CN220568168U - 一种多元传感表型数据采集系统 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种多元传感表型数据采集系统，其通过吊装连接臂将采集舱悬吊于轨道上，利用轨道在田间或大棚中移动实现对植物表型的高效采集。本申请在采集舱中集成设置有：激光激光雷达装置、多多光谱传感装置、热红外成像传感装置及RGB图像传感装置等表型传感装置。该设备可在一次扫描过程中同时采集、植物的三维点云、光谱反射率及热红外辐射图像等数据，能够用来快速反演植物的三维形态表型、植被指数、植株颜色和纹理参数以及植株温度、蒸腾等表型指标，帮助科学家进行与植物生长、营养和生理状况等相关形态生理指标的快速提取。本申请所提供的集成式多元传感系统为采集田间作物多元表型数据提供了高通量的技术解决方案。

Description

一种多元传感表型数据采集系统

技术领域

本申请涉及植物表型采集技术领域，尤其涉及一种用于植物的多元传感表型数据采集系统。

背景技术

现有传感器一般集成度低，可采集的作物表型数据类型单一、采集效率低下。作物高产、稳产特性的形成一般由株高、叶面积、叶绿素含量、光合速率等多个形态及生理性状共同决定，现有单一传感器虽一定程度上满足了作物表型观测的需求，但往往只能采集植株部分表型数据，无法满足对植株各类形态及生理性状同时监测的需求。虽可通过多类不同传感器轮流采集的方式进行多元数据采集，但在田间存在较大试验群体及种质材料时，各类不同传感器的更换会造成大量的时间浪费，严重阻碍同一时刻下各类植株表型性状的全方位动态追踪，难以满足育种工作对成百上千个群体表型性状的高时序、全方位的同步精细观测的需求。

实用新型内容

为了解决现有技术存在的不足，本申请的目的在于提供一种多元传感表型数据采集系统。本申请通过轨道吊装采集舱，可在轨道运行过程中利用集成于采集舱内的多种传感器，同步采集植株三维立体点云数据、植株RGB图像、多波段光谱图像以及热红外图像，实现植株冠层乃至器官尺度的株高动态、叶色变化、开花过程以及植株生理变化等关键性状的动态高效采集，有效提高作物多元表型数据采集的效率。

为实现上述目的，本申请提供的多元传感表型数据采集系统，其包括：采集舱，其内部中空，其底板上设置有若干采集孔；吊装连接臂，其固定设置在采集舱顶部，所述吊装连接臂连接在轨道上，带动采集舱沿轨道移动；采集舱内布置有以下任一表型传感装置或以下任意表型传感装置的组合：热红外成像装置、RGB图像传感装置、激光雷达装置、多光谱传感装置，各表型传感装置分别固定于各采集孔上方。

可选的，如上任一所述的多元传感表型数据采集系统，其中，所述激光雷达装置为激光雷达，其布置于采集舱底板的中间位置，安装于纵向贯穿底板设置的激光采集孔的上方。

可选的，如上任一所述的多元传感表型数据采集系统，其中，所述热红外成像装置为热成像传感器，其布置于激光雷达装置的一侧，安装于底板中开设于激光采集孔前端的热红外成像相机采集孔的上方。

可选的，如上任一所述的多元传感表型数据采集系统，其中，所述RGB图像传感装置包括：RGB高清单反相机和RGB工业相机。

可选的，如上任一所述的多元传感表型数据采集系统，其中，RGB高清单反相机和RGB工业相机均布置于激光雷达装置的一侧，RGB高清单反相机和RGB工业相机分别安装于底板中开设于热红外成像相机采集孔左右两侧的两个RGB采集孔的上方。

可选的，如上任一所述的多元传感表型数据采集系统，其中，所述多光谱传感装置为十通道多光谱传感器，其布置于激光雷达装置的另一侧，安装于底板中开设于激光采集孔后侧的多光谱采集孔的上方。

可选的，如上任一所述的多元传感表型数据采集系统，其中，采集舱的前后舱壁分别在接近底板的位置设置有向内倾斜的弯折板，所述弯折板上开设有通风孔，所述通风孔内安装有散热风扇。

可选的，如上任一所述的多元传感表型数据采集系统，其中，采集舱中还在多光谱传感装置上方安装有工控机。

可选的，如上任一所述的多元传感表型数据采集系统，其中，热红外成像装置和RGB图像传感装置的上方还安装有集成电源，工控机以及各表型传感装置均分别与所述集成电源电连接。

