基于情景感知的作物冠層圖像采集裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及作物生長(zhǎng)監(jiān)測(cè)、圖像采集等技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種基于情景感知的作物冠層圖像采集裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]作物冠層信息(包括覆蓋度、綠度、葉面積等)可以綜合反映作物生長(zhǎng)期內(nèi)動(dòng)態(tài)變化和表征作物生長(zhǎng)狀況，是數(shù)字農(nóng)業(yè)中作物長(zhǎng)勢(shì)監(jiān)測(cè)的重要內(nèi)容之一。
[0003]目前，數(shù)字農(nóng)業(yè)研究和應(yīng)用得到蓬勃發(fā)展，作物長(zhǎng)勢(shì)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)作為數(shù)字農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的一個(gè)重要方向，得到了研究人員的高度重視，而伴隨著計(jì)算機(jī)視覺(jué)和圖形圖像處理技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字圖像采集產(chǎn)品逐漸應(yīng)用到作物生長(zhǎng)過(guò)程監(jiān)測(cè)中，研究人員從多個(gè)角度、多個(gè)層次、多種作物進(jìn)行了大量的嘗試。
[0004]1987年，邁爾(Mayer)等研制了一個(gè)基于數(shù)字圖像的作物長(zhǎng)勢(shì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，采用無(wú)損方式獲取了作物葉面積、莖桿直徑、葉柄夾角等長(zhǎng)勢(shì)參數(shù)。
[0005]1996年，卡薩迪(Casady)等應(yīng)用計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)提取了水稻長(zhǎng)勢(shì)信息，通過(guò)二值化圖像處理提取了水稻高度、寬度和葉面積等指標(biāo)。
[0006]清水(Shimizu)和海恩斯(Heins)開(kāi)發(fā)了基于作物長(zhǎng)勢(shì)分析的計(jì)算機(jī)視覺(jué)系統(tǒng)，用帶有紅外功能的CCD攝像機(jī)分別采集光照條件和黑暗條件下的作物圖像，以此來(lái)分析作物在光照和黑暗條件下的長(zhǎng)勢(shì)變化。
[0007]賀東仙等基于雙目立體視覺(jué)技術(shù)，對(duì)穴盤(pán)中的甘薯幼苗進(jìn)行了株高、葉冠投影面積和生物量的測(cè)定。
[0008]2006年，雷詠雯等采用數(shù)碼相機(jī)獲取了棉花不同生育期的冠層圖像，分析了棉花不同生育期的地面覆蓋度與生物學(xué)產(chǎn)量、葉面積指數(shù)間的關(guān)系。
[0009]吳雪梅和張彥娥等采用數(shù)字圖像分析技術(shù)對(duì)番茄葉片的缺氮特征進(jìn)行了研究。
[0010]紀(jì)壽文等利用數(shù)字圖像處理技術(shù)對(duì)玉米苗期的雜草進(jìn)行了研究，根據(jù)投影面積、葉寬、葉長(zhǎng)識(shí)別出了雜草，并根據(jù)雜草的投影面積進(jìn)而確定出雜草密度。
[0011]馬彥平等采用數(shù)字圖像技術(shù)和遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對(duì)小麥、夏玉米的株高解析。
[0012]綜合分析目前的各類(lèi)研究，前期的研究手段大多通過(guò)人工使用數(shù)碼相機(jī)在田間或設(shè)施內(nèi)獲取作物數(shù)字圖像再帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行分析處理，更多側(cè)重在數(shù)字圖像處理方法和指標(biāo)對(duì)比等方面。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的興起，采用固定的攝像機(jī)/數(shù)碼相機(jī)在設(shè)定的點(diǎn)位進(jìn)行間隔拍攝的方法得到廣泛的應(yīng)用。針對(duì)目前固定點(diǎn)位長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)的方法，業(yè)界研究人員重點(diǎn)放在了系列照片的獲取和處理，數(shù)字圖像的采集也過(guò)多地依靠攝像機(jī)/照相機(jī)的自動(dòng)間隔拍攝模式，對(duì)田間情景的變化無(wú)相應(yīng)的處理手段。雖然張雪芬、王秀芳等人的研究已經(jīng)注意到降水、大風(fēng)、大霧、光照對(duì)圖像質(zhì)量的影響，但也僅僅是在圖片處理時(shí)對(duì)異常災(zāi)害天氣狀況下拍攝的“模糊”圖像予以“剔除”，在一定程度上影響了對(duì)作物生長(zhǎng)過(guò)程關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)和災(zāi)害影響進(jìn)程的記錄和分析，降低了試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性和代表性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0013]本發(fā)明的目的在于提供一種基于情景感知的作物冠層圖像采集裝置，以更為準(zhǔn)確的采集作物冠層圖像，記錄、分析作物生長(zhǎng)過(guò)程關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)和災(zāi)害影響信息。
