取模块从背景分割后的树干图像中提取树干表型信息的工作步骤包括：

(1)全高度直径：因上相机和下相机皆垂直放置，因此拍摄图像的中间线便是无畸变的标准水平图像；表型数据提取模块对分割后的某一高度图像进行二值化操作，检测树干图像中间线中非0值个数，即得到该高度样本直径的相对值；对下相机在上限位高度取得的相对直径与上相机在下限位高度取得的相对直径取平均值，将该平均值作为相对胸径，与胸径测量装置获得的胸径真实值作比对，获得样本的相对直径和真实直径的换算关系，根据拍摄的全高度图像进一步推出各高度的真实直径；再根据活枝下高的高度摒弃高于活枝下高高度的直径；

(2)活枝下高：以上相机在上限位拍摄的图像为活枝下高的检测图像，对分割后的整张图像从下到上以行为单位进行线性扫描，检测每行图像中非0值个数，当非0值个数产生急速增长与扩大时，那个快速增长的节点即为立木最高枝杈点，该节点所在高度就是活枝下高；

(3)削度：削度包括绝对削度和相对削度，绝对削度是树干上相距1米两端直径之差，相对削度是以胸径为100％，其他各断面之直径与其相比的百分数；

(4)材积：利用树干削度方程来计算活立木的材积；

其中树干削度方程为：

d²/D²＝a+b(h/H)+c(h/H)²；

其中d为树干上各部位直径；h为树干上各部位直径距地面的高度；D为胸径；H为全高；a、b、c为削度方程的参数；

树干上任分段材积值为：

其中

h₁是分段上端直径距地面的高度；h₂是分段下端直径距地面的高度；

(5)树皮颜色：取出图像中树干位置各个像素点的RGB值，转化到Lab和HIS颜色空间，存储到颜色数据库，以便下面检测树木健康程度；

(6)树干健康程度：根据上一步各个图像中获得的树干表面的颜色特征，通过阈值分割的方法筛选出绿色分区，加以人工辅助识别，判断出样木表面是否有腐坏；筛选出过黑的小区域，加以人工辅助识别，判断出样木表面是否有虫洞；筛选出颜色比周围过浅的区域，加以人工辅助识别，判断出样木表面是否有破损，以此评估树干的健康程度。

本发明的有益效果为：本发明是一种用于对树干高度小于2.4米、胸径300mm以下的生长期苗木树干生长状况进行无损监测，包括对胸径、全高度直径、活枝下高、削度、材积、树皮颜色、树干健康程度等表型参数进行测量的通用型车载装置。一方面，苗木的胸径不管是通过人工接触式或自伸长接触式卡尺测量胸径，还是通过测量仪或图像来计算，都有其缺点，另一方面，单一的利用样木的胸径、树高测量值，查阅立木材积表或使用材积求算单株活立木材积并不准确，通过树干不同高度的直径计算削度，进而推算立木材积才更加准确可靠。对于操作者而言，仅需通过基本的手动遥控小车行进的操作和参数选择，就能够完成苗木的表型分析，不需要繁杂的人工测量。此外，相比较苗圃、温室这种人工介入大、可操纵性强、相对稳定的环境，本系统能够在林地这种相对复杂的测量环境下实现生长期苗木地上表型的无损监测，避免人为误差的同时便于多次、多样本的测量，从而更便捷地获得苗木生长过程中的全动态表型数据。

本发明利用伸缩夹持装置环住树干，一方面为小车提供圆周旋转的中心点，另一方面伸缩夹持装置里有胸径测量装置，获得树干胸径。随后车载装置(即行车平台)旋转并以一定旋转角度为间隔停车，上、下双相机在升降过程中拍摄图像，获得苗木的多角度多高度图像序列，整合后获取树干表型数据。本技术可以对多种经济及观赏型苗木进行半自动化无损测量，获得苗木生长过程中的全动态表型数据。测量准确性高；人力成本低；效率高。

