CN114184123A - 一种测算草地样方三维绿量的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种测算草地样方三维绿量的装置及方法，该装置包括：顶层板、侧面板、图像处理显示模块、图像采集装置以及电路控制开关，侧面板设置有四个，四个侧面板与一个顶层板拼接形成一个底端开口的壳体，壳体罩设在草地样方上；壳体内部设置有五组图像采集装置，五组图像采集装置分别安装在四个侧面板和一个顶层板上，每个侧面板上垂向设置有刻度线；图像处理显示模块和电路控制开关设置在顶层板的上部，图像处理显示模块包括处理器和显示屏，处理器分别与五组图像采集装置电性连接。本发明可以对于草地样方实现多角度实时成像分析，并即时计算出草地样方的三维绿量，装置结构简单，可拆卸组装，方便携带，成本低于常用装置，且易于操作。

Description

一种测算草地样方三维绿量的装置及方法

技术领域

本发明涉及草地样方三维绿量测算技术领域，特别是涉及一种测算草地样方三维绿量的装置及方法。

背景技术

三维绿量的测算是绿化环境效益定量评价的基本前提，也是绿色生态***研究的重要内容之一。绿地三维绿量不仅是绿化评价指标体系的有益补充，也有助于准确分析绿化的生态环境效益和绿化需求的总量，为绿化***的设计，特别是为环境要求不同的功能区的绿化***的设计、绿化群落布局的合理性评价和绿化规划提供有价值的技术参数。而其中，如今的草地的三维绿量测算方法通常采用传统工具测量、无人机RGB图像测量、遥感图像测量等方式，这些方法存在以下部分问题：①现有测量方式耗时长，对人力要求高，大都需要人工计算；②对测量环境要求高，无法克服因环境造成的测算精度问题；③不具有便携性；④部分测量设备昂贵，不利于大量的取样测算。

发明内容

本发明的目的是提供一种测算草地样方三维绿量的装置及方法，可以对于草地样方实现多角度实时成像分析，并即时计算出草地样方的三维绿量，装置结构简单，可拆卸组装，方便携带，成本低于常用装置，且易于操作。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种测算草地样方三维绿量的装置，所述装置包括顶层板、侧面板、图像处理显示模块、图像采集装置以及电路控制开关，所述侧面板设置有四个，四个所述侧面板与一个所述顶层板拼接形成一个底端开口的壳体，所述壳体罩设在草地样方上；

所述壳体内部设置有五组所述图像采集装置，五组所述图像采集装置分别安装在四个侧面板和一个顶层板上，每个所述侧面板上垂向设置有刻度线；所述图像处理显示模块和电路控制开关设置在所述顶层板的上部，所述图像处理显示模块包括处理器和显示屏，所述处理器分别与五组所述图像采集装置电性连接，所述图像采集装置用于采集草地样方内的草地图像；

所述电路控制开关设置在电源与图像处理显示模块、图像采集装置之间的供电电路上，用于控制各条供电电路的通断。

进一步的，所述顶层板和四个侧面板均采用轻质的镀膜透明板。

进一步的，所述顶层板和四个侧面板均为矩形，所述壳体为长方体。

进一步的，所述顶层板和四个侧面板的边缘均设置有可拼接结构，所述可拼接结构由顶层板边缘的凹槽以及侧面板边缘的外凸型连接点形成的齿形端口组成，所述凹槽与所述齿形端口配合卡接，所述顶层板和四个侧面板之间通过可拼接结构进行拼接组合。

进一步的，四个所述图像采集装置分别安装在四个侧面板的中下部，一个所述图像采集装置安装在顶层板的中部。

进一步的，所述刻度线为彩色刻度线，刻度范围为0-50cm。

本发明还公开了一种测算草地样方三维绿量的方法，应用于上述的测算草地样方三维绿量的装置，包括以下步骤：

S1，计算草地样方的密度：

处理器基于图像采集装置采集到的图像，提取图像像素，通过超绿色指数公式ExG＝2G-R-B计算ExG的值，确定ExG的最大值和最小值，其中，ExG代表超绿色指数，G代表图像中绿色部分的像素值，R代表图像中红色部分的像素值，B代表图像中蓝色部分的像素值；

