CN112702565A - 一种田间植物表型信息采集系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种田间植物表型信息采集系统及方法。该田间植物表型信息采集系统设置在自走式田间载具上；田间植物表型信息采集系统包括：控制器和与控制器连接的传感器组、GPS模块和无线通讯模块；传感器组用于采集田间作物的表型信息；表型信息包括RGB图像信息、作物形态三维点云数据和高光谱数据；GPS模块用于获取自走式田间载具的即时地理信息；控制器用于根据地面控制中心的用户输入的信息采集位置数据和即时地理信息控制传感器组的开闭、将表型信息生成预览图以及将预览图通过无线通讯模块发送至地面控制中心。本发明能高效率地获取高分辨率和更多细节信息的田间植物表型信息。

Description

一种田间植物表型信息采集系统及方法
技术领域
本发明涉及农业检测设备领域，特别是涉及一种田间植物表型信息采集系统及方法。
背景技术
植物冠层光谱数据可反映整个冠层的成分分布、生长状况和冠层结构等综合信息，通过光谱技术对冠层光谱信息进行获取和分析，具有简单、直观、快速、精度高和无损测定等优越性，成为获取油菜、水稻、玉米等植物光谱图像的重要手段，在植物长势监测、营养诊断、精准施肥管理、产量估测以及病害监测等方面都有很好的应用前景。目前，以无人机为载体的光谱信息采集系统在大田作物光谱数据获取领域中应用广泛，但其所得光谱数据缺乏细节和近地面冠层的信息，为此，本领域技术人员通常采用实验室大型光谱仪器和人工手持光谱仪器对单株或少量作物进行细节信息的获取，但是信息获取速率极低。
发明内容
基于此，有必要提供一种田间植物表型信息采集系统及方法，以高效率地获取高分辨率和更多细节信息的田间植物表型信息。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种田间植物表型信息采集系统，所述田间植物表型信息采集系统设置在自走式田间载具上；
所述田间植物表型信息采集系统包括：控制器和与所述控制器连接的传感器组、GPS模块和无线通讯模块；所述传感器组用于采集田间作物的表型信息；所述表型信息包括RGB图像信息、作物形态三维点云数据和高光谱数据；所述GPS模块用于获取所述自走式田间载具的即时地理信息；所述控制器用于根据地面控制中心的用户输入的信息采集位置数据和所述即时地理信息控制所述传感器组的开闭、将所述表型信息生成预览图以及将所述预览图通过所述无线通讯模块发送至所述地面控制中心。
可选的，所述传感器组包括RGB相机、Kinect相机和高光谱成像仪；所述RGB相机用于采集所述RGB图像信息；所述Kinect相机用于采集所述作物形态三维点云数据；所述高光谱成像仪用于采集所述高光谱数据。
可选的，所述控制器包括主控模块、信息采集位置设定界面、实时画面监控窗口和手动控制界面；所述主控模块内置有信息采集系统软件；
所述信息采集位置设定界面用于在自动采集模式下，所述地面控制中心的用户预先输入信息采集位置标记数据；所述信息采集位置标记数据为预设航路上标记的采集点或预设航路上标记的采集范围；
所述手动控制界面用于在手动采集模式下，所述地面控制中心的用户远程输入手动采集信号；
所述主控模块用于将所述信息采集位置标记数据和所述即时地理信息进行对比，根据对比结果控制所述传感器组的开闭，或根据所述手动采集信号控制所述传感器组的开闭；
所述实时画面监控窗口用于将所述表型信息生成预览图，并将所述预览图通过所述无线通讯模块发送至所述地面控制中心。
可选的，所述传感器组还包括三组位置调节结构；所述位置调节结构包括三轴云台和直线电机；所述三轴云台用于固定所述RGB相机、所述Kinect相机或所述高光谱成像仪；所述直线电机与对应的三轴云台连接，所述直线电机用于控制三轴云台移动，以调整所述RGB相机、所述Kinect相机或所述高光谱成像仪的拍摄角度和离地高度。
可选的，所述田间植物表型信息采集系统还包括与所述控制器连接的电源模块；所述电源模块包括太阳能电池板和220V移动电源。
可选的，所述控制器为工作站笔记本。
可选的，所述GPS模块为RTK-GPS。
可选的，所述无线通讯模块为AP基站。
本发明还提供了一种田间植物表型信息采集方法，所述方法用于上述所述的田间植物表型信息采集系统；所述方法包括：