附图说明

图1为本发明的总体结构示意图。

图2为本发明的伸缩夹持装置结构示意图。

图3为本发明的电动夹紧结构示意图。

图4为本发明的带传感器外夹板结构示意图。

图5为本发明的胸径测量装置结构示意图。

图5-1为本发明的胸径测量装置正视图。

图5-2为本发明的胸径测量装置正面剖视图。

图6为本发明的两个内夹持环夹紧树干时的剖视图。

图7为本发明的外夹板和内夹持环在夹紧树干时的配合的示意图。

图8为本发明的外夹板相对夹持环转动90°时的配合的示意图。

图9为本发明的行车平台结构示意图。

图10为本发明的上相机升降装置或下相机升降装置结构示意图。

图11为本发明的技术流程图。

具体实施方式

为进一步了解本发明的内容，结合附图和实施例对本发明作详细描述。

本说明书附图所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”等用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。

自走式苗木树干表型信息采集系统，包括软件处理模块、行车平台1以及安装在行车平台1上的信息采集系统。其中行车平台1可实现包括前后轮驱动、前进后退和自由转向功能，具体结构设计采用现有技术。

如图1所示，其中信息采集系统包括上相机升降装置3、下相机升降装置2和伸缩夹持装置，所述行车平台1通过支杆22与伸缩夹持装置固定连接，所述下相机升降装置2的下端与行车平台1固定连接，所述上相机升降装置3的下端与伸缩夹持装置固定连接，所述伸缩夹持装置位于上相机升降装置3和下相机升降装置2之间，所述上相机升降装置3和下相机升降装置2位于同一条竖直方向上，所述上相机升降装置3和下相机升降装置2的结构相同且对称设置。

本实施例的上相机升降装置3包括上相机26和用于驱动上相机26升降的直线丝杆模组，所述上相机26与直线丝杆模组连接。所述下相机升降装置2均包括下相机27和用于驱动下相机27升降的直线丝杆模组，所述下相机27与直线丝杆模组连接。上相机升降装置3和下相机升降装置2分别置于伸缩夹持装置上面和下面，各包括一个上限位9和下限位8。上相机26初始位置在下限位8、伸缩夹持装置上方，略高于胸径测量高度1.3m处，使其定位到植株树干位置时，更能准确计算行车平台1行进距离使得树干处于两外夹板6中间。下相机27初始位置在下限位8、行车平台1上方，距地面0.2m处，可获得样本苗木的地径。

如图10所示，其中直线丝杆模组包括电机25、丝杆23、连接上相机26或下相机27的相机支撑块24等结构，采用现有技术常用结构，用于驱动相机直线运动，保证相机运动的平稳性。

如图1和图2所示，本实施例的伸缩夹持装置包括电动伸缩结构4、电动夹紧结构5和胸径测量装置，所述电动伸缩结构4的一端与支杆连接，另一端与电动夹紧结构5连接，所述电动夹紧结构5与胸径测量装置连接。所述伸缩夹持装置中心高度位置在1.3m，因我国用树高1.3m处的直径作为胸径，以此保证胸径测量装置夹持在树高1.3m处。

本实施例的上相机26、下相机27、直线丝杆模组、电动伸缩结构4和电动夹紧结构5均与软件处理模块连接。

本实施例的上相机26和下相机27均采用CCD相机。

如图3所示，本实施例的电动夹紧结构5包括双向丝杆模组和两个外夹板6，两个外夹板6与双向丝杆模组连接，所述双向丝杆模组用于驱动两个外夹板6相对靠近或远离。所述双向丝杆模组与软件处理模块连接。

本实施例的胸径测量装置包括两个内夹持环7，每个所述外夹板6的弧形端部均转动连接有内夹持环7，所述外夹板6用于在双向丝杆模组的驱动下带动两个内夹持环7相互重合夹紧。

