CN214622342U - 植物表型测量系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型实施例提供一种植物表型测量系统，该系统包括：矩形框架、轨道运行小车、光电吊舱、伸缩机械臂和支撑杆；所述矩形框架通过与地面垂直的支撑杆支撑，矩形框架水平设置在植物的上方；所述轨道运行小车架设在矩形框架的两条平行的边框上，通过设置在两条平行边框的运动轮，与两条边框平行的往复运动；所述伸缩机械臂可伸缩移动的固定在所述轨道运行小车上，所述伸缩机械臂的末端与光电吊舱固定连接；所述光电吊舱包括吊舱箱体，所述吊舱箱体固定有植物表型测量装置。该系统无需人为测量，大大减少了测量人员的工作量和测量难度，具有长时间不间断监测作业的能力，为田间作物表型的高通量精确测定提供了技术支持。

Description

植物表型测量系统

技术领域

本实用新型涉及农业信息化领域，尤其涉及一种植物表型测量系统。

背景技术

近年来，植物表型组学成为国内外的研究热点。如何快速、准确、高效解析植物表型性状，成为了植物长势长相监测与诊断，遗传育种的辅助与筛选，及作物精准化管理等研究和应用的关键环节。因作物育种科研及生产中作物面积较大，作物生长全生育期需连续观测，高效率、高精度的作物表型信息的获取仍是作物生产与科研中亟待解决的问题。

目前，常用的车测量方式为：(1)以人工测量为主，即通过直尺、量角器等工具对目标群体内的植株进行测量记录，该方法主要是测量效率低，人工工作量大，难以满足大面积作物表型信息的连续监测；(2)遥感反演方法：为了解决大面积作物表型连续监测，通过卫星遥感或利用无人机获取遥感影像，通过高分辨率影像、多光谱影像、高光谱影像进行遥感反演，从而实现大面积作物表型信息的连续监测，但这种通过遥感及光谱模型反演的方法误差较大，无法满足作物表型指标获取的精度。

因此，目前在田间作物表型参数高通量获取方面尚没有方便实用的测量设备。

实用新型内容

为了解决上述问题，本实用新型实施例提供一种植物表型测量系统。

本实用新型实施例提供一种植物表型测量系统，包括：矩形框架、轨道运行小车、光电吊舱、伸缩机械臂和支撑杆；所述矩形框架通过与地面垂直的支撑杆支撑，矩形框架水平设置在植物的上方；所述轨道运行小车架设在矩形框架的两条平行的边框上，通过设置在两条平行边框的运动轮，与两条边框平行的往复运动；所述伸缩机械臂可伸缩移动的固定在所述轨道运行小车上，所述伸缩机械臂的末端与光电吊舱固定连接；所述光电吊舱包括吊舱箱体，所述吊舱箱体固定有植物表型测量装置。

进一步地，所述植物表型测量装置包括深度相机、多光谱相机和三维激光雷达中的任意一种或多种。

进一步地，所述吊舱箱体还固定有热红外传感器，所述热红外传感器用于冠层温度检测。

进一步地，所述支撑杆均设有高度调节机构，通过高度调节机构，调整矩形框架的高度。

进一步地，所述吊舱箱体还设有存储模块，所述存储模块与所述植物表型测量装置连接，用于存储所述植物表型测量装置采集的数据。

进一步地，所述吊舱箱体还设有无线通信模块，用于将所述植物表型测量装置采集到的植物表型信息，发送至地面站终端。

进一步地，所述地面站终端还用于通过所述通信模块，向所述伸缩机械臂和所述轨道运行小车发送控制信息。

本实用新型实施例提供的植物表型测量系统，利用机械臂灵活便于操作的优点，由伸缩机械臂控制光电吊舱，通过植物表型测量装置获取作物群体的影像、三维点云、多光谱等数据，从而分析得到作物群体地上部位的表型信息。该系统无需人为测量，大大减少了测量人员的工作量和测量难度，固定设置于植物上方，具有长时间不间断监测作业的能力。机械臂灵活便于操作的优点，能够通过植物表型测量装置，测量田间作物群体的株高和任意高度处直径、茎叶夹角等表型信息，为田间作物表型的高通量精确测定提供了技术支持。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型实施例提供的植物表型测量系统结构图；

附图标记说明：1.支撑杆；2.矩形框架；3.轨道运行小车；4.伸缩机械臂； 5.光电吊舱。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

图1为本实用新型实施例提供的植物表型测量系统结构图，如图1所示，本实用新型实施例提供一种植物表型测量系统，包括：矩形框架2、轨道运行小车3、光电吊舱5、伸缩机械臂4、支撑杆1；所述矩形框架2通过与地面垂直的支撑杆1支撑，矩形框架2水平设置在植物的上方；所述轨道运行小车3架设在矩形框架2的两条平行的边框上，通过设在两条平行边框的运动轮，与两条边框平行的往复运动；所述伸缩机械臂4可伸缩移动的固定在所述轨道运行小车3上，所述伸缩机械臂4的末端固与光电吊舱5固定连接；所述光电吊舱5包括吊舱箱体，所述吊舱箱体固定有植物表型测量装置。

