CN211234299U - 一种便携式远距离植株尺寸测量仪 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供的一种便携式远距离植株尺寸测量仪，用于在大田中随时获取大豆植株表型数据，也可用于其它户外植株图像表型数据的获取。本实用新型提供的测量仪是一种便携式远距离植株尺寸测量仪，包括测量装置和移动终端，移动终端固定连接在测量装置上，并可对植株进行拍照，移动终端接收测量装置发送的测量数据，包括移动终端拍照时的移动终端距离地面的高度、移动终端与植株最高点之间的距离、以及移动终端拍照时的倾斜角度等，将各种数据与相应植株照片进行绑定，再传输到云服务器中，通过人工智能算法根据数据对图片进行处理，获取到植株表型数据，即植株的实际高度，最后存储至植株表型数据库中。

Description

一种便携式远距离植株尺寸测量仪

技术领域

本实用新型涉及远距离测量技术领域，尤其是一种便携式远距离植株尺寸测量仪。

背景技术

大豆是世界重要的粮油兼用作物，也是人类食物中蛋白质的主要来源。为了培育优质大豆品种，需对大豆作物的表型数据进行测量，例如，高度等参数。但是大田中的大豆密植，人很难进入田间进行高度测量。在生产生活中，人们也经常会遇到被测物体过高，或距离较远等问题，尽管可以采用移动终端进行拍照，但仍然无法得知目标植株的高度情况。目前，常用的方法就是用伸缩直尺，近距离测量后读数，这种方法的优点是很精确，但是其限制很大：其一，效率低，工作量大，要实现对多株大田内生长的植株进行精准测量成本很高；其二，若对较高的植株进行测量，则无法使用尺子直接测量，所测对象限制在人能靠近目标物体并能够接触到顶端的情况下，导致操作极为不便。因此，需要提供一种适用于户外和大田中的、可实现远距离操作的、并且可随时对目标植株进行尺寸测量的仪器。

实用新型内容

本实用新型所要解决的问题是弥补上述现有技术的缺陷，提供一种便携的、可远距离测量高度的、并且能够在移动终端对植株拍摄照片时，通过照片上的尺寸与拍摄照片时所测量的数据，再通过计算机算法还原植株真实尺寸的一种便携式远距离植株尺寸测量仪。

一种便携式远距离植株尺寸测量仪，包括测量装置和移动终端，所述移动终端固定连接在所述测量装置上，并可对植株进行拍照，所述测量装置可在拍照时测量所述移动终端与植株的相关数据，并将测量的数据传输至所述移动终端内；

所述测量装置包括测量杆、测量部件和支撑架，所述测量杆的一端设有锥形的尖部结构，用于将所述测量杆固定在地面上，另一端固定连接有所述测量部件，所述测量部件用于测量所述移动终端与植株的相关数据，所述支撑架固定连接在所述测量部件之上，用于固定拍照的所述移动终端。

进一步，所述测量部件包括微控制器、采集单元、电源单元和通信单元，所述电源单元的输出端与所述微控制器的输入端之间为电连接，所述移动终端通过所述电源单元为所述测量部件内部供电；所述采集单元与所述微控制器之间电连接，所述采集单元用于测量各种数据，包括所述移动终端距离地面的高度、所述移动终端与植株最高点之间的距离、以及所述移动终端拍照时的倾斜角度的数据，并将数据传输至所述微控制器；所述微控制器的输出端与所述通信单元的输入端为电连接，所述微控制器通过所述通信单元将数据传输至所述移动终端。

进一步，所述测量装置包括万向节，所述万向节设置于所述测量杆和所述测量部件之间，可调整所述移动终端拍照时的拍摄角度。

进一步，所述测量装置包括数据线，所述数据线的两端分别与所述测量部件和所述移动终端相连，所述移动终端用于给所述测量部件供电，所述测量部件将测量到的数据传输至所述移动终端。