如图5、图5-1、图5-2所示，本实施例的内夹持环7包括半圆环形的固定环12、胸径测量卡尺15、测量卡尺恢复弹簧17和树干自适应弹簧14，所述固定环12的外圆面设有弧形凹槽，所述凹槽的一端固定连接有测量卡尺恢复弹簧17，所述胸径测量卡尺15的一端与固定环12的一端内侧固定连接，所述固定环12的另一端设有卡尺贯穿孔18，所述胸径测量卡尺15的另一端穿过卡尺贯穿孔并折弯缠绕在凹槽的槽壁上直到与测量卡尺恢复弹簧17的另一端固定连接，所述固定环12的内圆面连接有多个树干自适应弹簧14，所述树干自适应弹簧14位于胸径测量卡尺15与固定环12的内圆面之间；所述固定环12的上端面半圆处和下端面半圆处上有60°斜角，斜面内嵌有能自由转动的滚动珠13，如图4所示，所述外夹板6与固定环12的配合面开设有能与滚动珠13匹配的环形滚槽11，使得外夹板6可以绕内夹持环7进行自由旋转，同时未返回初始状态时外夹板6与内夹持环7无法分开。每个所述外夹板6内侧均设有传感器10，所述传感器10位于靠近两个内夹持环7的重合位置，传感器10通过计算卡尺拉伸长度从而测量环住的树干部分的胸径，所述传感器10与软件处理模块连接。

其中一个与外夹板6转动连接的内夹持环7的固定环12端部设有测量卡尺固定块16，该测量卡尺固定块16位于固定环12中心侧的胸径测量卡尺15向固定环12外圆面的凹槽折弯处，所述固定环12上的测量卡尺固定块16用于在两个固定环12重合夹紧时固定另一个固定环12上的胸径测量卡尺15，即在两个内夹持环7完全合拢时测量卡尺固定块16可以卡住胸径测量卡尺15，避免其再移动，两个内夹持环7完全合拢的结构示意图如图6所示。图7为外夹板和内夹持环在夹紧树干时的配合示意图。图8为外夹板相对夹持环转动90°时的配合的示意图。

具体地，本实施例的胸径测量卡尺15的表面均匀并间隔分布有多个等腰三角形齿，一方面是为了与测量卡尺固定块16配合确保测量卡尺不再移动，另一方面测量卡尺上的齿形结构可以增大与树干的摩擦力，避免旋转时发生与树干的滑动，造成对苗木的伤害。所述测量卡尺固定块16的端部能嵌入到相邻两个等腰三角形齿之间的齿槽内从而对胸径测量卡尺15的移动进行限位。

本实施例的胸径测量装置设置为测量300mm胸径的弹簧压紧范围。

本实施例的树干自适应弹簧14有3个，均匀并间隔的环形分布于固定环12中心侧内圆面。树干自适应弹簧14用于挤压胸径测量卡尺15使其完全贴合树干的形状，避免胸径测量卡尺15与树干之间有缝隙使得胸径测量结果不准确。

本实施例的软件处理模块包括微型主板和表型数据提取模块，所述上相机26、下相机27、直线丝杆模组、双向丝杆模组、电动伸缩结构4、传感器10和行车平台1的行走驱动装置均与微型主板连接，所述微型主板安装在所述行车平台1上，微型主板用于负责控制行车平台1的运动与转向、相机的升降与拍摄、伸缩夹持装置的伸缩与夹持等。其中表型数据提取模块位于外部计算机主站内，微型主板通过5G通讯模块与外部计算机主站的表型数据提取模块无线通信连接。

本实施例的行走平台还包括车体支撑架、24V锂电池组电源、以前后轮19分开驱动的方式带动行车平台1的行走驱动装置、实现自由转向的电控四轮转向系统20，配合平台实现微调。

如图9所示，本实施例的行车平台1上还安装有电源箱21，其中24V锂电池组电源、5G通讯模块和微型主板均位于电源箱21内，锂电池组电源用于为上相机26、下相机27、直线丝杆模组、双向丝杆模组、电动伸缩结构4、传感器10、微型主板、5G通讯模块、行走驱动装置、电控四轮转向系统20等结构供电。

本实施例的微型主板通过5G通讯模块还远程连接有遥控装置，所述遥控装置用于通过5G通讯模块发送控制信号到微型主板，微型主板再通过遥控装置远程发送的信号控制行车平台1实现前进后退和自由转向的功能。行车平台1的行走驱动装置、电控四轮转向系统20带动平台进行前进与转向的操作由基于5G通信的遥控装置控制，延迟低，反馈快，操作人员可坐在室内完成采集测量。