经过计算后，将彩色图像转换为ExG灰度图，并且得到该图中ExG的最大值和最小值，而后将最大值和最小值的平均值的绝对值视为图像中灰度值的阈值，通过二值化处理求得该草地样方的密度；

S2，计算草地样方的高度：通过对像素图像建立坐标系，得出图像中每一个横坐标上对应的纵坐标的最大值，求出每幅图像中最大值的平均值，便可知该草地样方的高度；

S3，计算草地样方的三维绿量：通过三维绿量的计算公式将上述数据带入计算，求得该草地样方的三维绿量；其中，三维绿量的计算公式如下：

G＝H×D×S

式中，G代表三维绿量值，H代表草地样方的高度，D代表草地样方的密度，S代表样方的面积大小，样方面积的大小与顶层板面积一致。

进一步的，所述步骤S1中，通过二值化处理求得该草地样方的密度，具体包括：

当像素灰度值≥阈值时，该像素视为1；当像素灰度值≤阈值时，该像素视为0，阈值处理后将图像分为1和0两个不同的区域，给1区域设置为白色区域，0的区域设置为黑色区域，处理过后可得到的黑白二值图像，计算二值图像黑白区域的百分比，白色区域对应的是草地样方中有草部分，将白色区域的百分比视作该草地样方的密度。

进一步的，所述步骤S2中，通过对像素图像建立坐标系，得出图像中每一个横坐标上对应的纵坐标的最大值，求出每幅图像中最大值的平均值，便可知该草地样方的高度，具体包括：

S201，在接收到的图像数据中，通过对刻度线的对比，可得草地样方内草地的高度观测值，若样方内部分区域没有草生长，则视为0；

S202，在步骤S1的像素图像中，选取一个面的草地观测图像，将每一个像素视作一个坐标点Q_i(x_i，y_i),并读取所有Q_i的坐标值，然后在每一个相同的x_i上寻找对应的y_i中的最大值y_max，假设共有n个这样的点，随后便可通过该公式

计算这个面的草地高度的平均值；

S203，在得到一个面的草地高度的平均值后，将其他三个侧面的草地高度的平均值按上述方法依次求出，并对四个面的草地高度的平均值再求一次平均值，在后续计算过程中将这个平均值视为该草地样方的高度。

进一步的，所述方法还包括：

步骤S4，处理器通过步骤S1-S3计算得到草地样方的三维绿量后，将该草地样方的三维绿量实时传输到该模块中的显示屏上显示，便于用户查看。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明提供的测算草地样方三维绿量的装置及方法，采用便携式可拼装的立方体结构，通过四个侧面板与一个顶层板拼接形成一个底端开口的壳体，罩设在需要测算三维绿量的草地样方上，提供一个稳定的、并且完全消除外界因素包括自然生物等因素影响的空间，避免外界环境对测量精度的影响；通过侧面板和顶层板上的多组图像采集装置可以从多个角度实现图像的采集，并且能够实时的在图像处理显示模块中运用接收到的图像信息，分析处理得到三维绿量计算需要的数据，用于精准的计算草地的三维绿量；同时，本装置在结构上简单易懂、可拆卸、方便携带，为草地的三维绿量研究以及相关科研人员在户外获取实时的草地样方的三维绿量信息提供了有利的装备支撑。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明测算草地样方三维绿量的装置的结构示意图；

图2为本发明侧面板的主视图；

图3为本发明顶层板的结构示意图；

图4为本发明侧面板的侧视图；

附图标记说明：1、顶层板；201、第一侧面板；202、第二侧面板；203、第三侧面板；204、第四侧面板；3、图像处理显示模块；401、第一图像采集装置；402、第二图像采集装置；403、第三图像采集装置；404、第四图像采集装置；405、第五图像采集装置；5、电路控制开关；6、刻度线；7、凹槽；8、齿形端口。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种测算草地样方三维绿量的装置及方法，结构简单，操作方便，为图像采集提供了无干扰环境，提高了测算精度，省时省力，自动化水平高。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1至图4所示，本发明提供的测算草地样方三维绿量的装置，包括：顶层板1、侧面板、图像处理显示模块3、图像采集装置以及电路控制开关5，所述侧面板设置有四个，分别为第一侧面板201、第二侧面板202、第三侧面板203、第四侧面板204，四块侧面板结构相同，无任何差异；四个所述侧面板与一个所述顶层板1拼接形成一个底端开口的壳体，所述壳体罩设在草地样方上；