与现有技术相比，本实用新型达到的有益效果是：

本实用新型提供的一种便携式远距离植株尺寸测量仪，采用移动终端对植株进行拍照，同时采用测量部件对移动终端距离地面的高度H、移动终端与植株最高点之间的距离l、以及移动终端拍照时的倾斜角度α进行采集，并将采集到的数据通过蓝牙传输至移动终端中，移动终端通过自带的软件对照片及其相应的测量数据进行绑定，并传输到指定的云服务器中。由云服务器调用相应算法计算得出植株的实际高度，并将高度值作为植株的表型数据，存储到表型数据库中。

本实用新型提供的一种便携式远距离植株尺寸测量仪，使用人工智能算法根据测得的数据和照片上的目标植株尺寸进行计算，得到距离与角度的信息计算出植株的实际尺寸，使得对植株高度的测量更加方便，减少了作业量，节省了人力成本，采集后的数据可直接经计算传输至植株表型数据库中，后续可通过深度学习等图像处理算法分析出照片中植株的形状大小等数据用于大数据的分析，并可将实际尺寸与数据库中的数据进行对比。

本实用新型提供的一种便携式远距离植株尺寸测量仪，通过已知高度和距离的物体，可检测出移动终端拍摄植株时的放大倍数，并通过拍摄照片的像素点精确测量出植株顶端嫩芽弯曲部分的长度，使得最终可精确测量出植株的实际高度，保证测量结果的精确性，最后将高度值作为植株的表型数据，存储到表型数据库中。

本实用新型提供的一种便携式远距离植株尺寸测量仪，通过移动终端拍摄的植株照片，可以同时采集目标植株的其它表型数据，例如，采集植株叶子的宽度等。

本实用新型提供的一种便携式远距离植株尺寸测量仪，包括测量杆和移动终端，其机械结构简单易用，具有体积小、重量轻、方便携带、造价低的优点。

附图说明

图1为本实用新型中的一种便携式远距离植株尺寸测量仪的整体结构示意图；

图2为图1中所示A部的放大图；

图3为本实用新型中测量部件的电路结构框图；

图4为本实用新型的移动终端距离地面的高度以及移动终端与植株最高点之间的距离的计算简图；

图5为本实用新型实施例2中测量部件的计算原理示意图一；

图6为本实用新型实施例2中测量部件的计算原理示意图二；

图7为本实用新型实施例3中测量部件的计算原理示意图一；

图8为本实用新型实施例3中测量部件的计算原理示意图二；

图9为本实用新型中计算植株的实际高度的计算流程图。

图中标号：

1测量装置，11测量杆，12万向节，121固定旋钮，13测量部件，14支撑架，15数据线，2移动终端。

具体实施方式

以下，基于优选的实施方式并参照附图对本实用新型进行进一步说明。

此外，为了方便理解，放大(厚)或者缩小(薄)了图纸上的各种构件，但这种做法不是为了限制本实用新型的保护范围。

单数形式的词汇也包括复数含义，反之亦然。

在本实用新型实施例中的描述中，需要说明的是，若出现术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该实用新型产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，本实用新型的描述中，为了区分不同的单元，本说明书上用了第一、第二等词汇，但这些不会受到制造的顺序限制，也不能理解为指示或暗示相对重要性，其在实用新型的详细说明与权利要求书上，其名称可能会不同。

本说明书上的词汇是为了说明本实用新型的实施例而使用的，但不是试图要限制本实用新型。还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，若出现术语“设置”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接连接，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的技术人员而言，可以具体理解上述属于在本实用新型中的具体含义。

本实用新型提供的一种便携式远距离植株尺寸测量仪，包括测量装置1和移动终端2，移动终端2固定放置在测量装置1上，用于对植株进行拍照，测量装置1可远距离测量出植株所处位置的相关数据，并将相关数据发送给移动终端2，移动终端2对植株进行拍照的同时，通过内置的软件算法对照片与相关测量数据进行绑定，然后传送给指定的云服务器。云服务器对接收到的照片及绑定测量数据进行分析处理，调用相应算法计算得出植株的实际高度，并导入植株表型数据库中，便于后续采用其中的数据用于计算机深度学习或大数据分析。

