CN112964202B - 一种植物表型信息采集系统及提取方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种植物表型信息采集系统及提取方法，属于植物表型信息采集设备领域。本发明的植物表型信息采集系统，信息采集装置包括了可见光相机和用于调整可见光相机位置的调节机构，并通过旋转装置驱动信息采集装置围绕承载台转动；此外，还设置有幕布和6个棋盘格标定板，承载台设置在幕布上，幕布可以提高植物采集的环境光强度，从而提高采集效果，6个标定板等距设置在幕布的周向上，通过6个标定板对采集的图像进行校正，避免了单一标定板在信息采集装置旋转后带来的变形，并通过不同角度的视图来进行标定，计算可见光相机的投影矩阵，得出可见光相机的几何模型，从而得到高精度的采集图像。

Description

一种植物表型信息采集系统及提取方法

本申请是申请号为201910514370X，申请日为2019年6月14日，发明名称为“一种植物表型信息提取方法”的分案申请。

技术领域

本发明涉及植物表型信息采集设备技术领域，更具体地说，涉及一种植物表型信息采集系统及提取方法。

背景技术

植物表型是指受基因和环境决定或影响的复杂植物性状，包括生长、发育、耐性、抗性、生理、结构、产量等表现出的形态结构和生理生化参数。可测量形态结构表型参数包括植物高度、基径、叶特征、枝条特征、果实特征等。表型是对植物的形态、结构、物理、化学和生物特征从宏观到微观的系统测量和表征。

可测量形态结构表型参数最为典型的是株高、基径、叶面积。株高和基径代表着植物的长势、活力、生长速度等情况。叶片是植物进行光合作用从而制造氧气、合成营养物质的主要器官，是植物进行蒸腾作用从而提供根从外界吸收和运输水分动力的主要途径，叶片的面积会影响光截获、表面蒸发、光合作用以及生长量，因此，叶面积是与产量关系最密切、变化最大，同时又是通过增产措施较易控制的一个因素。

植物表型具有复杂性、受环境影响多变及全程动态变化等特性，传统的表型信息依靠手工测量方式进行，如株高采用卷尺测定，基径采用游标卡尺测定、叶片的面积采用离体摘取后的方格计数法测定，即将叶片放置于水平面上，用透明方格纸覆盖，通过统计叶内格点数和叶边缘的格点数的方法计算叶片的面积。因此，传统手工测量表型信息的方法存在着规模小、效率低、精度差、误差多、连续性弱、破坏性强等问题。

在植物的形态结构表型测量中，利用可见光相机从单一角度固定不动地采集形态表型信息简单便捷，但会存在枝叶遮挡、单一角度投影值不准确、叶面积等信息计算误差大等问题。因此，通常采用基于传送带或旋转盘的植物运动而可见光相机固定的方式获取不同角度植物的形态结构信息，并经过算法处理提取相关的表型参数；但传送带的搬移或转盘的旋转会导致植物尤其是叶片微小、茎杆细长类型植物的器官抖动，影响植物形态结构表型信息采集的质量，使得图像的噪音过大，影响对植物表型信息的采集和分析。

一般可以通过旋转装置控制可见光相机围绕植物转动来实现植物表型信息的多角度采集，如发明创造名称为一种植物表型采集装置的中国专利文件(申请号为2018213848722)，该申请案的支撑底座上设有旋转机构，旋转机构包括固定在支撑底座上的安装筒和套设在安装筒外侧可旋转的旋转筒；旋转筒上设有至少一个侧翼板，侧翼板的侧面连接有组装支架，该组装支架上设置有用于采集植物表型信息的采集设备。使用上述方案在对所获得的图像进行分析时，采用的是植物放置在中间进行旋转、传感器固定的方式，这种表型信息采集方式会导致植物尤其是叶片微小、茎杆细长类植物的器官抖动，从而带来图像噪音，影响测量效果。