所述壳体内部设置有五组所述图像采集装置，分别为第一图像采集装置401、第二图像采集装置402、第三图像采集装置403、第四图像采集装置404、第五图像采集装置405，五组所述图像采集装置(402、403、404、405、401)分别安装在四个侧面板和一个顶层板上，每个所述侧面板上垂向设置有刻度6；所述图像处理显示模块3和电路控制开关5设置在所述顶层板1的上部，所述图像处理显示模块3包括处理器和显示屏，所述处理器分别与五组所述图像采集装置电性连接，所述图像采集装置用于采集草地样方内的草地图像；所述图像处理显示模块3用于接受五个图像采集装置(401、402、403、404、405)处采集的样方内草地图像并且对图像做数据处理，之后加以计算，得到样方内草地的三维绿量值，并在显示屏上显示；

所述电路控制开关5设置在电源与图像处理显示模块3、图像采集装置之间的供电电路上，用于控制各条供电电路的通断。

所述顶层板1和四个侧面板(201、202、203、204)均采用轻质的镀膜透明板。所述顶层板1和四个侧面板(201、202、203、204)均为矩形，所述壳体为长方体。所述顶层板1和四个侧面板(201、202、203、204)的边缘均设置有可拼接结构，可拼接结构由顶层板1边缘的凹槽7以及侧面板边缘的外凸型连接点形成的齿形端口8组成，所述凹槽7与所述齿形端口8相配合。所述顶层板1和四个侧面板(201、202、203、204)两两之间通过可拼接结构处的齿形端口进行卡接实现拼接组合。

四个所述图像采集装置(402、403、404、405)分别安装在四个侧面板(201、202、203、204)的中下部，第一图像采集装置401安装在顶层板1的中部。

所述刻度线6为彩色刻度线，刻度范围为0-50cm，用于辅助测量草地高度。

本发明提供的装置采用便携式可拼装的立方体结构，立方体的五个板面均采用轻质的镀膜透明板制成，装置整体优选尺寸为100cm×100cm×50cm。顶层板1为一块，优选尺寸为100cm×100cm×3cm，边缘为可拼接结构；侧面板201、202、203、204，优选尺寸为50cm×50cm×3cm，边缘为可拼接结构；图像处理显示模块3位于所述顶层板1上，尺寸为20cm×15cm×2cm，；图像采集装置401、402、403、404、405位于所述顶层板1和四块侧面板上，为常用的CCD图像传感器(如数码相机)；电路控制开关5为常用的电路控制开关，控制透明板上的图像采集传感器的工作状态；刻度线6为刻在侧面板上的标记，单位为厘米(cm)。整个测算草地样方三维绿量的装置在草地上使用时由1-2人同时将其放置在草地样方上操作。

所述测算草地三维绿量的装置的具体操作步骤为：

步骤1：首先将顶层板1与四块侧面板201、202、203、204依次拼接，组装成完整的装置，随后将五个图像采集装置401、402、403、404、405分别固定在顶层板和四块侧面板上，根据被测样方的草地的具体情况选择合适的图像采集焦距，随后将图像采集装置采集的数据输出端与处理器的数据接收端口相连；

步骤2：连接完成以后，按下电路控制开关5,图像采集装置从401开始依次工作，第一图像采集装置401在采集顶部的图像后，延迟1s后第二图像采集装置402开始工作，采集一个侧面的图像，同时第一图像采集装置401将自身采集的图像数据传输至图像处理显示模块3中，随后，图像采集装置402，403，404，405依次延迟重复上述工作流程，将在四个侧面采集到的图像传输至图像处理显示模块3中。

本发明还公开了一种测算草地样方三维绿量的方法，应用于上述的测算草地样方三维绿量的装置，包括以下步骤：

S1，计算草地样方的密度：

处理器基于图像采集装置采集到的图像，提取图像像素，通过超绿色指数公式ExG＝2G-R-B计算ExG的值，确定ExG的最大值和最小值，其中，ExG代表超绿色指数，G代表图像中绿色部分的像素值，R代表图像中红色部分的像素值，B代表图像中蓝色部分的像素值；