测量装置1在户外采集植株图像时具有以下几个用途：其一，对整体的测量仪的测量位置进行固定；其二，对用于采集植株图像的移动终端2进行固定；其三，测量仪内部设有测量部件13，可远距离测量和计算出移动终端2与植株所处位置的相关数据，包括移动终端2距离地面的高度H、移动终端2与植株最高点之间的距离l、以及移动终端2拍照时的倾斜角度α等。

具体的，测量装置1包括测量杆11、万向节12、测量部件13、支撑架14和数据线15，测量杆11的一端设有锥形的尖部结构，可以竖直插入地面，稳定整个测量装置1，另一端用作支撑放置测量拍照的移动终端2；万向节12设置在测量杆11上远离尖部结构的一端，通过万向轮与测量杆11相连，旋转万向节12可调整各种角度，万向节12包括固定旋钮121，当调整万向节12到合适的角度时，可旋紧固定旋钮121以固定万向节12的方位；测量部件13通过螺丝固定连接在万向节12的上方，用于测量各种数据；支撑架14通过螺丝固定连接在测量部件13之上，用来固定拍照的移动终端2，支撑架14的高度可调，可以适应不同宽度的移动终端2；数据线15的两端分别连接在测量装置1和移动终端2上，移动终端2可为测量装置1进行供电。

测量杆11上标有以毫米为最小刻度单位的、用于测量测量部件13距离地面的高度H1的刻度，此外，测量杆11采用可收缩式的结构，优选的，其由6截杆组成，长度调节范围在25cm-140cm之间，可以伸缩调整拍摄高度，收缩起来最短可至25cm，便于收纳及携带。

测量部件13所测量的数据包括对测量部件13距离地面的高度H1、测量部件13与植株最高点之间的距离l、以及移动终端2拍照时的倾斜角度α等参数进行测量，通过所测量的数据计算出植株的竖直高度h，测量部件13的电路结构框图如图3所示。

具体的，测量部件13内包括微控制器、采集单元、电源单元和通信单元，移动终端2通过数据线15与电源单元相连接，电源单元的输出端与微控制器的输入端之间为电连接，移动终端2通过电源单元为整个测量部件13内部供电；采集单元与微控制器之间电连接，采集单元用于测量各种数据，并将数据传输至微控制器；微控制器的输出端与通信单元的输入端为电连接，微控制器将数据传输至通信单元，并通过通信单元将数据传输至移动终端2。

采集单元包括测距传感器和角度传感器，测距传感器实现测量部件13距离地面高度H1的测量、以及测量部件13与植株最高点之间的距离l1的测量，角度传感器实现对移动终端2拍摄照片时其倾斜角度α的测量，采集单元将测量到的数据传输至微控制器，再通过通信单元将数据传输至移动终端2。优选的，通信单元的传输方式为蓝牙。

应当指出的是，对测量部件13距离地面的高度H1，既可通过测量杆11上标有的刻度进行测量，也可通过测距传感器进行测量，两者的测量数据应相同，当环境发生变化时，导致其中一种测量方式不准确时，可通过另一种测量方式进行测量，保证测量数据的准确性。

移动终端2对植株进行拍照的同时，通过内置的软件算法对照片与相关测量数据进行绑定，然后传送给指定的云服务器。云服务器对接收到的照片及绑定测量数据进行分析处理，调用人工智能图片处理算法，计算得出植株的实际高度，并导入植株表型数据库中。

下面对本实用新型提供的一种便携式远距离植株尺寸测量方法进行详细说明。

通常情况下，植株的最顶端与植株种植在地面上的点(植株底端)之间均不为直接垂直于地面的，具体的，在重力的作用下，大部分植株顶端的嫩芽将向下下垂一部分距离，从而使得整个植株为弯曲的结构，形成一个倒“J”形的结构，则定义植株距离地面开始弯曲的位置为最高点，最高点与植株种植在地面上的点(植株底端)之间的距离为植株的竖直部分，即为植株的主茎高度h，最高点与植株的最顶端(与植株种植在地面上的点相反的一端)之间的距离为嫩芽弯曲部分的长度ht，因此要测得植株的实际高度x，需先测量出植株的主茎高度h和嫩芽弯曲部分的长度ht，最后将两者相加即得植株的实际高度x。