获取自走式田间载具的即时地理信息；
判断当前采集模式和当前采集状态；
当所述当前采集模式为自动采集模式且所述当前采集状态为载具移动采集时，判断所述即时地理信息是否处于信息采集位置数据中的预设航路上标记的采集范围内，当所述即时地理信息处于预设航路上标记的采集范围内时，则触发传感器组，将所述传感器组采集的表型信息生成预览图，并将所述预览图通过无线通讯模块发送至所述地面控制中心；所述表型信息包括RGB图像信息、作物形态三维点云数据和高光谱数据；
当所述当前采集模式为自动采集模式且所述当前采集状态为载具静止采集时，判断所述即时地理信息是否为信息采集位置数据中的预设航路上标记的采集点，当所述即时地理信息为预设航路上标记的采集点时，则触发传感器组，将所述传感器组采集的表型信息生成预览图，并将所述预览图通过所述无线通讯模块发送至所述地面控制中心；
当所述当前采集模式为手动采集模式时，用户远程向控制器发送手动采集信号，以触发传感器组，所述控制器将所述传感器组采集的表型信息生成预览图，并将所述预览图通过所述无线通讯模块发送至所述地面控制中心。
可选的，在所述判断当前采集模式和当前采集状态之前，还包括：
获取用户导入的载具预定航线；
用户在所述载具预定航线上进行经纬度标记，得到预设航路上标记的采集范围和预设航路上标记的采集点。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明提出了一种田间植物表型信息采集系统及方法，该田间植物表型信息采集系统设置在自走式田间载具上；田间植物表型信息采集系统包括：控制器和与控制器连接的传感器组、GPS模块和无线通讯模块；传感器组用于采集包括田间作物的RGB图像信息、作物形态三维点云数据和高光谱数据的表型信息；控制器用于根据地面控制中心的用户输入的信息采集位置数据和即时地理信息控制传感器组的开闭、将表型信息生成预览图以及将预览图通过无线通讯模块发送至地面控制中心。相较于现有无人机机载高光谱相机和RGB相机设备获取的大田作物表型信息的图像数据有更高的分辨率和细节信息；将作物形态三维点云数据加入自动采集系统，相对于传统的手持采集方式，提高了采集效率并能减少机械式劳动的人力投入；通过事先在软件系统中标记需要进行采集的区域，采用GPS模块获取更高的定位精度，能够提高地面植物表型信息自动获取的精度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的田间植物表型信息采集系统的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的田间植物表型信息采集方法的具体流程图。
具体实施方式
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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，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。
本发明的目的是提供一种能够实现更细节的田间作物冠层光谱信息获取以及作物形态学参数获取的田间信息采集系统。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1为本发明实施例提供的田间植物表型信息采集系统的结构示意图。
参见图1，本实施例中的田间植物表型信息采集系统为架设在自走式田间载具上的一个软硬件结合的信息采集系统，其包括硬件部分和软件部分。
所述田间植物表型信息采集系统包括：控制器和与所述控制器连接的传感器组、GPS模块和无线通讯模块；所述传感器组用于采集田间作物的表型信息；所述表型信息包括RGB图像信息、作物形态三维点云数据和高光谱数据；所述GPS模块用于获取所述自走式田间载具的即时地理信息；所述控制器用于根据地面控制中心的用户输入的信息采集位置数据和所述即时地理信息控制所述传感器组的开闭、将所述表型信息生成预览图以及将所述预览图通过所述无线通讯模块发送至所述地面控制中心。所述地面控制中心实时显示所述预览图。其中，信息采集位置数据包括自动采集模式下用户预先输入的信息采集位置标记数据和手动采集模式下用户输入的手动采集信号。所述信息采集位置标记数据为预设航路上标记的采集点或预设航路上标记的采集范围。所述自走式田间载具的即时地理信息为自走式田间载具的经纬度信息。