经过计算后，将彩色图像转换为ExG灰度图，并且得到该图中ExG的最大值和最小值，而后将最大值和最小值的平均值的绝对值视为图像中灰度值的阈值，通过二值化处理求得该草地样方的密度；具体包括：

当像素灰度值≥阈值时，该像素视为1；当像素灰度值≤阈值时，该像素视为0，阈值处理后将图像分为1和0两个不同的区域，给1区域设置为白色区域，0的区域设置为黑色区域，处理过后可得到的黑白二值图像，计算二值图像黑白区域的百分比，白色区域对应的是草地样方中有草部分，将白色区域的百分比视作该草地样方的密度。

S2，计算草地样方的高度：通过对像素图像建立坐标系，得出图像中每一个横坐标上对应的纵坐标的最大值，求出每幅图像中最大值的平均值，便可知该草地样方的高度；具体包括：

S201，在接收到的图像数据中，通过对刻度线的对比，可得草地样方内草地的高度观测值，若样方内部分区域没有草生长，则视为0；

S202，在步骤S1的像素图像中，选取一个面的草地观测图像，将每一个像素视作一个坐标点Q_i(x_i，y_i),并读取所有Q_i的坐标值，然后在每一个相同的x_i上寻找对应的y_i中的最大值y_max，假设共有n个这样的点，随后便可通过该公式

计算这个面的草地高度的平均值；

S203，在得到一个面的草地高度的平均值后，将其他三个侧面的草地高度的平均值按上述方法依次求出，并对四个面的草地高度的平均值再求一次平均值，在后续计算过程中将这个平均值视为该草地样方的高度。

S3，计算草地样方的三维绿量：通过三维绿量的计算公式将上述数据带入计算，求得该草地样方的三维绿量；其中，三维绿量的计算公式如下：

G＝H×D×S

式中，G代表三维绿量值，H代表草地样方的高度，D代表草地样方的密度，S代表样方的面积大小，样方面积的大小与顶层板面积一致，例如采用1m²。

S4，处理器通过步骤S1-S3计算得到草地样方的三维绿量后，将该草地样方的三维绿量实时传输到该模块中的显示屏上显示，便于用户查看。

本发明提供的测算草地样方三维绿量的装置及方法，通过四个侧面板与一个顶层板拼接形成一个底端开口的壳体，罩设在需要测算三维绿量的草地样方上，提供一个稳定的、并且完全消除外界因素包括自然生物等因素影响的空间，避免外界环境对测量精度的影响；通过侧面板和顶层板上的多组图像采集装置可以从多个角度实现图像的采集，并且能够实时的在图像处理显示模块中运用接收到的图像信息，分析处理得到三维绿量计算需要的数据，用于精准的计算草地的三维绿量；同时，本装置在结构上简单易懂、可拆卸、方便携带，为草地的三维绿量研究以及相关科研人员在户外获取实时的草地样方的三维绿量信息提供了有利的装备支撑。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种测算草地样方三维绿量的装置，其特征在于，包括：顶层板、侧面板、图像处理显示模块、图像采集装置以及电路控制开关，所述侧面板设置有四个，四个所述侧面板与一个所述顶层板拼接形成一个底端开口的壳体，所述壳体罩设在草地样方上；

所述壳体内部设置有五组所述图像采集装置，五组所述图像采集装置分别安装在四个侧面板和一个顶层板上，每个所述侧面板上垂向设置有刻度线；所述图像处理显示模块和电路控制开关设置在所述顶层板的上部，所述图像处理显示模块包括处理器和显示屏，所述处理器分别与五组所述图像采集装置电性连接，所述图像采集装置用于采集草地样方内的草地图像；