此外，在大田中的植株的形态均不一，例如，植株有的为直立状态，有的为倾斜状态，当移动终端2在实际拍摄植株高度的时候，移动终端2拍到的目标植株照片也会存在不同的情况，例如，移动终端2可拍到植株的顶端，但由于植株间互相遮挡则不能拍到植株的底部，其大致可分为以下几种情况：

1、移动终端2可拍到植株的底端到顶端的全貌，即，移动终端2可拍到植株的主茎高度h及嫩芽弯曲部分的长度ht；

2、植株在直立状态下，移动终端2能拍到植株的顶端，但不能拍到植株的底端；

3、植株在倾斜状态下，移动终端2能拍到植株的顶端，但不能拍到植株的底端。

其中，在情况2和情况3中还存在植株与测量仪的底端是否在同一水平高度上的情况，以下针对这三大类情况分别描述植株尺寸的测量方法，并将这三大类情况分为三种实施例进行详细的说明。

实施例1：移动终端2可拍到植株的底端到顶端的全貌。

在拍摄目标植株的照片之前，需先校准移动终端2拍摄照片时的放大倍数，得到移动终端2内置比例尺，即得出在已知距离下，移动终端2拍摄的照片中植株的尺寸与其实际尺寸的比，本实用新型中将此种方法称为比例尺算法。具体校准过程如下：

第一步，在地面上竖直插入一个已知其高度的物体，例如可插入一个标有刻度的直杆，将插入的物体与测量杆11相平行，插入的物体与测量杆11之间的距离为固定值，例如可以为1米或2米等已知的距离；

第二步，调好移动终端2拍摄时的放大倍数，确保能同时拍到目标物体的底端与顶端，用移动终端2对物体进行拍照；

第三步，根据目标物体在照片中的尺寸与其实际尺寸的比，得到一定距离下的照片(尺寸)原图中目标物体像素个数与其实际尺寸之间的比例系数，比例系数即为测量杆与目标物体的距离d的函数，设其为内置比例尺函数F(d)，比例尺函数F(d)＝目标物体在照片上的尺寸(像素点数)与其实际尺寸的比。

通过校准过程后，再用移动终端2对目标植株进行拍照，则可根据比例尺函数F(d)计算得出目标植株的实际尺寸。

内置比例尺与距离的关系为:如果将测量仪与目标植株距离放大到n倍，那么将原比例尺缩小到1/n；如果将测量仪与目标植株距离缩小到1/n，那么将原比例尺放大到n倍。

在本实施例中，测量植株的实际尺寸的步骤如下：

Step11.先调好移动终端2的放大倍数，确保能拍到植株的底端与顶端；

Step12.移动终端2对植株进行拍照，同时测量部件13对移动终端2距离地面的高度H、移动终端2与植株最高点之间的距离l、以及移动终端2拍照时的倾斜角度α等参数进行测量和计算，并将数据发送给移动终端2，移动终端2绑定照片与测量数据发送至云服务器；

Step13.服务器接收照片与测量数据，计算得到测量仪与目标植株的水平距离d＝l*cosα，调用内置比例尺函数F(d)，再利用d以及比例尺函数F(d)，通过计算图像中目标植株像素的个数计算植株的的主茎高度h和嫩芽弯曲部分的长度ht，将h与ht相加得出植株的实际高度x，并存入植株表型组数据库中。

优选的，为了得出更加精确的计算数值，下面对移动终端2距离地面的高度H，以及移动终端2与植株最高点之间的距离l的具体计算方法做如下详细分析。优选的，移动终端2距离地面的高度H等于测量部件13距离地面的高度H1加上移动终端2的镜头到测量部件13的高度H2，测量部件13距离地面的高度H1可通过测量杆11上标有的刻度进行测量，也可通过测距传感器进行测量，而移动终端2的镜头到测量部件13的高度H2则可通过测量部件13所测得的数据进行计算；移动终端2与植株最高点之间的距离l等于测量部件13与植株最高点之间的距离l1减去移动终端2到测量部件13的距离l2，测量部件13与植株最高点之间的距离l1可通过测距传感器进行测量，而移动终端2到测量部件13的距离l2则可通过测量部件13所测得的数据进行计算。