发明内容

1.发明要解决的技术问题

本发明的目的在于克服现有技术中设置有单一标定板的植物信息采集装置在信息采集装置旋转后采集图像容易产生变形，提供了一种植物表型信息采集系统及提取方法。本方案利用幕布上周向等距设置的6个黑白棋格盘标定板之间的配合，以避免信息采集装置旋转后采集图像的变形。

本发明的另一个目的在于提供一种植物表型信息提取方法，利用上述的采集系统对植物表型信息进行提取，无破坏性、不影响植物生长、快捷高效、精准度高、采集效果较好。

2.技术方案

为达到上述目的，本发明提供的技术方案为：

本发明的一种植物表型信息采集系统，包括，

承载台，用于放置植物；

信息采集装置，所述信息采集装置包括可见光相机和调节机构，所述可见光相机设置在调节机构上端，且可见光相机朝向承载台，用于采集植物的表型信息；

旋转装置，所述旋转装置包括旋转环、支撑座和驱动车，所述旋转环设置在所述承载台上且能够相对于所述承载台转动，所述支撑座的一端与所述旋转环连接，所述支撑座的另一端设置有所述驱动车，所述信息采集装置安装在支撑座上；

幕布，所述承载台设置在所述幕布上，所述幕布上设置有6个标定板；6个所述标定板等距分布在所述幕布的周向上，并围绕所述承载台(100)设置；所述标定板为黑白的棋盘格标定板。

进一步地，所述调节机构包括至少3条支撑腿，所述支撑腿上设置有滑动件，所述支撑座上设置有滑轨，所述滑动件与所述滑轨配合。

进一步地，所述滑动件包括支架，以及设置在支架上的旋转套和至少1个滚轮，所述支架套设在所述滑轨上，所述滚轮与所述滑轨配合，所述旋转套与所述支撑腿铰接连接。

进一步地，所述旋转套上设置有锁紧螺栓，所述锁紧螺栓用于锁紧所述支撑腿；所述支架上设置有固定螺栓，所述固定螺栓用于固定所述支架和滑轨。

本发明的一种植物表型信息提取方法，利用上述的植物表型信息采集系统对植物(500)的表型信息进行采集。

3.有益效果

采用本发明提供的技术方案，与现有技术相比，具有如下有益效果：

(1)本发明的植物表型信息采集系统，信息采集装置包括了可见光相机和用于调整可见光相机位置的调节机构，并通过旋转装置驱动信息采集装置围绕承载台转动，能够适应不同生长时期植物的表型信息采集，且能够从多个角度采集植物的表型信息，因而本发明的植物表型信息采集系统能够对植物生长全过程的形态结构表型三维参数进行非破坏式测量，采集效果较好；此外，还设置有幕布和6个棋盘格标定板，承载台设置在幕布上，幕布可以提高植物采集的环境光强度，从而提高采集效果，6个标定板等距设置在幕布的周向上，通过6个标定板对采集的图像进行校正，避免了单一标定板在信息采集装置旋转后带来的变形，并通过不同角度的视图来进行标定，计算可见光相机的投影矩阵，得出可见光相机的几何模型，从而得到高精度的采集图像。

(2)本发明的调节机构包括了至少3个支撑腿，并通过3个支撑腿的配合使得信息采集装置在转动时，可见光相机能够保持较好的稳定性，因而拍摄的图像更清晰；支撑腿通过滑动件设置支撑座上，滑动件的滚轮与支撑座上的滑轨配合，方便调节可见光相机的位置。

(3)本发明的植物表型信息提取方法，通过控制可见光相机的拍摄时间，采集植物全空间内多角度的图像，并计算其平均值，最小化了光照不一致对不同图像的影响，降低了由于枝条和叶片遮挡或叶片的空间伸展卷曲等而给叶面积、株高和基径等表型参数测量带来的误差。

附图说明

图1为本发明的植物表型信息采集系统示意图；

图2为本发明中标定板分布示意图；

图3为本发明中滑动件结构示意图；

图4为多角度的植物二进制图像示意图；

图5为提取方法的流程示意图。

示意图中的标号说明：100、承载台；200、信息采集装置；210、可见光相机；220、调节机构；221、支撑腿；222、滑动件；223、支架；224、旋转套；225、滚轮；226、锁紧螺栓；227、固定螺栓；300、旋转装置；310、旋转环；320、支撑座；321、滑轨；330、驱动车；410、幕布；420、标定板；500、植物。