[0014]為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案:
[0015]—種基于情景感知的作物冠層圖像采集裝置，其包括:支架，固定在作物生長(zhǎng)區(qū)域，至少用于提供支撐作用；第一垂直驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)及第二垂直驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，均設(shè)于所述支架上，相鄰設(shè)置，用于提供上下移動(dòng)的動(dòng)力及導(dǎo)向；第一支撐桿及第二支撐桿，均水平設(shè)置，且所述第一支撐桿的一端固定于所述第一垂直驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)上，以使所述第一垂直驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)所述第一支撐桿上下移動(dòng)，所述第一支撐桿的另一端則用于延伸至作物冠層上方;所述第二支撐桿的一端固定于所述第二垂直驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)上，以使所述第二垂直驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)所述第二支撐桿上下移動(dòng)，所述第二支撐桿的另一端則用于延伸至作物冠層上方;并且所述第一支撐桿位于所述第二支撐桿下方;第一土壤水分傳感器及第二土壤水分傳感器，用于埋設(shè)于土壤內(nèi)部、測(cè)量土壤水分，且第一土壤水分傳感器的埋設(shè)深度小于所述第二土壤水分傳感器的埋設(shè)深度;土壤溫度傳感器，用于設(shè)置在土壤表面、測(cè)量土壤表面溫度;雨量計(jì)，用于設(shè)置在作物種植區(qū)域、測(cè)量降水;空氣溫濕度傳感器，設(shè)置在所述第一支撐桿上，用于測(cè)量作物冠層附近的空氣溫濕度;光強(qiáng)傳感器，設(shè)置在所述第一支撐桿上，用于測(cè)量作物冠層附近的光強(qiáng);灰板，設(shè)置在所述第一支撐桿上，并位于作物冠層頂部;風(fēng)速傳感器，設(shè)置在所述第一支撐桿上，用于測(cè)量作物冠層或作物冠層附近的風(fēng)速;圖像采集器件，設(shè)置于所述第二支撐桿的端部，位于作物冠層上方，用于采集作物冠層圖像;環(huán)形光源，設(shè)置于所述第二支撐桿端部，并環(huán)繞所述圖像采集器件分布，用于亮度較低或夜晚拍攝時(shí)為所述圖像采集部件補(bǔ)光;超聲波傳感器，設(shè)置于所述第二支撐桿端部，與所述圖像采集器件等高，用于實(shí)時(shí)檢測(cè)所述圖像采集器件與作物冠層的距離，以確定最佳拍攝距離;數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，與所述第一垂直驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、第二垂直驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、第一土壤水分傳感器、第二土壤水分傳感器、土壤溫度傳感器、雨量計(jì)、空氣溫濕度傳感器、光強(qiáng)傳感器、風(fēng)速傳感器、圖像采集器件、環(huán)形光源、超聲波傳感器連接，用于:調(diào)整所述第一垂直驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、第二垂直驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的運(yùn)行，以使第一支撐桿、第二支撐桿位于設(shè)定的高度，進(jìn)而確定所述圖像采集器件的高度以及所述灰板的高度;根據(jù)所述第一土壤水分傳感器、第二土壤水分傳感器、土壤溫度傳感器、雨量計(jì)、空氣溫濕度傳感器、風(fēng)速傳感器檢測(cè)的數(shù)據(jù)，判斷天氣狀況，同時(shí)根據(jù)超聲波傳感器的檢測(cè)數(shù)據(jù)，從而調(diào)整所述圖像采集器件的拍攝頻率、拍攝高度;根據(jù)所述第一土壤水分傳感器、第二土壤水分傳感器、土壤溫度傳感器、雨量計(jì)、空氣溫濕度傳感器、風(fēng)速傳感器檢測(cè)的數(shù)據(jù)，判斷天氣狀況，同時(shí)根據(jù)光強(qiáng)傳感器，判斷光強(qiáng)，從而調(diào)整所述圖像采集器件的包括快門(mén)速度、ISO感光度、對(duì)焦距離和光圈數(shù)值在內(nèi)的拍攝參數(shù)，以及控制環(huán)形光源的運(yùn)行參數(shù)；同時(shí)，所述數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)還用于存儲(chǔ)上述處理過(guò)程的包括圖像在內(nèi)的各類(lèi)數(shù)據(jù)。