具体的，如图4所示，事先测得移动终端2的镜头到测量部件13的距离a，即AB之间的距离，则可通过计算得出移动终端2的镜头到测量部件13的高度H2，即AF之间的距离，H2＝a*cosα，得出移动终端2到测量部件13的距离l2，即BC之间的距离，l2＝H2*sinα＝a*sinα*cosα，则移动终端2距离地面的高度H＝测量部件13距离地面的高度H1+移动终端2的镜头到测量部件13的高度H2，移动终端2与植株最高点之间的距离l＝测量部件13与植株最高点之间的距离l1-移动终端2到测量部件13的距离l2。

实施例2：植株在直立状态下，移动终端2能拍到植株的顶端，但不能拍到植株的底端。

在密植田间植株的底端不可见，故在移动终端2拍照时只能拍到目标植株的顶端。由于植株的主茎高度h的像素点数未知，则无法通过实施例1中的方法测量植株的实际高度，在本实施例中利用测量仪所测得的数据计算植株的实际高度，具体步骤如下：

Step21.计算植株最高点距地面的距离，即，植株的主茎高度h。

在测量过程中，测量杆11始终与地面垂直，拍照时，将移动终端2作为一个质点，对准植株的最高点进行拍照，此时，移动终端2自身是否倾斜对计算出来的植株的主茎高度h无影响。根据测量部件13可测得移动终端2距离地面的高度H、移动终端2与植株最高点之间的距离l、以及移动终端2拍照时的倾斜角度α，则当植株底端与测量仪底端在同一水平高度时，如图5所示，植株的主茎高度h的计算可以简单地由直角三角形的勾股定理经过简单计算得出，即，植株的主茎高度h＝H-l*sinα。

当植株底端与测量仪底端不在同一水平高度时，可提前测得植株所在的倾斜平面与水平面之间的夹角为β，则可分为以下两种情况：

如图6所示，若植株底端所在位置比测量仪底端所在位置高，此时植株的主茎高度为：h＝H-l*sinα-l*cosα*tanβ；若植株底端所在位置比测量仪底端所在位置低，此时植株的主茎高度为：h＝H-l*sinα+l*cosα*tanβ。

Step22.根据测量部件13测得的数据，计算出测量仪与目标植株的水平距离d＝l*cosα，调用内置比例尺函数F(d)，通过计算图像中嫩芽所占的像素个数计算嫩芽弯曲部分的长度ht，最后将植株的主茎高度h与嫩芽弯曲部分的长度ht相加，即可得到植株的实际高度x。

实施例3：植株在倾斜状态下，移动终端2能拍到植株的顶端，但不能拍到植株的底端。

在本实施中，由于植株为倾斜的状态，无法调节测量仪与植株相平行，因此无法采用上述方法测量植株的实际高度，但在本实施例中仍可利用测量仪所测得的数据计算植株的实际高度，具体步骤如下：

Step31.将植株倾斜的方向朝向测量仪，将测量仪竖直固定在地面上，调节测量仪的高度，使得测量仪恰好能拍到植株的顶端，并且，将测量部件13与植株的主茎高度h设置在同一条直线上，则在拍照时，将移动终端2作为一个质点，使得植株的主茎高度h在照片中尽可能呈现为一个点，此时，测量仪测量的角度大约可以为植株的倾斜角度，即为移动终端2拍照时的倾斜角度α，测量部件13可测得移动终端2距离地面的高度H、以及移动终端2与植株最高点之间的距离l，则当植株底端与测量仪底端在同一水平高度时，如图7所示，可计算出植株的主茎高度h＝H/sinα-l。