本实施例还提供一种自走式苗木树干表型信息采集系统的采集方法，如图11所示，包括以下步骤：

制定生长期树干表型采集测量方案，确定平台采集的周期和时间。样本采集时，利用5G通讯模块进行遥操作控制行车平台1在林间行走，锁定样本树木后进入自动控制。行走驱动装置以24V锂电池组作为电源，由两个电机分开驱动前后轮19带动平台前进后退，电控四轮转向系统20负责控制四轮的自由转向，配合平台实现位置和角度的微调。锂电池组电源、5G通讯模块和微型主板共同被装载在行走驱动装置上方的电源箱21上，便于控制电机并提供动力。初始状态下上相机26在下限位8、伸缩夹持装置上方，略高于胸径测量高度1.3m处；下相机27在下限位8、行车平台1上方，距地面0.2m处，可获得样本苗木的地径；电动伸缩结构4处于缩回状态。本实施例的电动伸缩结构4采用单弯链条伸缩结构。

行车平台1走到待测苗木旁边时，上相机26拍摄待测苗木树干位置图片，发送位置图片到微型主板，微型主板内的图像处理模块对位置图片进行处理，定位到苗木树干位置，并计算行车平台1行进距离使得树干处于两个外夹板6中间；考虑到土地环境和车轮摩擦力，行车平台1停止的位置并不能使伸缩夹持装置与树干精准对心，此时再利用电控四轮转向系统20进行位置和转向角度的微调，避免伸出伸缩夹持装置时，树干中心不能位于两外夹板6的中间对称线上，因夹持装置受力不正确对苗木树干造成伤害。在行走平台进行位置和角度调整时，上相机26、下相机27一起拍摄树干位置图像，考校双相机的图像处理结果，计算树干距离行车平台1距离，进一步计算出电动伸缩结构4的伸出长度。

电动伸缩结构4带动电动夹紧结构5伸出并环住树干，胸径测量装置测量环住的树干部分的胸径，经传感器10(传感器10可采用激光或红外传感器10，通过测量等腰三角形齿的个数，从而获得胸径测量卡尺15的变化长度)反馈回去，测得样本苗木的胸径值。同时计算车轮绕树干中心圆周运动应有的转向与速度，避免树干受力。

随后直线丝杆模组带动上相机26和下相机27从下限位8开始向上限位9移动，同时拍摄各个高度的水平图像。直线丝杆模组上限位9、下限位8总长1m，以0.1m为间隔，每移动0.1m便拍摄一张图像，上相机26和下相机27从一个限位移动到另一个限位总计拍摄11张图像。上相机26和下相机27抵达上限位9时，微型主板控制行走驱动装置和电控四轮转向系统20带动行车平台1绕苗木旋转，上相机26和下相机27以行车平台1旋转一定角度为间隔拍摄图像，例如设定一周拍摄4组图像全高度图像序列，便控制行车平台1旋转90°停下(90°停下时，胸径测量装置的两内夹持环7合拢后与外夹板6相对位置示意图如图8所示)，直线丝杆模组带动上、下双相机从上限位9开始向下限位8移动，拍摄各个高度的水平图像；继续旋转到初始位置180°处，上相机26和下相机27从下限位8移动到上限位9，拍摄全高度图像序列；以此往复，直到回到初始位置。上相机26和下相机27完成拍摄一周4个角度的全高度88张图像序列后，传送给微型主板，微型主板内的图像处理模块对图像进行分析处理后，由微型主板传送给计算机主站的表型数据提取模块，对图像提取树干表型信息，比如全高度直径、活枝下高、削度、材积、树皮颜色、树干健康程度等，再通过取平均、加权平均等统计方式，将从图像序列中提取的多个表型参数整合起来，获得更为准确的结果。

其中，伸缩夹持装置对树干进行夹持并测量胸径时的具体步骤如下：

电动夹紧结构5固定于电动伸缩结构4的前端，初始状态为打开状态，外夹板6位于双向丝杆模组外侧限位点处。定位到植株树干位置时电动伸缩结构4伸出特定距离，使得树干位于两个内夹持环7的中心线上，随后双向丝杆模组电机驱动双向丝杆转动，使得两外夹板6相对运动至内夹持环7合拢，外夹板6与内夹持环7相互配合的60°斜面之间有滚动珠13连接，滚动珠13内嵌内夹持环7的60°斜面上，可在外夹板6上的环形滚槽11内自由转动，使得外夹板6可以绕内夹持环7进行自由旋转，同时未返回初始状态时外夹板6与内夹持环7无法分开。

