CN107782728B - 一种群体作物根系的垂直分布监测装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种群体作物根系的垂直分布监测装置，包括：第一步进电机、第二步进电机、第三步进电机、视觉传感器、控制板和至少一个透明管；所述第一步进电机、第二步进电机和第三步进电机分别为空间上x、y和z轴设置,用于实现对所述视觉传感器的移动控制；所述视觉传感器通过导线与所述第三步进电机连接，用于采集所述群体作物根系的地下根区图像；所述控制板用于根据透明管的位置发送指令将所述视觉传感器送入透明管；所述透明管设置于群体作物种植区域的地下，多个不同的透明管依不同植株的位置而分散设置。本发明可以在不影响群体作物自然生长的情况下实现现场无人操作、根系垂直分布图像的自动采集与实时传输，进而实现全程自动监测。

Description

一种群体作物根系的垂直分布监测装置

技术领域

本发明实施例涉及群体作物根系监测领域，更具体地，涉及一种群体作物根系的垂直分布监测装置。

背景技术

群体作物根系变化规律的监测是农业气象，作物环境监测的基础性工作之一，且对掌握群体作物的生长情况及调节，墒情监测预测和其他相关生态监测预测服务与理论将起到不可忽视的作用，将有效促进精准农业的发展。长期以来，由于群体作物地下根系的研究受到观测方法，工作条件等等不便利因素影响，使对于根系的研究很难有所进展，深扎于土壤中的农作物根系不仅可以支持和固定植物体,吸收水分和养分,而且还可以分泌有机物,有利于根际微生物的生长和活动。作物收获后,残留在土壤中的根系可以提高土壤有机质的含量,有利于保持土壤***的生态平衡。所以对于作物根系在土壤中的生长分布及理论研究以及有关根系病理的研究及防护有很重要的价值，根据批量自动采集到的根系垂直生长分布的数据，可以弥补由于技术手段的局限,造成对群体作物根系的研究的阻力，在短时间内为研究出群体作物最佳的生长状态提供大量重要的数据以及关键的技术手段。

目前，普遍采用的观测作物根系生长状况的方法主要包括三种：根箱法，冲洗法，无土栽培法，但是三种方法都存在不足之处。

根箱法是用比较狭窄的容器代替田间土壤，让作物在十分有限的空间内生长，这种方法不但破坏了植物自然发育的空间条件，而且土壤的结构和成分也和田间土壤有所不同，这种方法是不能直接反映出作物在田间自然生长的情况。

冲洗法是将根与土壤分离，从而得到作物的根系。其不利之处在于无法持续的监测同一作物不同时间根系的变化，同时根系也可能在处理的过程中发生破损，最后观察到的根系并不是在土壤中生长且存在活力的作物根系。

无土栽培法是使用营养液与惰性基质来代替田间土壤，同样的，这很难还原出作物生长的真实土壤结构，无法模拟出作物根系在田间土壤中生长遇见的各种情况。

除了这三种直接观测根区的方法外，关于根区可视化的方法也有很多，例如根据植物根系CT图像的采集与处理，从而得到在土壤中根区的三维图像，这种根区可视化的方法虽然十分的直观，但是对操作的要求却十分高，不仅操作繁琐，效率低下，而且不适用于大面积群体作物根区生长的实时信息采集，往往很难满足观察者对根区生长研究的需求。

以上几种方法虽然都为研究作物根系的生长提供了部分可行的方法，但是都有一个共同的缺点，就是无法反映出作物根系生长的真实情况，尤其是根系在生长过程中的形态特征和土壤结构，而且这几种方法几乎都需要人工处理，在这个过程中，难免会出现操作繁琐、人为失误、效率低下的问题，所以迫切需要一种操作简单，失误率低，高效且不影响作物根系自然生长、不破坏根系周围土壤结构的方法来代替上述三种观测作物根系生长状况的方法。