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。

本说明书的具体实施方式中提供的各实施例之间必要时可以相互组合，单个实施例中出现多种实施方式时，各实施方式必要时也可以相互组合。若无其它说明，经过组合后的实施例或实施方式在不产生意想不到的效果时，仍在本发明的保护范围内，因而本说明书的具体实施方式中不再赘述。

在植物的形态结构表型测量中，利用可见光相机从单一角度固定不动地采集形态表型信息简单便捷，但会存在枝叶遮挡、单一角度投影值不准确、叶面积等信息计算误差大等问题。因此，通常采用基于传送带或旋转盘的植物运动而可见光相机固定的方式获取不同角度植物的形态结构信息，并经过算法处理提取相关的表型参数；但传送带的搬移或转盘的旋转会导致植物尤其是叶片微小、茎杆细长类型植物的器官抖动，影响植物形态结构表型信息采集的质量，使得图像的噪音过大，影响对植物表型信息的采集和分析。

为克服上述问题，结合图1，本实施方式的植物表型信息采集系统，包括承载台100、信息采集装置200和旋转装置300，旋转装置300驱动信息采集装置200相对于承载台100转动，信息采集装置200用于采集承载台100上植物500的表型信息。

具体的，可以在承载台100上放置带采集表型数据的植物500。信息采集装置200包括可见光相机210和调节机构220，可见光相机210朝向承载台100设置以拍摄植物500的图像，可见光相机210可以采用常用的拍摄设备，例如单反可见光相机，可见光相机的具体结构没有限制，只要能够进行拍摄即可；调节机构220上设置有所述可见光相机210，且调节机构220用于调整所述可见光相机210的位置，以满足不同生长时期的植物表型信息采集需求。旋转装置300包括旋转环310、支撑座320和驱动车330，旋转环310设置在承载台100上且能够相对于承载台100转动，支撑座320的一端与旋转环310连接，支撑座320的另一端设置有驱动车330，在支撑座320上设置上述信息采集装置200。

使用本实施方式的植物表型信息采集系统进行植物表型信息采集时，先将植物500放置在承载台100上，然后通过调节机构220调整可见光相机210的位置，再通过驱动车330驱使支撑座320绕着承载台100的中心转动，从而带动信息采集装置200的可见光相机围绕承载台100转动，可见光相机210完成对植物500的表型信息的采集。

此外，本实施方式的植物表型信息采集系统还包括幕布410和多个标定板420，承载台100设置在幕布410上，该幕布410可以是黑色绒布，幕布410可以改善植物采集的环境光强度，从而提高图像采集效果；多个标定板420沿幕布410的周向等距设置，标定板420可以是黑白的棋盘格标定板，标定板420可以设置6个或6个以上。通过多个标定板420对采集的图像进行校正，避免了单一标定板420在信息采集装置旋转后带来的图像变形，并通过不同角度的视图来进行标定，多次求取相机的内外参数，计算可见光相机的投影矩阵，得出可见光相机的几何模型，对获取的图像进行畸变校正和极线校正，从而确保标定效果，尽量还原真实效果，得到高精度的采集图像。

作为本实施方式的进一步优化，参照图2，旋转环310套设在承载台100上，旋转装置300转动时，旋转环310能够提供导向作用；承载台100的外侧面开设有转动槽，转动槽内设置有多个滚珠，即滚珠设置在旋转环310和承载台100之间，将旋转环310和承载台100之间的滑动摩擦转化为滚动摩擦力，使得旋转装置300更容易转动。此外，旋转环310套设在承载台100上时，当旋转装置300转动时，信息采集装置200更加稳定，因而拍摄的图像更加清晰，植物表型信息采集的效果更好。