可选的，如上任一所述的多元传感表型数据采集系统，其中，所述采集舱的顶部还分别在前、后舱壁的顶部安装有天线和电路接口，天线和电路接口分别与工控机电连接。

本申请和现有方案相比具有如下技术效果:

本申请所提供的多元传感表型数据采集系统，其通过吊装连接臂将采集舱悬吊于轨道上，利用轨道在田间或大棚中移动实现对植物表型的高效采集。本申请在采集舱中集成设置有：激光雷达装置、多光谱传感装置、热红外成像传感装置及RGB图像传感装置等表型传感装置。该设备可在一次扫描过程中同时采集、植物的三维点云、光谱反射率及热红外辐射图像等数据，能够用来快速反演植物的三维形态表型、植被指数、植株颜色和纹理参数以及植株温度、蒸腾等表型指标，帮助科学家进行与植物生长、营养和生理状况等相关形态生理指标的快速提取。本申请所提供的集成式多元传感系统为采集田间作物多元表型数据提供了高通量的技术解决方案。

本申请的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本申请而了解。

附图说明

附图用来提供对本申请的进一步理解，并且构成说明书的一部分，并与本申请的实施例一起，用于解释本申请，并不构成对本申请的限制。在附图中：

图1为根据本申请的多元传感表型数据采集系统的整体外形结构示意图；

图2为本申请的多元传感表型数据采集系统内部电气部件的安装方式示意图；

图3为本申请的多元传感表型数据采集系统内部另一侧的剖视图；

图4为本申请的多元传感表型数据采集系统底部结构示意图。

图中，1表示采集舱；2表示吊装连接臂；3表示底板；4表示舱壁；5表示激光雷达装置；50表示激光采集孔；6表示多光谱传感装置；60表示多光谱采集孔；7表示图像传感装置；70表示RGB采集孔；71表示RGB高清单反相机；72表示RGB工业相机；8表示热红外成像装置；80表示热红外成像相机采集孔；9表示散热风扇；90表示通风孔；10表示工控机；11表示集成电源；12表示天线；13表示电路接口。

具体实施方式

以下结合附图对本申请的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本申请，并不用于限定本申请。

本申请中所述的“内、外”的含义指的是相对于采集舱本身而言，由轨道指向采集舱内部工控机的方向为内，反之为外；而非对本申请的装置机构的特定限定。

本申请中所述的“左、右”的含义指的是使用者采集舱前侧时，使用者的左边即为左，使用者的右边即为右，而非对本申请的装置机构的特定限定。

本申请中所述的“连接”的含义可以是部件之间的直接连接也可以是部件间通过其它部件的间接连接。

本申请中所述的“上、下”的含义指的是使用者正对吊装状态的采集舱时，由底板指向吊装连接臂的方向即为上，反之即为下，而非对本申请的装置机构的特定限定。

本申请中所述的“前、后”的含义指的是相对于采集舱本身而言，由热红外成像相机采集孔指向多光谱采集孔的方向即为后，反之即为前，而非对本申请的装置机构的特定限定。

本申请所提供的多元传感表型数据采集系统，其包括图1所示的：

采集舱1，其由底板3、顶盖、前后两端的舱壁4以及左右两侧的侧板合围形成，采集舱1内部中空，并在底板3上设置有若干采集孔；

吊装连接臂2，其固定设置在采集舱1顶部的顶盖上，所述吊装连接臂2连接在轨道上，能够带动采集舱1沿轨道移动；

采集舱1内布置有以下任一表型传感装置或以下任意表型传感装置的组合：

热红外成像装置8、RGB图像传感装置7、激光雷达装置5、多光谱传感装置6，为方便各传感装置采集表型信号，本申请还分别在底板3上开设有采集孔，以便将各表型传感装置分别固定于其所对应的采集孔上方，通过采集孔接收表型传感信号，在采集舱沿轨道运行的过程中扫描获取田间各植物的表型数据。

参照图2及图3所示，具体而言，本申请的激光雷达装置5可采用激光雷达，在一些采集场景中可直接选择外购FARO品牌的激光雷达，将其布置于采集舱底板3的中间位置，并相应在采集舱底板3的中间沿轨道方向开设一道长条形采集孔作为激光采集孔50，将激光雷达安装于纵向贯穿底板3的激光采集孔50上方即可实现装配。