当植株底端与测量仪底端不在同一水平高度时，可提前测得植株所在的倾斜平面与水平面之间的夹角为β，则可分为以下两种情况：

如图8所示，若植株底端所在位置比测量仪底端所在位置高，此时植株的主茎高度为：h＝H/(sinα+cosαtanβ)-l；若植株底端所在位置比测量仪底端所在位置低，此时植株的主茎高度为：h＝H/(sinα-cosαtanβ)-l。

Step32.根据测量部件13测得的数据，计算出测量仪与目标植株的水平距离d＝l*cosα，调用内置比例尺函数F(d)，通过计算图像中嫩芽所占的像素个数计算嫩芽弯曲部分的长度ht，最后将植株的主茎高度h与嫩芽弯曲部分的长度ht相加，即可得到植株的实际高度x。

从上述算法可以看出，比例尺函数F(d)算法的精度是计算植株实际高度，获得表型数据精度的基础。

利用植株的照片识别嫩芽弯曲部分的长度ht所对应的像素点通过以下算法步骤实现：

S1：利用object-detection，即目标检测锁定植株的最高点与植株的最顶端，具体的，可通过三个主流模型来实现，依次为faster-rcnn、ssd、yolo，在本实用新型中，需要采用实时图像处理，故放弃处理较慢的faster-rcnn，而选择ssd和yolo做为detector；

S2：将原图像分为RGB色彩模式三通道，并去G通道作为其对应灰度图像；

S3：将图像做二值化处理，并根据二值化后的图像，利用步骤S1获得的植株的最高点与植株的最顶端进行搜索，计算出相应像素点，并根据比例尺得出嫩芽弯曲部分的长度ht，完成对嫩芽弯曲部分的长度的计算。

以上对本实用新型的具体实施方式进行了详细介绍，对于本技术领域的技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以对本实用新型进行若干修饰和改进，这些修饰和改进也都属于本实用新型权利要求的保护范围。

Claims (4)

1.一种便携式远距离植株尺寸测量仪，其特征在于：

包括测量装置(1)和移动终端(2)，所述移动终端(2)固定连接在所述测量装置(1)上，并可对植株进行拍照，所述测量装置(1)可在拍照时测量所述移动终端(2)与植株的相关数据，并将测量的数据传输至所述移动终端(2)内；

所述测量装置(1)包括测量杆(11)、测量部件(13)和支撑架(14)，所述测量杆(11)的一端设有锥形的尖部结构，用于将所述测量杆(11)固定在地面上，另一端固定连接有所述测量部件(13)，所述测量部件(13)用于测量所述移动终端(2)与植株的相关数据，所述支撑架(14)固定连接在所述测量部件(13)之上，用于固定拍照的所述移动终端(2)。

2.根据权利要求1所述的一种便携式远距离植株尺寸测量仪，其特征在于，所述测量部件(13)包括微控制器、采集单元、电源单元和通信单元，所述电源单元的输出端与所述微控制器的输入端之间为电连接，所述移动终端(2)通过所述电源单元为所述测量部件(13)内部供电；所述采集单元与所述微控制器之间电连接，所述采集单元用于测量各种数据，包括所述移动终端(2)距离地面的高度、所述移动终端(2)与植株最高点之间的距离、以及所述移动终端(2)拍照时的倾斜角度的数据，并将数据传输至所述微控制器；所述微控制器的输出端与所述通信单元的输入端为电连接，所述微控制器通过所述通信单元将数据传输至所述移动终端(2)。

3.根据权利要求1所述的一种便携式远距离植株尺寸测量仪，其特征在于，所述测量装置(1)包括万向节(12)，所述万向节(12)设置于所述测量杆(11)和所述测量部件(13)之间，可调整所述移动终端(2)拍照时的拍摄角度。

4.根据权利要求1所述的一种便携式远距离植株尺寸测量仪，其特征在于，所述测量装置(1)包括数据线(15)，所述数据线(15)的两端分别与所述测量部件(13)和所述移动终端(2)相连，所述移动终端(2)用于给所述测量部件(13)供电，所述测量部件(13)将测量到的数据传输至所述移动终端(2)。

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