两内夹持环7合拢的同时进行胸径测量，内夹持环7夹持侧有受测量卡尺恢复弹簧17拉力而拉直的胸径测量卡尺15，当胸径测量卡尺15接触到树干时，便会拉长测量卡尺恢复弹簧17以适应树干的挤压，而树干自适应弹簧14则会从周围挤压胸径测量卡尺15使其完全贴合树干的形状，避免胸径测量卡尺15与树干之间有缝隙使得胸径测量结果不准确。当两内夹持环7完全合拢时，测量卡尺固定块16的齿尖便会卡住胸径测量卡尺15上的齿槽，避免胸径测量卡尺15再移动，而传感器10则会计算胸径测量卡尺15移动的齿数从而计算出树干胸径。

另外，图像处理模块和表型数据提取模块在表型监测试验时的工作步骤如下：

图像处理模块主要有两部分工作：

S1、确定了样本苗木后使用上相机26拍摄树干位置图片，初始状态下，上相机26处于直线丝杆模组的下限位8上，图像处理模块对位置图片进行边缘检测定位出苗木树干所在的方向，进一步计算行车平台1的位置微调量和转向角度微调量，同时，在行车平台1进行位置和角度调整时，上相机26和下相机27一起拍摄树干位置图片，并发送位置图像到微型主板，微型主板内的图像处理模块利用图像位置标定原理对多幅位置图片多次分析验证以计算树干与行车平台1的距离，进一步计算出电动伸缩结构4需要伸出的长度，微型主板再反馈给电动伸缩结构4。

S2、图像处理模块采集上相机26和下相机27从一限位向另一限位移动时拍摄的各个高度的11张水平图像，待完成一周360°的全高度88张图像序列的采集后，存储至微型主板上的存储模块的样本苗木图像数据库；图像处理模块再通过阈值分割、区域分割、边缘分割等图像分割方式，将树干从背景图像中分离出来，无线传送到外部计算机主站的表型数据提取模块。

表型数据提取模块负责对背景分割后的树干图像提取树干表型信息，比如全高度直径、活枝下高、削度、材积、树皮颜色、树干健康程度等，再通过取平均、加权平均等统计方式，将从图像序列中提取的多个表型参数整合起来，获得更为准确的结果。表型数据提取模块负责对背景分割后的树干图像提取树干表型信息的具体提取方法如下：

(1)全高度直径：因上相机26和下相机27皆垂直放置，因此拍摄图像的中间线便是无畸变的标准水平图像；表型数据提取模块对分割后的某一高度图像进行二值化操作，检测树干图像中间线中非0值个数，即得到该高度样本直径的相对值；对下相机27在上限位9高度取得的相对直径与上相机26在下限位8高度取得的相对直径取平均值，将该平均值作为相对胸径，与胸径测量装置获得的胸径真实值作比对，获得样本的相对直径和真实直径的换算关系，根据拍摄的全高度图像进一步推出各高度的真实直径。下相机27的下限位8为距地0.2m，上相机26的上限位9为距地2.4m，直线丝杆模组上、下限位8总长1m，加上胸径测量装置获得的胸径真实值，从0.2m到2.4m每隔0.1m一张图像，共获得23个高度的直径，再根据活枝下高的高度摒弃高于活枝下高高度的直径。

(2)活枝下高：上相机26的上限位9在2.4m，拍摄的各个高度的水平图像的水平高度也就达到2.4米，而相机拍摄范围则更大，因此在活枝下高小于2.4m的情况下都可以检测到活枝下高并提取出树干的全高度直径。以上相机26在上限位9拍摄的图像为活枝下高的检测图像，对分割后的整张图像从下到上以行为单位进行线性扫描，检测每行图像中非0值个数，当非0值个数产生急速增长与扩大时，那个快速增长的节点即为立木最高枝杈点，该节点所在高度就是活枝下高。