发明内容

本发明实施例提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的群体作物根系的垂直分布监测装置。

根据本发明实施例的一个方面，提供一种群体作物根系的垂直分布监测装置，包括：第一步进电机、第二步进电机、第三步进电机、视觉传感器、控制板和至少一个透明管；

所述第一步进电机、第二步进电机和第三步进电机分别为空间上x、y和z轴设置,用于实现对所述视觉传感器的移动控制；

所述视觉传感器，通过导线与所述第三步进电机连接，用于采集地面图像以供控制板判断透明管位置，并在透明管中采集所述群体作物根系的地下根区图像；

所述控制板，用于根据所述视觉传感器采集的地面图像获取透明管的位置，并根据所述透明管的位置向所述第一步进电机、第二步进电机和第三步进电机发送指令，以使所述第一步进电机、第二步进电机和第三步进电机分别进行移动，将所述视觉传感器送入所述透明管；

所述透明管，设置于群体作物种植区域的地下，多个不同的透明管依不同植株的位置而分散设置。

进一步，所述装置还包括：第一主支架、第二主支架、第一轨道支架、第二轨道支架、固定支架和缠线轮；

所述第一轨道支架的两端分别通过第一主支架和第二主支架固定；所述第二轨道支架的一端与所述第一轨道支架垂直连接；

所述第一步进电机的两端分别通过第一主支架和第二主支架固定；所述第二步进电机与所述第二轨道支架平行且通过所述第二轨道支架进行固定；所述第三步进电机通过所述固定支架固定在所述第二轨道支架上，并与所述缠线轮相连接；

所述视觉传感器通过所述缠线轮上的导线与所述第三步进电机相连接。

进一步，所述装置还包括第一副支架、第二副支架和和第三轨道支架；

所述第三轨道支架的两端分别通过所述第一副支架和第二副支架固定；所述第二轨道支架的另一端通过所述第三轨道支架进行固定。

进一步，所述视觉传感器由摄像头和补光设备组成；所述摄像头能够旋转并至少具有平行地面的视角和垂直地面的视角；所述补光设备用于在所述视觉传感器采集图像时进行补光。

进一步，所述控制板包括图像处理模块、反馈模块和步进电机驱动模块；

所述反馈模块，用于将所述视觉传感器采集到的地面图像反馈到所述图像处理模块以进行进一步处理；

所述图像处理模块，用于根据所述透明管设置于地下的位置图像确定一个当前透明管的相对位置；

所述步进电机驱动模块，与所述第一步进电机、第二步进电机和第三步进电机电连接，用于根据所述当前透明管的相对位置驱动所述第一步进电机、第二步进电机和第三步进电机进行运动，以将所述视觉传感器送入当前透明管。

进一步，所述控制板还包括存储模块；所述存储模块，用于存储所述控制板接收的所述视觉传感器采集的地下根区图像。

进一步，所述控制板，还用于设置监测周期，使所述装置按照所述监测周期进行管口位置的检测、地下根区图像的采集和监测，以达到全程自动检测的目的。

进一步，所述透明管垂直设置于地表以下，所述透明管的管口处高出地表且距离地表面10-20cm。

本发明实施例提出一种群体作物根系垂直分布的监测装置,通过在x、y和z轴方向分别设置三个步进电机，移动视觉传感器在群体作物根系的地下不同位置进行图像采集，可以在不影响群体作物自然生长的情况下实现现所有待监测点的精确识别定位、根系垂直分布图像的采集与实时传输。

附图说明

图1为本发明实施例所述群体作物根系垂直分布的监测装置示意图；

其中，1、第二步进电机，2、第一步进电机，3、第三步进电机，4、第一主支架，5、第二主支架，6、第一副支架，7、第二副支架，8、第一轨道支架，9、第二轨道支架，10、第三轨道支架，11、缠线轮，12、导线，13、透明管，14、视觉传感器，15、固定支架，16、控制板。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

图1为本发明实施例所述群体作物根系垂直分布的监测装置示意图，如图1所示，一种群体作物根系垂直分布的监测装置，包括：第一步进电机2、第二步进电机1、第三步进电机3、视觉传感器14、控制板16、控制板16和至少一个透明管13；

所述第一步进电机2、第二步进电机1和第三步进电机3分别为空间上x、y和z轴设置,用于实现对所述视觉传感器14的移动控制；

所述视觉传感器14，通过导线与所述第三步进电机3连接，用于采集地面图像以供控制板判断透明管13位置，并在透明管13中采集所述群体作物根系的地下根区图像；

所述控制板16，用于根据所述透明管13的位置向所述第一步进电机2、第二步进电机1和第三步进电机3发送指令，以使所述第一步进电机2、第二步进电机1和第三步进电机3分别进行移动，将所述视觉传感器14送入所述透明管13。