本实施例中，所述传感器组包括RGB相机、Kinect相机和高光谱成像仪；所述RGB相机用于采集所述RGB图像信息；所述Kinect相机用于采集所述作物形态三维点云数据；所述高光谱成像仪用于采集所述高光谱数据。
本实施例中，所述控制器中的运行软件采用C++语言进行编程，用户使用地面控制中心内的电脑使用远程控制软件对其实施远程控制。所述控制器内的软件的主要功能是对田间植物表型信息采集系统进行任务布置、信息采集画面监控以及传感器触发。所述控制器包括主控模块、信息采集位置设定界面、实时画面监控窗口和手动控制界面；所述主控模块内置有信息采集系统软件；所述信息采集位置设定界面用于在自动采集模式下，所述地面控制中心的用户预先输入信息采集位置标记数据，以实现各传感器在田间信息采集位置的标记；所述信息采集位置标记数据为预设航路上标记的采集点或预设航路上标记的采集范围；所述手动控制界面用于在手动采集模式(信息采集位置未标记或标记不足情况下)下，所述地面控制中心的用户远程输入手动采集信号，以远程遥控各传感器的田间信息采集；所述主控模块用于将所述信息采集位置标记数据和所述即时地理信息进行对比(将预设航路上标记的采集点或预设航路上标记的采集范围转化为电子地图航线上的经纬度信息后，再与自走式田间载具的经纬度信息进行对比)，根据对比结果控制所述传感器组的开闭，或根据所述手动采集信号控制所述传感器组的开闭；所述实时画面监控窗口用于将实时采集的表型信息生成预览图，并将所述预览图通过所述无线通讯模块发送至所述地面控制中心。
本实施例中，所述传感器组还包括三组位置调节结构；所述位置调节结构包括三轴云台和直线电机；所述三轴云台用于固定所述RGB相机、所述Kinect相机或所述高光谱成像仪；所述直线电机与对应的三轴云台连接，所述直线电机用于控制三轴云台移动，以调整所述RGB相机、所述Kinect相机或所述高光谱成像仪的拍摄角度和离地高度。传感器组的布置方式主要由作物生长时期、信息获取部位决定，可以通过三轴云台和直线电机分别对对应传感器的镜头拍摄角度和传感器离地高度进行调节，各三轴云台均以铝型材支架作为主要材料。所述Kinect相机可以为Kinect深度相机。
本实施例中的田间植物表型信息采集系统还包括与所述控制器连接的电源模块；所述电源模块可以采用220V大容量移动电源供电的方式，也可以采用太阳能电池板和220V移动电源结合的方式进行供电，组合供电的供电方式能够提高该田间信息采集系统的单次续航能力。
作为一种可选的实施方式，所述田间植物表型信息采集系统还包括与所述控制器连接的存储器；所述存储器用于存储自走式田间载具的即时地理信息和田间作物的表型信息。
作为一种可选的实施方式，所述控制器可以为工作站笔记本；所述GPS模块可以为RTK-GPS；所述无线通讯模块可以为无线访问接入点(Access Point，AP)基站，采用AP基站建立局域网进行无线通讯，其中AP基站采用全向天线收发信号，负责实现地面控制中心与田间植物表型信息采集系统的信号传输。所述无线通讯模块还可以采用4G SIM卡，以实现地面端电脑与田间载具电脑的较远距离的无线通信。
本实施例中的田间植物表型信息采集系统的工作原理如下：
所述控制器采用工作站笔记本，工作站笔记本通过RTK-GPS实时获取自走式田间载具精确的经纬度信息，通过控制电路分别与RGB相机、Kinect深度相机以及高光谱成像仪相连，分别控制三个传感器的信息采集和数据存储，数据采集模式分为自动采集模式与手动采集模式。
自动采集模式：由用户事先通过软件系统设定好信息采集点经纬度，软件设定过程：使用百度地图应用程序接口(Application Programming Interface，API)，应用地图高精度经纬度标记功能，以百度地图和各地区小比例尺卫星图地图为底图，导入载具预定航线，用户在载具预定航线上进行信息采集点经纬度标记。由工作站笔记本根据当前RTK-GPS提供的经纬度信息与预设航路上标记的采集点或预设航路上标记的采集范围进行对比，判断自走式田间载具(小车)是否行驶至用户设定采集点一定范围内，如是，则控制小车进行相应传感器的田间作物信息采集，同时将采集的图像、点云和光谱等信息与其地理位置信息存储至工作站笔记本，采集完毕后小车继续行驶直至下一信息采集点。