(3)削度：利用第一步算出的各高度直径，可计算绝对削度和相对削度。绝对削度是树干上相距1米两端直径之差，相对削度是以胸径为100％，其他各断面之直径与其相比的百分数。

(4)材积：利用上一步计算出的树干削度，利用树干削度方程来计算活立木的材积；

其中树干削度方程为：

d²/D²＝a+b(h/H)+c(h/H)²；

其中d为树干上各部位直径；h为树干上各部位直径距地面的高度；D为胸径；H为全高；a、b、c为削度方程的参数；

树干上任分段材积值为：

其中

h₁是分段上端直径距地面的高度；h₂是分段下端直径距地面的高度；

(5)树皮颜色：取出图像中树干位置各个像素点的RGB值，转化到Lab和HIS颜色空间，存储到颜色数据库，以便下面检测树木健康程度；

(6)树干健康程度：根据上一步各个图像中获得的树干表面的颜色特征，通过阈值分割的方法筛选出绿色分区，加以人工辅助识别，判断出样木表面是否有腐坏；筛选出过黑的小区域，加以人工辅助识别，判断出样木表面是否有虫洞；筛选出颜色比周围过浅的区域，加以人工辅助识别，判断出样木表面是否有破损，以此评估树干的健康程度。

本发明的保护范围包括但不限于以上实施方式，本发明的保护范围以权利要求书为准，任何对本技术做出的本领域的技术人员容易想到的替换、变形、改进均落入本发明的保护范围。

Claims (8)

1.自走式苗木树干表型信息采集系统，包括软件处理模块、行车平台以及安装在行车平台上的信息采集系统，其特征在于：

所述信息采集系统包括上相机升降装置、下相机升降装置和伸缩夹持装置，所述行车平台通过支杆与伸缩夹持装置固定连接，所述下相机升降装置的下端与行车平台固定连接，所述上相机升降装置的下端与伸缩夹持装置固定连接，所述伸缩夹持装置位于上相机升降装置和下相机升降装置之间，所述上相机升降装置和下相机升降装置位于同一条竖直方向上，所述上相机升降装置和下相机升降装置的结构相同且对称设置；

所述上相机升降装置包括上相机和用于驱动上相机升降的直线丝杆模组，所述上相机与直线丝杆模组连接；所述下相机升降装置包括下相机和用于驱动下相机升降的直线丝杆模组，所述下相机与直线丝杆模组连接；

所述伸缩夹持装置包括电动伸缩结构、电动夹紧结构和胸径测量装置，所述电动伸缩结构的一端与支杆连接，另一端与电动夹紧结构连接，所述电动夹紧结构与胸径测量装置连接；

所述上相机、下相机、直线丝杆模组、电动伸缩结构和电动夹紧结构均与软件处理模块连接；

所述上相机和下相机均采用CCD相机；

所述电动夹紧结构包括双向丝杆模组和两个外夹板，两个外夹板与双向丝杆模组连接，所述双向丝杆模组与软件处理模块连接，用于驱动两个外夹板相对靠近或远离；

所述胸径测量装置包括两个内夹持环，每个所述外夹板的弧形端部均转动连接有内夹持环，所述外夹板用于在双向丝杆模组的驱动下带动两个内夹持环相互重合夹紧；

所述内夹持环包括半圆环形的固定环、胸径测量卡尺、测量卡尺恢复弹簧和树干自适应弹簧，所述固定环的外圆面设有弧形凹槽，所述凹槽的一端固定连接有测量卡尺恢复弹簧，所述胸径测量卡尺的一端与固定环的一端内侧固定连接，所述固定环的另一端设有卡尺贯穿孔，所述胸径测量卡尺的另一端穿过卡尺贯穿孔并折弯缠绕在凹槽的槽壁上直到与测量卡尺恢复弹簧的另一端固定连接，所述固定环的内圆面连接有多个树干自适应弹簧，所述树干自适应弹簧位于胸径测量卡尺与固定环的内圆面之间；所述固定环的上端面和下端面上均内嵌有能自由转动的滚动珠，所述外夹板与固定环的配合面开设有能与滚动珠匹配的环形滚槽，使得固定环能在外夹板上自由旋转；每个所述外夹板内侧均设有传感器，所述传感器位于靠近两个内夹持环的重合位置，所述传感器用于测量卡尺拉伸长度，所述传感器与软件处理模块连接；