作为本实施方式的进一步优化，调节机构220包括支撑台和设置在支撑台上的至少3条支撑腿221，支撑腿221上设置有滑动件222，支撑座320上相对应设置有多个滑轨321，且滑动件222和滑轨321之间相配合，滑动件222能够在滑轨321上滑动。当支撑腿221为3条时，参照图2，支撑座320上可以设置3个相互平行的滑轨321，且均沿支撑座320长度方向设置；3个滑轨321也可以均由支撑座320的中心引出，彼此之间形成的夹角相同；也可以设置2个相互垂直的滑轨321，调节机构220的1条支撑腿221设置在1个滑轨321上，另2条支撑腿221设置在1个滑轨321上。支撑座320多个滑轨321之间的位置关系没有具体要求，只要能够通过调节滑动件222在滑轨321上的位置，从而改变支撑腿221的支撑角度，并通过多个支撑腿221之间的相互配合实现调整可见光相机位置的目的即可。

更进一步地，滑动件222包括支架223，以及设置在支架223上的旋转套224和滚轮225。支架223套设在所述滑轨321上，滚轮225可以设置滑轨321的上方，滑动件222通过滚轮225和滑轨321的配合实现在滑轨321上滑动；旋转套224设置在支架223的上侧面，旋转套224具体可以是U形结构，支撑腿221能够卡在旋转套224的U形槽内并能够相对于旋转套224转动。此外，旋转套224与支架223可以是铰接连接，旋转套224可以相对于支架223转动，滑动件222在滑轨321上滑动时，支撑腿221能够相对于滑动件222转动，从而方便调节支撑腿221的支撑角度，进而调整可见光相机210相对于承载台100的位置。

作为本实施方式的进一步优化，支架223内设置有2个滚轮225，2个滚轮225分别位于滑轨321的上下两侧，同时2个滚轮225相互配合能够夹紧滑轨321，从而为滑动件222在滑轨321上滑动提供导向作用。

更进一步地，旋转套224上设置有锁紧螺栓226和底部螺栓，支架223上设置有固定螺栓227。调整完可见光相机210的位置后，可以通过旋紧锁紧螺栓226以锁紧旋转套224内的支撑腿221，可以通过旋紧底部螺栓固定旋转套224和支架223，可以通过旋紧固定螺栓227以固定滑动件222和滑轨321，从而使得调节机构220的支撑腿221无法相对于滑轨321发生滑动或转动，使得旋转装置300驱动信息采集装置200相对于承载台100转动时，信息采集装置200的可见光相机210具有较好的稳定性，防止可见光相机210发生抖动，提高拍摄图像的清晰度，进而提高植物表型信息采集的准确度和精确度。

参照图5，本实施方式还提供了一种植物表型信息提取方法，需要将承载台100设置在幕布410上，并在所述幕布410的周向上等距设置6块标定板420，通过6个标定板对采集的图像进行校正，避免了单一标定板在信息采集装置旋转后带来的变形，并通过不同角度的视图来进行标定，计算可见光相机的投影矩阵，得出可见光相机的几何模型，从而得到高精度的采集图像。

本实施方式采用了可见光相机旋转、植物固定的方式进行采集，避免了植物的器官抖动。在拍摄图像前，通常要利用棋盘格进行标定获取相机的内参矩阵，计算相机与植物间的坐标关系，拍摄过程中如能确保相机始终固定不动，将不改变标定参数继而不影响三维信息的准确度。但是旋转拍摄过程中，相机的位置发生变化，因此标定板上各个特征点与其在成像平面上的投影点之间的相互关系随之变化。本实施方式的6次标定技术通过相机旋转过程中多次求取相机的内外参数，进行相机标定参数确定以对获取的图像进行畸变校正和极线校正，尽量还原真实效果，确保了标定效果。同时，本实施方式定时采集空间全方位的10个角度的图像并取其平均值作为最终表型信息参数值，降低了单一角度提取表型信息时由于枝条和叶片遮挡或叶片的空间伸展卷曲等而带来的误差，有利于提高表型信息的精准度。