支撑杆1可固定于地面，矩形框架2用于架设轨道运行小车3的两条平行边框，两条平行边框作为轨道运行小车3的轨道。伸缩机械臂4为可伸缩式，并可多角度旋转。伸缩机械臂4下端固定连接光电吊舱5，根据不同作物、不同生育时期可通过伸缩机械臂4调整光电吊舱5的高度。伸缩机械臂 4，结合轨道运行小车3的运动，能够将光电吊舱5移动到预设位置处。伸缩机械臂4平时可完全收缩后与田间轨道平台分离便于运输携带。

需要说明的是，伸缩机械臂4和轨道运行小车3的运动和控制，基于现有的控制技术实现。结合轨道运行小车3的运动，可伸缩机械臂4可以将光电吊舱5伸缩到田间作物的任意位置，不受冠层遮挡的影响，能够精确的获取作物的表型参数，且冠层以下的表型信息也可以获取到。

通过配置高精度位移传感器模块，可实现田间作物的高精度定位监测，从而实现对每株作物的定株化管理，自动的去获取田间作物的表型参数。

确定拟测量的目标作物群体，在完成播种后，作物生长的全生育期可随时利用该植物表型测量系统通过机械臂4控制光电吊舱5获取田间目标群体的表型参数。

例如，茎叶夹角测量：通过伸缩机械臂4控制光电吊舱5，使得植物表型测量装置，如高清相机，获取植株叶片的侧面影像，通过图像后处理得到叶片的茎叶夹角。

本实用新型实施例提供的植物表型测量系统，利用机械臂灵活便于操作的优点，由伸缩机械臂控制光电吊舱，通过植物表型测量装置获取作物群体的影像、三维点云、多光谱等数据，从而分析得到作物群体地上部位的表型信息。该系统无需人为测量，大大减少了测量人员的工作量和测量难度，固定设置于植物上方，具有长时间不间断监测作业的能力。机械臂灵活便于操作的优点，能够通过植物表型测量装置，测量田间作物群体的株高和任意高度处直径、茎叶夹角等表型信息，为田间作物表型的高通量精确测定提供了技术支持。

基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，植物表型测量装置包括深度相机、多光谱相机、三维激光雷达中的任意一种或多种。

结合可伸缩式机械臂4及集成化光电吊舱5，利用深度相机、多光谱相机、三维激光雷等现高精度设备，获取高分辨率影像、多光谱影像和三维点云数据，实现田间大面积作物表型信息的高精度、高效率、连续、原位监测。通过多源数据的融合分析能够有效地提高图像数据信息挖掘的准确性。

当设置有三维激光雷达时，可利用该植物表型测量系统控制光电吊舱获取作物群体的冠层影像数据及点云数据，并通过植物表型测量系统挂载伸缩机械臂4控制光电吊舱5伸入目标区域的冠层下获取作物不同位置的影像及点云数据。此外，本系统的部分应用场景如下。

植被覆盖度测量：通过伸缩机械臂4控制光电吊舱5获取作物群体冠层影像及点云数据，从而构建大田冠层的二维正交拼接影像和三维点云，提取三维图像的作物植被部分，并分离植被与土壤背景，再用植被像素计算植被覆盖度。

氮素反演：通过伸缩机械臂4控制光电吊舱5获取作物群体的影像、点云、多光谱数据，基于区域大田的高程模型重建，随其在垂直方向分布情况可以实现植被归一化指数在地上部空间的变异性分析，进而监测地上部的氮素分布及转移情况，为高效基因育种工程、优化大田种植管理模式下提供技术支撑。

光分布模拟：通过伸缩机械臂4控制光电吊舱5获取作物群体冠层影像及点云数据，将大田环境下的作物三维结构重建与光分布模型相耦合用于区域冠层光分布的模拟。

归一化植被指数值(NDVI值)提取：通过伸缩机械臂4控制光电吊舱5 获取田间作物冠层及冠层下的多光谱数据，对数据进行反射率校正及正射影像拼接，由近红外波段和红波波段处的反射率值的归一化比率计算而得到 NDVI值，从而实现大田环境下不同作物全生育期NDVI的定量化分析。

通过伸缩机械臂4控制光电吊舱5获取作物群体冠层影像及点云数据，重建植株叶片的曲面结构，进一步提取作物各个生育期的叶面积指数，进而可以分析不同生育期生物量积累与最终产量的关系。