其中一个与外夹板转动连接的内夹持环的固定环端部设有测量卡尺固定块，该测量卡尺固定块位于固定环中心侧的胸径测量卡尺向固定环外圆面的凹槽折弯处，所述固定环上的测量卡尺固定块用于在两个固定环重合夹紧时固定另一个固定环上的胸径测量卡尺。

2.根据权利要求1所述的自走式苗木树干表型信息采集系统，其特征在于：所述胸径测量卡尺的表面均匀并间隔分布有多个等腰三角形齿，所述测量卡尺固定块的端部能嵌入到相邻两个等腰三角形齿之间从而对胸径测量卡尺的移动进行限位；

所述树干自适应弹簧有3个，均匀并间隔的环形分布于固定环中心侧内圆面。

3.根据权利要求1所述的自走式苗木树干表型信息采集系统，其特征在于：所述软件处理模块包括微型主板和表型数据提取模块，所述上相机、下相机、直线丝杆模组、双向丝杆模组、电动伸缩结构和传感器均与微型主板连接，所述微型主板安装在所述行车平台上，所述表型数据提取模块位于外部计算机主站内，所述微型主板通过5G通讯模块与外部计算机主站无线通信连接。

4.根据权利要求3所述的自走式苗木树干表型信息采集系统，其特征在于：所述行车平台上还安装有电源箱，所述电源箱内设有锂电池组电源，所述5G通讯模块和微型主板均位于电源箱内，所述锂电池组电源用于为上相机、下相机、直线丝杆模组、双向丝杆模组、电动伸缩结构、传感器、微型主板和5G通讯模块供电。

5.根据权利要求4所述的自走式苗木树干表型信息采集系统，其特征在于：所述微型主板通过5G通讯模块远程连接有遥控装置，所述遥控装置用于通过5G通讯模块发送控制信号到微型主板，所述微型主板通过遥控装置远程发送的信号控制行车平台前进后退和自由转向。

6.一种自走式苗木树干表型信息采集系统的采集方法，其特征在于：

包括以下步骤：

(1)初始状态下，上相机位于直线丝杆模组的下限位以及伸缩夹持装置上方，下相机位于另一直线丝杆模组的下限位以及行车平台上方，电动伸缩结构处于缩回状态；

(2)遥控装置远程控制行车平台行进到待测苗木旁边时，上相机拍摄待测苗木树干位置图片，发送位置图片到微型主板，微型主板内的图像处理模块对位置图片进行处理，定位到苗木树干位置，并计算行车平台行进距离使得树干处于两个外夹板中间；微型主板对行车平台进行位置和转向角度的微调，使伸缩夹持装置的电动伸缩结构伸出时，树干中心位于两外夹板的中间对称线上；在行车平台进行位置和转向角度调整时，上相机和下相机一起拍摄树干位置图像，并发送位置图像到微型主板，微型主板内的图像处理模块对位置图像进行处理，考校上相机和下相机的图像处理结果，计算树干与行车平台之间的距离，进一步计算出电动伸缩结构需要伸出的长度；

(3)电动伸缩结构在微型主板的控制下带动电动夹紧结构和胸径测量装置伸出，同时电动夹紧结构在微型主板的控制下带动胸径测量装置环住树干，胸径测量装置测量环住的树干部分的胸径，经传感器反馈到微型主板，测得样本苗木的胸径值；

(4)随后直线丝杆模组带动上相机和下相机从下限位开始向上限位移动，同时上相机和下相机拍摄各个高度的水平图像；上相机和下相机抵达上限位时，微型主板控制行走驱动装置动作从而使行车平台绕苗木旋转，上相机和下相机以行车平台旋转一定角度为间隔拍摄图像，即：行车平台旋转一定角度停下，直线丝杆模组带动上相机和下相机从上限位开始向下限位移动，同时上相机和下相机拍摄各个高度的水平图像；行车平台继续旋转一定角度停下，直线丝杆模组带动上相机和下相机从下限位开始向上限位移动，同时上相机和下相机拍摄各个高度的水平图像；以此往复，直到行车平台旋转至初始位置；上相机和下相机完成拍摄一周多个角度的全高度图像序列后，传送给微型主板，微型主板内的图像处理模块对图像进行分析处理后，由微型主板无线传送给计算机主站的表型数据提取模块，表型数据提取模块从分析处理后的图像中提取树干表型信息。