所述透明管13，设置于群体作物种植区域的地下，多个不同的透明管依不同植株的位置而分散设置，用于为所述视觉传感器14提供垂直移动的空间；所述透明管13至少有一个，一般包括多个所述透明管13，每个所述透明管13都埋入地下并垂直放置。所述透明管13为透明管，当埋入地下时使透明管的外管壁尽量与土壤贴合，透明管的内管壁具有一定的抗反光性能，透明管内部应提供足够的空间以容纳视觉传感器14可以上下垂直移动。优选地，所述透明管13应具有耐潮、耐热、抗老化的特点。

本发明实施例控制板通过控制步进电机的移动以实现对视觉传感器的位置的控制。步进电机的移动具体包括：第一步进电机、第二步进电机和第三步进电机中的一个的单独移动或任意两个的联合移动或三个的联合移动，可以实现在三个步进电机移动范围内的三维空间对视觉传感器的位置的精确定位。

本发明实施例提出一种群体作物根系垂直分布的监测装置,通过在x、y和z轴方向分别设置三个步进电机，移动视觉传感器在群体作物根系的地下不同位置进行图像采集，可以在不影响群体作物自然生长的情况下实现所有待监测点的精确识别定位、根系垂直分布图像的采集与实时传输。

请参考图1，在一个可选的实施例中，所述群体作物根系垂直分布的监测装置还包括：第一主支架4、第二主支架5、第一轨道支架8、第二轨道支架9、固定支架15和缠线轮11；

所述第一轨道支架8的两端分别通过第一主支架4和第二主支架5固定；所述第二轨道支架9的一端与所述第一轨道支架8垂直连接；

所述第一步进电机2的两端分别通过第一主支架4和第二主支架5固定；所述第二步进电机1与所述第二轨道支架9平行且通过所述第二轨道支架9进行固定；所述第三步进电机3通过所述固定支架15固定在所述第二轨道支架9上，并与所述缠线轮11相连接；

所述视觉传感器14通过所述缠线轮11上的导线12与所述第三步进电机3相连接。

请参考图1，在一个可选的实施例中，所述群体作物根系垂直分布的监测装置还包括第一副支架6、第二副支架7和和第三轨道支架10；

所述第三轨道支架10的两端分别通过所述第一副支架6和第二副支架7固定；所述第二轨道支架9的另一端通过所述第三轨道支架10进行固定。

具体的，所述第一轨道支架8与第二轨道支架9垂直放置，第二轨道支架9与第三轨道支架10垂直放置，各滑动接触部位应涂有润滑材料。

基于上述实施例，本发明实施例通过上述部件，可以将三个步进电机进行固定，同时通过缠线轮将步进电机与视觉传感器相连接，可以实现对视觉传感器的位置的控制。

在一个可选的实施例中，所述视觉传感器14由摄像头和补光设备组成；所述摄像头能够旋转并至少具有平行地面的视角和垂直地面的视角；所述补光设备用于在所述视觉传感器采集图像时进行补光。

本发明实施例中，所述摄像头可以通过旋转实现360度的图像采集。由于视觉传感器在地下的透明管中进行采集，会存在光线不佳的情况，因此可以通过补光设备进行补光，克服了地下光线暗的问题，保证了视觉传感器采集的图像是清晰的。

本发明实施例通过控制板实现所述群体作物根系的垂直分布监测装置的作业的全自动控制。

在一个可选的实施例中，所述控制板16包括图像处理模块，反馈模块和步进电机驱动模块；

所述反馈模块，用于将所述视觉传感器采集到的地面图像反馈到所述图像处理模块以进行进一步处理；

所述图像处理模块，用于根据所述透明管设置于地下的位置图像确定一个当前透明管的相对位置；

所述步进电机驱动模块，与所述第一步进电机、第二步进电机和第三步进电机电连接，用于根据所述当前透明管的相对位置驱动所述第一步进电机、第二步进电机和第三步进电机进行运动，以将所述视觉传感器送入当前透明管。