手动采集模式：由用户在地面控制中心的电脑上使用远程控制控制软件，操作安装在自走式田间载具上的工作站笔记本的系统软件界面进行远程实时信息采集。其中，实时信息采集过程为：用户打开软件界面，选择自动采集模式或手动采集模式；在自动采集模式下，用户设定各传感器信息采集点/范围，软件记录所在点的经纬度坐标，田间自走式载具启动后，软件获取田间自走式载具即时经纬度信息，即信息采集系统即时经纬度信息，软件对比用户标记点经纬度信息和即时经纬度信息，进入采集范围后分别触发各传感器进行信息采集和存储；在手动采集模式下，用户可自行控制各个传感器的信息采集时间；其中自动采集模式和手动采集模式可互相切换。手动模式下工作站笔记本不进行传感器的信息自动采集工作，RTK-GPS仅记录当前采集图像的地理位置信息；传感器组中的三种传感器，即RGB相机、Kinect深度相机、高光谱成像仪，分别采集田间作物的RGB图像信息、作物形态的三维点云数据以及高光谱图像和光谱信息；通过AP基站建立田间载具上工作站笔记本和地面控制中心的局域网连接，以实现数据传输。
本实施例的田间植物表型信息采集系统，具有以下优点：
1)该田间植物表型信息采集系统为近地面田间车载式信息采集系统，相较于现有无人机机载高光谱相机和RGB相机设备获取的大田作物表型信息的图像数据有更高的分辨率和细节信息。
2)在硬件设计的传感器组中，将人工手持获取植物三维形态信息的Kinect相机加入自动采集系统，相对于目前传统的手持采集有更高的采集效率并能减少机械式劳动的人力投入。
3)在软件设计的自动采集部分中，通过事先在软件系统中标记需要进行采集的区域，采用RTK-GPS获取更高的定位精度，进一步提高了地面植物表型信息自动获取的精度。
4)该田间植物表型信息采集系统可与其他田间自动导航作业载具结合使用，如硬件设计的传感器组，其硬件结构布置灵活，能有效降低田间信息自动采集系统的成本并提高采集系统的可维护性。
5)软件设计中信息采集方式分为手动采集模式与自动采集模式两种模式，使田间信息采集方式更加灵活，同时使用户获得对田间信息采集过程更大的监控与管理权限。
本发明还提供了一种田间植物表型信息采集方法，所述方法用于上述所述的田间植物表型信息采集系统；所述方法包括：
1)获取用户导入的载具预定航线；用户在所述载具预定航线上进行经纬度标记，得到预设航路上标记的采集范围和预设航路上标记的采集点。
2)获取自走式田间载具的即时地理信息。
3)判断当前采集模式和当前采集状态。
当所述当前采集模式为自动采集模式且所述当前采集状态为载具移动采集时，判断所述即时地理信息是否处于信息采集位置数据中的预设航路上标记的采集范围内，当所述即时地理信息处于预设航路上标记的采集范围内时，则触发传感器组，将所述传感器组采集的表型信息生成预览图，并将所述预览图通过无线通讯模块发送至所述地面控制中心；所述表型信息包括RGB图像信息、作物形态三维点云数据和高光谱数据。
当所述当前采集模式为自动采集模式且所述当前采集状态为载具静止采集时，判断所述即时地理信息是否为信息采集位置数据中的预设航路上标记的采集点，当所述即时地理信息为预设航路上标记的采集点时，则触发传感器组，将所述传感器组采集的表型信息生成预览图，并将所述预览图通过所述无线通讯模块发送至所述地面控制中心。
当所述当前采集模式为手动采集模式时，用户远程向控制器发送手动采集信号，以触发传感器组，所述控制器将所述传感器组采集的表型信息生成预览图，并将所述预览图通过所述无线通讯模块发送至所述地面控制中心。
在实际应用中，具体的采集流程如下：
工作站笔记本电脑从RTK-GPS获取自走式田间载具的即时地理信息(即时经纬度信息)，并与用户设定信息采集点(采集范围)经纬度信息进行对比，并换算为长度单位，当达到预设范围内时判定自走式田间载具与田间植物表型信息采集系统进入采集点(采集范围)，触发相应的传感器进行信息采集并存储相应数据。具体实现过程如图2所示。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种田间植物表型信息采集系统，其特征在于，所述田间植物表型信息采集系统设置在自走式田间载具上；