具体的，利用上述的采集系统对植物的表型信息进行采集时，可以包括以下步骤：

步骤一、将装有植物500的容器放置在承载台100上，调节环境光光照强度和照射方向。

步骤二、通过调节机构220调整可见光相机210的位置，调整时先旋松锁紧螺栓226、固定螺栓227和底部螺栓，然后分别滑动调节机构220的多个支撑腿221，使得可见光相机210能够对准植物500，并调整可见光相机210的拍摄角度，再旋紧锁紧螺栓226、固定螺栓227和底部螺栓，从而固定可见光相机210相对于支撑座320的位置，防止可见光相机210在随着旋转装置300转动时发生抖动。

步骤三、旋转装置300驱动信息采集装置200围绕承载台100转动1圈，记录转动时间。同时，通过幕布周向的6个标定板(对采集的图像进行标定、校正，计算可见光相机的投影矩阵，得出可见光相机的几何模型。

步骤四、根据步骤三中的转动时间设定可见光相机210的拍摄时间。

步骤五、旋转装置300驱动信息采集装置围绕承载台100转动1圈，可见光相机210按照步骤四中的拍摄时间对植物500进行拍摄。具体的，可见光相机210在旋转装置300的带动下一边围绕承载台100匀速运动，一边定时拍照，旋转装置300每转动36゜便控制可见光相机210的快门拍摄一幅图像，完成采集全空间的10个角度植物图像。然后计算其投影面积后求十个角度得到的平均值，作为其叶面积表型参数值；计算植株顶部叶片自然伸展到最高处到盆上边缘的高度后求其十个角度得到的平均值，作为其株高表型参数值；计算植株靠近土壤表面即盆上边缘处的茎秆直径后求其十个角度得到的平均值，作为其基径表型参数值。十个角度得到的图像求平均的方法最小化了光照不一致对不同图像的影响，降低了由于枝条和叶片遮挡或叶片的空间伸展卷曲等而给叶面积、株高和基径等表型参数测量带来的误差。

上述步骤五中，计算植物表型信息平均值的具体步骤为：

S1、从RGB图像中分割出植物的图区。

S2、使用指标2G/(R+B)将S1中植物图区的RGB图像转换为单波段图像。

S3、将S2中得到的单波段图像转换成二进制图像，并对二进制图像进行筛选和降噪。具体的，利用区域限制技术指定感兴趣的多边形区域，从二进制图像中删除小对象，降噪并从背景中分割出植物像素。

S4、分别计算10张二进制图像中植物的植物表型信息参数，包括株高、基径和叶面积，并求出各植物表型信息参数的平均值。具体的，计算株高时，设置多边形限制框选范围，使用全局图像阈值，逐行扫描，植株顶部像素连续的最高处到盆上边缘的距离为植物的株高；计算基径时，从上到下逐行扫描，识别容器，接近容器上边缘且像素一直连续的部分为茎秆，计算茎秆部分宽度为植物的基径；计算叶面积时，设置结构单元，使用形态开放技术来消除孤立噪声，计算白色像素数量为植物叶片的投影面积。

图4是依据本实施方式提供的植物表型信息提取方法采集的植物表型信息的10张二进制图像，可见光相机的拍摄角度分别为0゜、36゜、72゜、108゜、144゜、180゜、216゜、252゜、288゜、324゜。并依据步骤五对10张二进制图像进行了数据分析，得到了植物表型信息参数，包括株高、基径和叶面积的平均值，下表为植物表型信息参数的结果。

从表中可以看出，传统采用单一角度采集植物表型信息时由于枝条和叶片遮挡或叶片的空间伸展卷曲等所得到的投影信息是片面的、不准确的、误差较大的，由于自动化快速测量过程中，无法实现摘取每个叶片进行破坏性测量，因此本实施方式的10个角度求取平均值方法在确保采集效率和非破坏性测量的同时提高了表型信息的采集提取精度。

以上示意性的对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种植物表型信息采集方法，其特征在于：包括，