本发明实施例中，控制板通过图像处理模块，反馈模块和步进电机驱动模块实现对步进电机的驱动，以此实现精确控制视觉传感器的位置。具体是，当一个或多个透明管埋入地下时，可以先获取透明管埋入地下时的地表的位置图像，所述位置图像中可以看到每个透明管的设置位置；图像处理模块根据位置图像进行图像分析，可以得到每个透明管的相对位置。所述相对位置为任意透明管相对于视觉传感器所在的透明管的位置。例如，当视觉传感器从透明管A移出时，若需要移动到透明管B，则计算透明管B相对于透明管A的位置，所述透明管B为所述当前透明管。计算出相对位置后，通过反馈模块将所述当前透明管的相对位置反馈给所述步进电机驱动模块；步进电机驱动模块驱动步进电机根据所述相对位置进行水平移动，找到当前透明管即透明管B，将视觉传感器放入透明管B；然后根据所述控制板指示的透明管的垂直深度，使视觉传感器在透明管B内进行上下垂直移动，从而实现视觉传感器的精确定位和地下根区图像的采集。

在一个可选的实施例中，所述控制板16还包括时钟模块；所述时钟模块，用于设置所述视觉传感器采集图像的时间间隔。设置了采集时间间隔后可以避免得到大量重复的图像。

在一个可选的实施例中，所述控制板16还包括存储模块；所述存储模块，用于存储所述控制板接收的所述视觉传感器采集的地下根区图像。

本发明实施例中，视觉传感器14与控制板16直接连接，配置视觉传感器14采集图像数据，并暂时存储在控制板内，包括：定位时直接在控制板内进行处理，得到透明管13的具***置；采集根区图像时，将图像同时写入内存卡中，最后在内存卡中得到全部的根区图像。

在一个可选的实施例中，所述控制板16还包括报表模块；所述报表模块，用于根据所述地下根区图像，按照预定周期绘制报表。这样定期绘制报表可以定期反馈每一株被监测作物的根系的生长图样。

在一个可选的实施例中，所述控制板16，还用于设置监测周期，使所述装置按照所述监测周期进行管口位置的检测、地下根区图像的采集和监测，以达到全程自动检测的目的。所述监测周期的一个周期包括视觉传感器在每个透明管中进行至少一次地下根区图像的采集。

在一个可选的实施例中，所述透明管13垂直设置于地表以下，所述透明管13的管口处高出地表且距离地表面10-20cm。可以在透明管上涂上白色漆利于视觉传感器发现。

基于上述所有可选实施的群体作物根系的垂直分布监测装置，具有不影响作物根系自然生长、不破坏根系周围土壤结构、无人操作自动定位、大范围集体作物采样、尤其对单株作物根系可以有全面的、自上而下的直观反应的有益效果，在整个群体作物的生长周期中可以实时快速的得到单株作物及多组群体作物间根系垂直生长的可靠数据。

使用基于上述所有可选实施的群体作物根系的垂直分布监测装置进行检测时的主要步骤包括：

步骤一：在作物播种前，在土壤中根据群体作物生长的苗间距与行距合理埋入多个垂直放置的透明管13，将连接有第一步进电机2的第一主支架4，第二主支架5与第一轨道支架8相连接后垂直固定在土壤中，将第一副支架6，第二副支架7与第三轨道支架10相连接后垂直固定在土壤中，将连接有第二步进电机1的第二轨道支架9放置在第三轨道支架10和第一轨道支架8上，将连接有第三步进电机3的固定支架15放置在第二轨道支架9上，将绕有导线12的缠线轮11固定在第三步进电机3上，将视觉传感器14连接在导线12上，将第二步进电机1、第一步进电机2、第三步进电机3及视觉传感器14与控制板16连接，在埋有垂直放置的透明管13土壤附近合理位置种植群体作物，一管一株，即一个透明管一株作物。

步骤二：视觉传感器14开始采集图像并传输到控制板16内，控制板16对图像进行处理并自动定位到群体作物根系附近的透明管13并控制第二步进电机1、第一步进电机2及第三步进电机3工作，第二步进电机1控制固定支架15沿着第二轨道支架9的轨道方向移动，通过第一步进电机2控制第二轨道支架9沿着第一轨道支架8的轨道方向移动，最终使视觉传感器14自动到达透明管13管口的正上方。