在一些实现方式下，本申请的热红外成像装置8可直接选择为热成像传感器，例如，在一些表型数据采集场景中可直接选择外购美国FLIR公司的热成像传感器作为热红外成像装置8。热成像传感器可布置于激光雷达装置5的一侧，并配合于热成像传感器的安装位置相应在底板中开设采集孔作为激光采集孔50。将热成像传感器安装于底板3中热红外成像相机采集孔80的上方即可透过热红外成像相机采集孔80有效捕获下方植物的“体温”表型。一般，热红外成像装置8可布置于激光雷达装置5的前方，相应的，热红外成像相机采集孔80也可相应地布置在激光采集孔50的前端。

在一些实现方式下，本申请的RGB图像传感装置7可同时选用RGB高清单反相机71和RGB工业相机72，也可根据需要择一使用。当同时采用RGB高清单反相机71和RGB工业相机72采集高清植物外在表型时，可将RGB高清单反相机71和RGB工业相机72共同布置于激光雷达装置5的前方，分别安装于热红外成像装置8的左右两侧。配合于RGB高清单反相机71和RGB工业相机72的安装位置，可相应在底板3前侧开设两个RGB采集孔70，并将RGB采集孔70分别设置于热红外成像相机采集孔80的左右两侧。由此，将RGB高清单反相机71和RGB工业相机72分别安装至RGB采集孔70上方即可实现对植物外在表型的高清采集。同时设置两组RGB图像传感装置可利用RGB高清单反相机71自动对焦、自动曝光的技术获得更高像素的高质量表型图像，利用RGB工业相机72获得更稳定的图像采集效果。在一些表型数据采集场景中RGB高清单反相机71可选择佳能M6，RGB工业相机72可选择海康的RGB工业相机。

在一些实现方式下，本申请的多光谱传感装置6可选择十通道多光谱传感器。其可布置于激光雷达装置5的另一侧，比如，安装于底板3后侧，以深入探测植物内在生理表型。在一些表型数据采集场景中，十通道多光谱传感器可外购美国MicaSense品牌的RedEdge-MX-Dual。多光谱采集孔60可配合十通道多光谱传感器的采集端相信开设在激光采集孔50后侧，将十通道多光谱传感器安装于多光谱采集孔60上方即可通过多光谱采集孔60实现对植物光谱信息的有效采集和识别分析。

参考图1以及图4，为避免采集舱1内个设备运行温度过高影响系统稳定性，本申请可将采集舱1的前后舱壁4分别为在接近底板3的位置具有向内倾斜的弯折板结构。由此，可避开底板上个设备单独在所述弯折板上开设有通风孔90，并通过在通风孔90内安装散热风扇9实现对舱内设备的降温。

一般，考虑到采集舱1中十通道多光谱传感器硬件高度较低，因此可进一步还在多光谱传感装置6上方吊装相应的工控机10，以实现对散热风扇9、热红外成像装置8、RGB图像传感装置7、多光谱传感装置6、激光雷达装置5等的控制。

为尽可能压缩采集舱1结构，本申请还可利用热红外成像装置8和RGB图像传感装置7上方的空间，在采集舱1顶盖下安装相应的集成电源11。AD5522JSVDZ或其他适配于本申请内部各设备电压需求的集成电源11均可用于本机。集成电源11可通过供电线路连接GM-1000等工控机10以及各表型传感装置，分别为工控机及各类表型传感装置供电。集成电源可通过采集舱1的顶部后侧的电路接口13接收馈电，用来给多个不同的传感器同时供电，减少各传感装置所配套的独立电源适配器对舱内空间的占用。

本申请的工控机还可采用英特尔的i7-7700，32g内存，2T固态硬盘，以提升整机性能。

采集舱1的顶部的电路接口13具体可包括：用于为集成电源11馈电的电源接口，用于拷取表型数据的USB接口，与工控机或相应表型传感设备通讯连接实现数据传输的网口，电源开关以及用于连接外接屏幕查看工控机内存数据的HDMI接口。

本申请还可在采集舱1前舱壁4的顶部安装天线12，天线12同样可与工控机10电连接。由此，本申请的系统可通过网口所接网线实现有线控制，也可通过天线接收无线控制信号实现无线控制。