所述电路控制开关设置在电源与图像处理显示模块、图像采集装置之间的供电电路上，用于控制各条供电电路的通断。

2.根据权利要求1所述的测算草地样方三维绿量的装置，其特征在于，所述顶层板和四个侧面板均采用轻质的镀膜透明板。

3.根据权利要求1所述的测算草地样方三维绿量的装置，其特征在于，所述顶层板和四个侧面板均为矩形，所述壳体为长方体。

4.根据权利要求1所述的测算草地样方三维绿量的装置，其特征在于，所述顶层板和四个侧面板的边缘均设置有可拼接结构，所述可拼接结构由顶层板边缘的凹槽以及侧面板边缘的外凸型连接点形成的齿形端口组成，所述凹槽与所述齿形端口配合卡接，所述顶层板和四个侧面板之间通过可拼接结构进行拼接组合。

5.根据权利要求1所述的测算草地样方三维绿量的装置，其特征在于，四个所述图像采集装置分别安装在四个侧面板的中下部，一个所述图像采集装置安装在顶层板的中部。

6.根据权利要求1所述的测算草地样方三维绿量的装置，其特征在于，所述刻度线为彩色刻度线，刻度范围为0-50cm。

7.一种测算草地样方三维绿量的方法，其特征在于，应用于权利要求1-6任一所述的测算草地样方三维绿量的装置，包括以下步骤：

S1，计算草地样方的密度：

处理器基于图像采集装置采集到的图像，提取图像像素，通过超绿色指数公式ExG＝2G-R-B计算ExG的值，确定ExG的最大值和最小值，其中，ExG代表超绿色指数，G代表图像中绿色部分的像素值，R代表图像中红色部分的像素值，B代表图像中蓝色部分的像素值；

经过计算后，将彩色图像转换为ExG灰度图，并且得到该图中ExG的最大值和最小值，而后将最大值和最小值的平均值的绝对值视为图像中灰度值的阈值，通过二值化处理求得该草地样方的密度；

S2，计算草地样方的高度：通过对像素图像建立坐标系，得出图像中每一个横坐标上对应的纵坐标的最大值，求出每幅图像中最大值的平均值，便可知该草地样方的高度；

S3，计算草地样方的三维绿量：通过三维绿量的计算公式将上述数据带入计算，求得该草地样方的三维绿量；其中，三维绿量的计算公式如下：

G＝H×D×S

式中，G代表三维绿量值，H代表草地样方的高度，D代表草地样方的密度，S代表样方的面积大小，样方面积的大小与顶层板面积一致。

8.根据权利要求7所述的测算草地样方三维绿量的方法，其特征在于，所述步骤S1中，通过二值化处理求得该草地样方的密度，具体包括：

当像素灰度值≥阈值时，该像素视为1；当像素灰度值≤阈值时，该像素视为0，阈值处理后将图像分为1和0两个不同的区域，给1区域设置为白色区域，0的区域设置为黑色区域，处理过后可得到的黑白二值图像，计算二值图像黑白区域的百分比，白色区域对应的是草地样方中有草部分，将白色区域的百分比视作该草地样方的密度。

9.根据权利要求7所述的测算草地样方三维绿量的方法，其特征在于，所述步骤S2中，通过对像素图像建立坐标系，得出图像中每一个横坐标上对应的纵坐标的最大值，求出每幅图像中最大值的平均值，便可知该草地样方的高度，具体包括：

S201，在接收到的图像数据中，通过对刻度线的对比，可得草地样方内草地的高度观测值，若样方内部分区域没有草生长，则视为0；

S202，在步骤S1的像素图像中，选取一个面的草地观测图像，将每一个像素视作一个坐标点Q_i(x_i，y_i),并读取所有Q_i的坐标值，然后在每一个相同的x_i上寻找对应的y_i中的最大值y_max，假设共有n个这样的点，随后便可通过该公式

计算这个面的草地高度的平均值；

S203，在得到一个面的草地高度的平均值后，将其他三个侧面的草地高度的平均值按上述方法依次求出，并对四个面的草地高度的平均值再求一次平均值，在后续计算过程中将这个平均值视为该草地样方的高度。

10.根据权利要求7所述的测算草地样方三维绿量的方法，其特征在于，所述方法还包括：

步骤S4，处理器通过步骤S1-S3计算得到草地样方的三维绿量后，将该草地样方的三维绿量实时传输到该模块中的显示屏上显示，便于用户查看。

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