步骤三：第三步进电机3通过缠线轮11和导线12控制视觉传感器14分别进入多个垂直放置的透明管13中并在垂直方向移动，采集作物根系图像。

步骤四：将采集到的图像传送到控制板16对图像进行处理，标号及储存。

步骤五：设计自动监测的周期，定期绘制报表，反馈每一株被监测作物根系的生长图样，待所有的待监测定点全部自动精确识别定位，且每个监测点的群体作物根系图像绘制完成后，返回到初始位置待机等待下一个工作周期返回步骤二。

综上所述，本发明的一种基于视觉定位的群体作物根系垂直分布全自动智能监测装置，通过视觉传感器自动定位到待监测定点，通过控制板发出命令从而驱动两个轨道支架上的两部步进电机使视觉传感器可以精确的到达待监测定点的上方，使缠线轮放下导线使视觉传感器垂直下降进入待测垂直放置的透明管中，待视觉传感器进入待测管口后，自上而下的采集管壁周围的作物的根系垂直分布图样，存入控制板存储模块内，此***可以实现针对一株作物及群体作物的垂直分布图样采集，具有不影响作物根系自然生长、不破坏根系周围土壤结构、低成本高效率、无人操作自动定位、大范围集体作物采样的特点，尤其对单株作物根系可以有全面的、自上而下直观反应的有益效果，在整个群体作物的生长周期中可以实时快速的得到单株作物及多组群体作物间根系垂直生长的可靠数据。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，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发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (7)

1.一种群体作物根系的垂直分布监测装置，其特征在于，包括：第一步进电机、第二步进电机、第三步进电机、视觉传感器、控制板和至少一个透明管；

所述第一步进电机、第二步进电机和第三步进电机分别为空间上x、y和z轴设置,用于实现对所述视觉传感器的移动控制；

所述视觉传感器，通过导线与所述第三步进电机连接，用于采集地面图像以供控制板判断透明管位置，并在透明管中采集所述群体作物根系的地下根区图像；

所述控制板，用于根据所述视觉传感器采集的地面图像获取透明管的位置，并根据所述透明管的位置向所述第一步进电机、第二步进电机和第三步进电机发送指令，以使所述第一步进电机、第二步进电机和第三步进电机分别进行移动，将所述视觉传感器送入所述透明管；

所述透明管，设置于群体作物种植区域的地下，多个不同的透明管依不同植株的位置而分散设置；

所述视觉传感器由摄像头和补光设备组成；所述摄像头能够旋转并至少具有平行地面的视角和垂直地面的视角；所述补光设备用于在所述视觉传感器采集图像时进行补光。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括：第一主支架、第二主支架、第一轨道支架、第二轨道支架、固定支架和缠线轮；

所述第一轨道支架的两端分别通过第一主支架和第二主支架固定；所述第二轨道支架的一端与所述第一轨道支架垂直连接；

所述第一步进电机的两端分别通过第一主支架和第二主支架固定；所述第二步进电机与所述第二轨道支架平行且通过所述第二轨道支架进行固定；所述第三步进电机通过所述固定支架固定在所述第二轨道支架上，并与所述缠线轮相连接；

所述视觉传感器通过所述缠线轮上的导线与所述第三步进电机相连接。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，还包括第一副支架、第二副支架和和第三轨道支架；

所述第三轨道支架的两端分别通过所述第一副支架和第二副支架固定；所述第二轨道支架的另一端通过所述第三轨道支架进行固定。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述控制板包括图像处理模块、反馈模块和步进电机驱动模块；

所述反馈模块，用于将所述视觉传感器采集到的地面图像反馈到所述图像处理模块以进行进一步处理；

所述图像处理模块，用于将视觉传感器采集到的图像进行相应的处理，确定一个当前透明管的相对位置；

所述步进电机驱动模块，与所述第一步进电机、第二步进电机和第三步进电机电连接，用于根据所述当前透明管的相对位置驱动所述第一步进电机、第二步进电机和第三步进电机进行运动，以将所述视觉传感器送入当前透明管。

5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述控制板还包括存储模块；所述存储模块，用于存储所述控制板接收的所述视觉传感器采集的地下根区图像。

6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述控制板，还用于设置监测周期，使所述装置按照所述监测周期进行管口位置的检测、地下根区图像的采集和监测，以达到全程自动检测的目的。

7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述透明管垂直设置于地表以下，所述透明管的管口处高出地表且距离地表面10-20cm。