[0016]分析可知，本發(fā)明綜合集成傳感器技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、數(shù)字圖像采集技術(shù)和遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，可以采集清晰的、系列化的植被冠層圖像，并可以根據(jù)田間情景的變化設(shè)定不同的圖像采集模式，實(shí)現(xiàn)對(duì)作物凍害、干旱、干熱風(fēng)、倒伏和病蟲(chóng)害等條件下的加密連續(xù)觀(guān)測(cè)，使研究人員更好地把握關(guān)鍵生長(zhǎng)節(jié)點(diǎn)、物候變化，特別是可以加強(qiáng)對(duì)作物生長(zhǎng)過(guò)程有負(fù)面作用的影響過(guò)程的圖像分析。
【附圖說(shuō)明】
[0017]圖1為本發(fā)明實(shí)施例應(yīng)用于田間的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0018]圖2為本發(fā)明實(shí)施例的原理結(jié)構(gòu)框圖。
【具體實(shí)施方式】
[0019]下面結(jié)合附圖和【具體實(shí)施方式】對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。
[0020]如圖1、圖2所示，本發(fā)明實(shí)施例包括支架(未示出，以避免影響絲杠和導(dǎo)軌的顯示)、兩個(gè)垂直驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、兩個(gè)支撐桿30/20、兩個(gè)土壤水分傳感器61/62、土壤溫度傳感器63、雨量計(jì)64、激光位移傳感器65/69、空氣溫濕度傳感器66、風(fēng)速傳感器67、光強(qiáng)傳感器68、灰板7、超聲波傳感器610、圖像采集器件611、環(huán)形光源612、與各傳感器和步進(jìn)電機(jī)連接的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)8、與數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)8通過(guò)天線(xiàn)81無(wú)線(xiàn)通信連接的控制中心(或者稱(chēng)之為FTP月艮務(wù)器)9。其中，兩個(gè)垂直驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)相同，分別包括步進(jìn)電機(jī)51、絲杠11、導(dǎo)軌12、螺母31、滑塊32、連桿33以及步進(jìn)電機(jī)52、絲杠13、導(dǎo)軌14、螺母21、滑塊22/24、連桿24/25。
[0021]具體而言，支架是為兩個(gè)垂直驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)及其上的部件提供支撐作用，其應(yīng)該穩(wěn)定、安全地固定在作物200生長(zhǎng)的土壤100中，其結(jié)構(gòu)形式不一而足，可以為門(mén)式結(jié)構(gòu)，能夠滿(mǎn)足使用要求即可。
[0022]如前所述，兩個(gè)垂直驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)相同，均設(shè)于支架上，相鄰設(shè)置，用于為支撐桿30/20上下移動(dòng)提供動(dòng)力及導(dǎo)向。為了避免產(chǎn)生贅述之感，僅詳細(xì)介紹其中一個(gè)垂直驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，也即驅(qū)動(dòng)支撐桿30的垂直驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，其包括:步進(jìn)電機(jī)51、絲杠11、導(dǎo)軌12、螺母31、滑塊32、連桿33。為了增加穩(wěn)定性，滑塊32為上下分布的兩個(gè)。步進(jìn)電機(jī)51和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)8連接，接收數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)8的指令，啟動(dòng)、制動(dòng)以及轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)。絲杠11垂直設(shè)置，下端與步進(jìn)電機(jī)51連接，在步進(jìn)電機(jī)51的驅(qū)動(dòng)下轉(zhuǎn)動(dòng)，并驅(qū)動(dòng)其上的螺母31上下移動(dòng)。螺母31設(shè)于絲杠11上。導(dǎo)軌12和絲杠11平行相鄰設(shè)置，上面套設(shè)滑塊32，螺母31和兩個(gè)滑塊32之間均設(shè)有連桿33，支撐桿30的一端固