承载台(100)，用于放置植物(500)；

信息采集装置(200)，所述信息采集装置(200)包括可见光相机(210)和调节机构(220)，所述可见光相机(210)设置在调节机构(220)上端，且可见光相机(210)朝向承载台(100)，用于采集植物(500)的表型信息；

旋转装置(300)，所述旋转装置(300)包括旋转环(310)、支撑座(320)和驱动车(330)，所述旋转环(310)设置在所述承载台(100)上且能够相对于所述承载台(100)转动，所述支撑座(320)的一端与所述旋转环(310)连接，所述支撑座(320)的另一端设置有所述驱动车(330)，所述信息采集装置(200)安装在支撑座(320)上；

幕布(410)，所述承载台(100)设置在所述幕布(410)上，所述幕布(410)上设置有6个标定板(420)；6个所述标定板(420)等距分布在所述幕布(410)的周向上，并围绕所述承载台(100)设置；所述标定板(420)为黑白相间的棋盘格标定板；

对植物的表型信息进行采集时，包括以下步骤：

步骤一、将装有植物(500)的容器放置在承载台(100)上，调节环境光光照强度和照射方向；

步骤二、通过调节机构(220)调整可见光相机(210)的位置，调整时先旋松锁紧螺栓(226)、固定螺栓(227)和底部螺栓，然后分别滑动调节机构(220)的多个支撑腿(221)，使得可见光相机(210)能够对准植物(500)，并调整可见光相机(210)的拍摄角度，再旋紧锁紧螺栓(226)、固定螺栓(227)和底部螺栓，从而固定可见光相机(210)相对于支撑座320的位置，防止可见光相机(210)在随着旋转装置(300)转动时发生抖动；

步骤三、旋转装置(300)驱动信息采集装置(200)围绕承载台(100)转动1圈，记录转动时间；同时，通过幕布周向的6个标定板对采集的图像进行标定、校正，计算可见光相机的投影矩阵，得出可见光相机的几何模型；

步骤四、根据步骤三中的转动时间设定可见光相机(210)的拍摄时间；

步骤五、旋转装置(300)驱动信息采集装置围绕承载台(100)转动1圈，可见光相机(210)按照步骤四中的拍摄时间对植物(500)进行拍摄；具体的，可见光相机(210)在旋转装置(300)的带动下一边围绕承载台(100)匀速运动，一边定时拍照，旋转装置(300)每转动36゜便控制可见光相机(210)的快门拍摄一幅图像，完成采集全空间的10个角度植物图像；然后计算其投影面积后求十个角度得到的平均值，作为其叶面积表型参数值；计算植株顶部叶片自然伸展到最高处到盆上边缘的高度后求其十个角度得到的平均值，作为其株高表型参数值；计算植株靠近土壤表面即盆上边缘处的茎秆直径后求其十个角度得到的平均值，作为其基径表型参数值；十个角度得到的图像求平均的方法最小化了光照不一致对不同图像的影响，降低了由于枝条和叶片遮挡或叶片的空间伸展卷曲等而给叶面积、株高和基径等表型参数测量带来的误差；

上述步骤五中，计算植物表型信息平均值的具体步骤为：

S1、从RGB图像中分割出植物的图区；

S2、使用指标2G/(R+B)将S1中植物图区的RGB图像转换为单波段图像；

S3、将S2中得到的单波段图像转换成二进制图像，并对二进制图像进行筛选和降噪；

S4、分别计算10张二进制图像中植物的植物表型信息参数，包括株高、基径和叶面积，并求出各植物表型信息参数的平均值；具体的，计算株高时，设置多边形限制框选范围，使用全局图像阈值，逐行扫描，植株顶部像素连续的最高处到盆上边缘的距离为植物的株高；计算基径时，从上到下逐行扫描，识别容器，接近容器上边缘且像素一直连续的部分为茎秆，计算茎秆部分宽度为植物的基径；计算叶面积时，设置结构单元，使用形态开放技术来消除孤立噪声，计算白色像素数量为植物叶片的投影面积。

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