在较为优选的实现方式下，本申请还可在采集舱1左侧或右侧的侧板上设置可拆卸门板。可拆卸门板的安装位置优选正对FARO雷达的控制屏，可方便维护人员单独通过控制屏去操作雷达。

本申请的优势在于：

本申请集成多元传感器系统，可通过内置或外接的表型分析系统、表型融合系统、表型信息处理芯片、田间作物表型监测平台，实现连续、高通量的表型采集和分析。本申请的系统适用于对田间作物生长周期的监测，能够实时获取植物生长、营养与生理状况等的表型特征和生理参数，具有高通量、可实时分析田间作物表型数据的特征。本申请的系统能够有效解决传统表型传感技术单次采集功能单一性、难以统一控制以及后期数据处理繁杂的困境，本申请可有效替代人工手动检测作物性状样本，能够克服现有田间表型检测手段样本量小、检测采样效率低、难以开展植物多种性状综合分析以及易受人为误差因素影响导致测量数据误差的缺陷。此外，本申请相对于搭载与无人机平台上的表型采集终端，还可进一步有效解决无人机遥感技术受环境变化(光线、风速等)和飞行参数(高度、速度等)等采集因素影响而造成的、难以进行精确监测田间作物生长周期内表型特征和生理参数的难题。

本申请的采集舱内集成多元传感器，能够通过工控机实现各表型传感装置的模块化控制和标准化信息传输，在采集舱沿轨道移动的过程中自动采集作物表型，生成多线程、多通道表型图像。

本领域普通技术人员可以理解：以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例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。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种多元传感表型数据采集系统，其特征在于，包括：

采集舱(1)，其内部中空，其底板(3)上设置有若干采集孔；

吊装连接臂(2)，其固定设置在采集舱(1)顶部，所述吊装连接臂(2)连接在轨道上，带动采集舱(1)沿轨道移动；

采集舱(1)内布置有以下任一表型传感装置或以下任意表型传感装置的组合：

热红外成像装置(8)、RGB图像传感装置(7)、激光雷达装置(5)、多光谱传感装置(6)，各表型传感装置分别固定于各采集孔上方。

2.如权利要求1所述的多元传感表型数据采集系统，其特征在于，所述激光雷达装置(5)为激光雷达，其布置于采集舱底板(3)的中间位置，安装于纵向贯穿底板(3)设置的激光采集孔(50)的上方。

3.如权利要求2所述的多元传感表型数据采集系统，其特征在于，所述热红外成像装置(8)为热成像传感器，其布置于激光雷达装置(5)的一侧，安装于底板(3)中开设于激光采集孔(50)前端的热红外成像相机采集孔(80)的上方。

4.如权利要求3所述的多元传感表型数据采集系统，其特征在于，所述RGB图像传感装置(7)包括：RGB高清单反相机(71)和RGB工业相机(72)。

5.如权利要求4所述的多元传感表型数据采集系统，其特征在于，RGB高清单反相机(71)和RGB工业相机(72)均布置于激光雷达装置(5)的一侧，RGB高清单反相机(71)和RGB工业相机(72)分别安装于底板(3)中开设于热红外成像相机采集孔(80)左右两侧的两个RGB采集孔(70)的上方。

6.如权利要求3所述的多元传感表型数据采集系统，其特征在于，所述多光谱传感装置(6)为十通道多光谱传感器，其布置于激光雷达装置(5)的另一侧，安装于底板(3)中开设于激光采集孔(50)后侧的多光谱采集孔(60)的上方。

7.如权利要求1所述的多元传感表型数据采集系统，其特征在于，采集舱(1)的前后舱壁(4)分别在接近底板(3)的位置设置有向内倾斜的弯折板，所述弯折板上开设有通风孔(90)，所述通风孔(90)内安装有散热风扇(9)。

8.如权利要求6所述的多元传感表型数据采集系统，其特征在于，采集舱(1)中还在多光谱传感装置(6)上方安装有工控机(10)。

9.如权利要求8所述的多元传感表型数据采集系统，其特征在于，热红外成像装置(8)和RGB图像传感装置(7)的上方还安装有集成电源(11)，工控机(10)以及各表型传感装置均分别与所述集成电源(11)电连接。

10.如权利要求8所述的多元传感表型数据采集系统，其特征在于，所述采集舱(1)的顶部还分别在前、后舱壁(4)的顶部安装有天线(12)和电路接口(13)，天线(12)和电路接口(13)分别与工控机(10)电连接。