所述田间植物表型信息采集系统包括：控制器和与所述控制器连接的传感器组、GPS模块和无线通讯模块；所述传感器组用于采集田间作物的表型信息；所述表型信息包括RGB图像信息、作物形态三维点云数据和高光谱数据；所述GPS模块用于获取所述自走式田间载具的即时地理信息；所述控制器用于根据地面控制中心的用户输入的信息采集位置数据和所述即时地理信息控制所述传感器组的开闭、将所述表型信息生成预览图以及将所述预览图通过所述无线通讯模块发送至所述地面控制中心。
2.根据权利要求1所述的一种田间植物表型信息采集系统，其特征在于，所述传感器组包括RGB相机、Kinect相机和高光谱成像仪；所述RGB相机用于采集所述RGB图像信息；所述Kinect相机用于采集所述作物形态三维点云数据；所述高光谱成像仪用于采集所述高光谱数据。
3.根据权利要求1所述的一种田间植物表型信息采集系统，其特征在于，所述控制器包括主控模块、信息采集位置设定界面、实时画面监控窗口和手动控制界面；所述主控模块内置有信息采集系统软件；
所述信息采集位置设定界面用于在自动采集模式下，所述地面控制中心的用户预先输入信息采集位置标记数据；所述信息采集位置标记数据为预设航路上标记的采集点或预设航路上标记的采集范围；
所述手动控制界面用于在手动采集模式下，所述地面控制中心的用户远程输入手动采集信号；
所述主控模块用于将所述信息采集位置标记数据和所述即时地理信息进行对比，根据对比结果控制所述传感器组的开闭，或根据所述手动采集信号控制所述传感器组的开闭；
所述实时画面监控窗口用于将所述表型信息生成预览图，并将所述预览图通过所述无线通讯模块发送至所述地面控制中心。
4.根据权利要求2所述的一种田间植物表型信息采集系统，其特征在于，所述传感器组还包括三组位置调节结构；所述位置调节结构包括三轴云台和直线电机；所述三轴云台用于固定所述RGB相机、所述Kinect相机或所述高光谱成像仪；所述直线电机与对应的三轴云台连接，所述直线电机用于控制三轴云台移动，以调整所述RGB相机、所述Kinect相机或所述高光谱成像仪的拍摄角度和离地高度。
5.根据权利要求1所述的一种田间植物表型信息采集系统，其特征在于，还包括：与所述控制器连接的电源模块；所述电源模块包括太阳能电池板和220V移动电源。
6.根据权利要求1所述的一种田间植物表型信息采集系统，其特征在于，所述控制器为工作站笔记本。
7.根据权利要求1所述的一种田间植物表型信息采集系统，其特征在于，所述GPS模块为RTK-GPS。
8.根据权利要求1所述的一种田间植物表型信息采集系统，其特征在于，所述无线通讯模块为AP基站。
9.一种田间植物表型信息采集方法，其特征在于，所述方法用于权利要求1-8中任意一项所述的田间植物表型信息采集系统；所述方法包括：
获取自走式田间载具的即时地理信息；
判断当前采集模式和当前采集状态；
当所述当前采集模式为自动采集模式且所述当前采集状态为载具移动采集时，判断所述即时地理信息是否处于信息采集位置数据中的预设航路上标记的采集范围内，当所述即时地理信息处于预设航路上标记的采集范围内时，则触发传感器组，将所述传感器组采集的表型信息生成预览图，并将所述预览图通过无线通讯模块发送至所述地面控制中心；所述表型信息包括RGB图像信息、作物形态三维点云数据和高光谱数据；
当所述当前采集模式为自动采集模式且所述当前采集状态为载具静止采集时，判断所述即时地理信息是否为信息采集位置数据中的预设航路上标记的采集点，当所述即时地理信息为预设航路上标记的采集点时，则触发传感器组，将所述传感器组采集的表型信息生成预览图，并将所述预览图通过所述无线通讯模块发送至所述地面控制中心；
当所述当前采集模式为手动采集模式时，用户远程向控制器发送手动采集信号，以触发传感器组，所述控制器将所述传感器组采集的表型信息生成预览图，并将所述预览图通过所述无线通讯模块发送至所述地面控制中心。
10.根据权利要求9所述的一种田间植物表型信息采集方法，其特征在于，在所述判断当前采集模式和当前采集状态之前，还包括：
获取用户导入的载具预定航线；
用户在所述载具预定航线上进行经纬度标记，得到预设航路上标记的采集范围和预设航路上标记的采集点。
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