基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，所述吊舱箱体还固定有热红外传感器。

热红外传感器可用于冠层温度监测，通过伸缩机械臂4控制光电吊舱5 获取作物群体冠层热红外影像，进而研究作物的水分亏缺状况，抗旱性等生理性状。

基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，支撑杆1均设有高度调节机构，通过高度调节机构，调整矩形框架2的高度。

考虑到某些作物生长到后期，由于高度问题，伸缩机械臂运动受限，存在无法获取作物顶部数据的情况。本实施例中，每一支撑杆1均设有高度调节机构，可调节支撑杆1的高度。通过支撑杆的高度调节，从而实现矩形框架2的高度调整，有利于在植物的全生长周期进行监测。

基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，所述吊舱箱体还设有存储模块，所述存储模块与所述植物表型测量装置连接，用于存储所述植物表型测量装置采集的数据。

表型数据获取后，可通过存储模块将获取的数据进行存储，如上述的高分辨率影像、多光谱影像和三维点云数据。通过存储所述植物表型测量装置采集的数据，有利于后续的数据分析。

基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，所述吊舱箱体还固定有无线通信模块，用于将所述植物表型测量装置采集到的植物表型信息，发送至地面站终端。

地面终端站可以是一个服务器，用于表型数据的分析，通过无线通信模块，将采集到的植物表型信息发送到地面终端站，能够实现数据采集和数据分析。无线通信模块可以选用APC220无线数据传输模块。通过无线通信模块，将采集到的植物表型信息发送至地面站终端，有利于数据的分析处理。

基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，地面站终端还用于通过所述通信模块，向所述伸缩机械臂4和所述轨道运行小车3发送控制信息。

可在吊舱箱体内设置控制系统，控制系统包括处理器、小车控制单元和伸缩机械臂控制单元，处理器分别和小车控制单元、伸缩机械臂控制单元、无线通信模块连接。无线通信模块接收地面站终端的控制数据，发送给处理器后，处理器向小车控制单元、伸缩机械臂控制单元发送解析后的控制信号，小车控制单元、伸缩机械臂控制单元分别控制轨道运行小车3和伸缩机械臂 4运动到指定的位置，光电吊舱5随伸缩机械臂4的运动到达相应指定位置，从而实现相应位置的表型数据获取。

另外，处理器也可与深度相机、多光谱相机、三维激光雷达和热红外传感器等植物表型测量装置连接，用于控制相应的数据获取。处理器还可与上述存储模块连接，控制存储模块存储所获取的深度图像、多光谱影像、热红外影像、高分辨率影像、激光扫描点云数据。需要说明的是，处理器的各控制实现为现有技术。

株高测量：通过地面站终端规划路径遥控植物表型测量系统执行任务，自动测定每株作物的坐标，伸缩机械臂4控制光电吊舱5到作物冠层顶部自动测量离地面高度，并同时发出信号，地面站终端通过接收信号得到目标作物高h。

任意直径测量：伸缩机械臂4控制光电吊舱5在植株任意位置处测的同一高度平面上植株表面的四点坐标，运用已知三点坐标可以确定圆的理论依据，利用最小二乘原理推出计算该高度处植株直径的计算公式，可求得植株任意点的直径。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (7)

1.一种植物表型测量系统，其特征在于，包括：矩形框架、轨道运行小车、光电吊舱、伸缩机械臂和支撑杆；

所述矩形框架通过与地面垂直的支撑杆支撑，矩形框架水平设置在植物的上方；

所述轨道运行小车架设在矩形框架的两条平行的边框上，通过设置在两条平行边框的运动轮，与两条边框平行的往复运动；

所述伸缩机械臂可伸缩移动的固定在所述轨道运行小车上，所述伸缩机械臂的末端与光电吊舱固定连接；

所述光电吊舱包括吊舱箱体，所述吊舱箱体固定有植物表型测量装置。

2.根据权利要求1所述的植物表型测量系统，其特征在于，所述植物表型测量装置包括深度相机、多光谱相机和三维激光雷达中的任意一种或多种。

3.根据权利要求1所述的植物表型测量系统，其特征在于，所述吊舱箱体还固定有热红外传感器，所述热红外传感器用于冠层温度检测。

4.根据权利要求1所述的植物表型测量系统，其特征在于，所述支撑杆均设有高度调节机构，通过高度调节机构，调整矩形框架的高度。

5.根据权利要求1所述的植物表型测量系统，其特征在于，所述吊舱箱体还设有存储模块，所述存储模块与所述植物表型测量装置连接，用于存储所述植物表型测量装置采集的数据。

6.根据权利要求1-5任一项所述的植物表型测量系统，其特征在于，所述吊舱箱体还设有无线通信模块，用于将所述植物表型测量装置采集到的植物表型信息，发送至地面站终端。

7.根据权利要求6所述的植物表型测量系统，其特征在于，所述地面站终端还用于通过所述通信模块，向所述伸缩机械臂和所述轨道运行小车发送控制信息。

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