7.根据权利要求6所述的自走式苗木树干表型信息采集系统的采集方法，其特征在于：

其中图像处理模块对图像进行分析处理的工作步骤包括：

S1、确定了样本苗木后使用上相机拍摄树干位置图片，初始状态下，上相机处于直线丝杆模组的下限位上，图像处理模块对位置图片进行边缘检测定位出苗木树干所在的方向，进一步计算行车平台的位置微调量和转向角度微调量，同时，在行车平台进行位置和角度调整时，上相机和下相机一起拍摄树干位置图片，并发送位置图像到微型主板，微型主板内的图像处理模块利用图像位置标定原理对多幅位置图片多次分析验证以计算树干与行车平台的距离，进一步计算出电动伸缩结构需要伸出的长度，微型主板再反馈给电动伸缩结构；

S2、图像处理模块采集上相机和下相机从一限位向另一限位移动时拍摄的各个高度的水平图像，待完成一周360°的全高度图像序列的采集后，存储至微型主板上的存储模块；图像处理模块再将树干从背景图像中分离出来，无线传送到外部计算机主站的表型数据提取模块。

8.根据权利要求7所述的自走式苗木树干表型信息采集系统的采集方法，其特征在于：

所述树干表型信息包括全高度直径、活枝下高、削度、材积、树皮颜色和树干健康程度；

其中表型数据提取模块从背景分割后的树干图像中提取树干表型信息的工作步骤包括：

(1)全高度直径：因上相机和下相机皆垂直放置，因此拍摄图像的中间线便是无畸变的标准水平图像；表型数据提取模块对分割后的某一高度图像进行二值化操作，检测树干图像中间线中非0值个数，即得到该高度样本直径的相对值；对下相机在上限位高度取得的相对直径与上相机在下限位高度取得的相对直径取平均值，将该平均值作为相对胸径，与胸径测量装置获得的胸径真实值作比对，获得样本的相对直径和真实直径的换算关系，根据拍摄的全高度图像进一步推出各高度的真实直径；再根据活枝下高的高度摒弃高于活枝下高高度的直径；

(2)活枝下高：以上相机在上限位拍摄的图像为活枝下高的检测图像，对分割后的整张图像从下到上以行为单位进行线性扫描，检测每行图像中非0值个数，当非0值个数产生急速增长与扩大时，那个快速增长的节点即为立木最高枝杈点，该节点所在高度就是活枝下高；

(3)削度：削度包括绝对削度和相对削度，绝对削度是树干上相距1米两端直径之差，相对削度是以胸径为100％，其他各断面之直径与其相比的百分数；

(4)材积：利用树干削度方程来计算活立木的材积；

其中树干削度方程为：

d²/D²＝a+b(h/H)+c(h/H)²；

其中d为树干上各部位直径；h为树干上各部位直径距地面的高度；D为胸径；H为全高；a、b、c为削度方程的参数；

树干上任意分段的材积值为：

其中A＝Π/40000＝0.00007854；h₁是分段上端直径距地面的高度；h₂是分段下端直径距地面的高度；

(5)树皮颜色：取出图像中树干位置各个像素点的RGB值，转化到Lab和HIS颜色空间，存储到颜色数据库，以便下面检测树木健康程度；

(6)树干健康程度：根据上一步各个图像中获得的树干表面的颜色特征，通过阈值分割的方法筛选出绿色分区，加以人工辅助识别，判断出样木表面是否有腐坏；筛选出过黑的小区域，加以人工辅助识别，判断出样木表面是否有虫洞；筛选出颜色比周围过浅的区域，加以人工辅助识别，判断出样木表面是否有破损，以此评估树干的健康程度。

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