一种便携高通量田间作物表型监测方法及系统与流程

本发明属于作物监测、精准农业技术领域，具体涉及一种便携高通量田间作物表型监测方法及系统。

背景技术：

作物表型是作物基因的外在表达，是基因和和环境共同作用的结果，反映作物生长发育全部过程的生理、生化特征及性状。作物的一些表型特性，如叶面积指数、绿色面积指数、株高、株间距、生物量等会随着作物器官的生长而变化。长时间连续、快速、动态的监测作物表型特性和性状，对实现作物精确诊断与管理调控具有重要意义。叶片是作物表型特性中的重要参数之一，对作物的生长至关重要，直接影响了作物的光合效率。如绿色面积指数（greenareaindex：gai）包含了作物的叶片、茎、穗等其他绿色部分，更能反映作物冠层的光合作用，呼吸作用和蒸腾作用，是反映作物群体生长态势的重要指标，此外，如平均叶倾角（averageleafangle，ala）和作物株高是描述作物冠层结构和理想株型的重要参数。

大田条件下，几十甚至上百个田块，作物冠层结构信息的高通量监测是绝大多数农业实验的要求。现有的表型监测方法可分为直接测量和间接测量两种方式。直接监测方法为人工取样，破坏性测量。通过剪纸称重法、叶片称重法测定作物叶面积指数、米尺测定株高，费时费力，适用于小区域范围的作物采样，无法高通量、大区域范围获取作物信息。间接测量主要利用无人机，田间机器人等搭载可见光相机，雷达或多光谱相机等探头，进一步借助图像分析和光传输等模型算法，实现对作物结构和功能特性的估算。相较于直接测量方法，这种方法容易实现大尺度范围内高效和精确的监测，也就是高通量的表型。但是，在大田条件下，基于无人机的系统，容易受到环境条件的影响，同时由于滞空时间的限制，无人机获取的影像信息的精度往往并不能很好满足精准的表型特性提取的要求。尽管基于田间机器人的系统可以很好克服无人机系统的不足，但其造价高昂，同时对田块布设等有非常苛刻的要求，因而除了上千个田块的育种实验，它并不适用于大多数的农业实验。综上所述，满足大多数农业实验对高通量的需求，便于操作且价格可以接受的表型设备还有待进一步开发。

综合考量价格和精度，普通的可见光相机是常用的表型监测探头，广泛搭载于无人机等表型平台，通过构建经验模型，实现对于叶面积指数和生物量等作物冠层结构信息的估算。

但现有方法大多数局限于应用单一相机，由于冠层内茎秆和叶片分布的复杂性，单一角度拍摄的照片反应的冠层结构信息单一，且精度不一定都能得到很好保证。因而，融合多个角度相机拍摄的信息，将有助于实现冠层结构信息更为精确和有效的估算。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是：针对现有技术中存在的不足，提供了一种便携高通量田间作物表型监测方法及系统，避免了直接测量时对作物样品的破坏，克服了间接测量单一相机单一拍摄或多角度拍摄不能较好地反映作物表型性状的局限性，能够便捷、准确、高通量地将所观测的作物图像信息应用到地面处理系统中，进行作物信息预处理、分析计算和实时存储，实现作物表型特征、智能化、精确化测量，为精准农业提供有力的技术支撑。

为实现发明目的，本发明采用的技术方案为：

一种便携高通量田间作物表型监测方法，包括以下步骤：

可调节垂直长杆及其顶部放置的水平长杆上分别固定至少一个相机，可调节垂直长杆套接在可调节三脚支架上，保证可调节垂直长杆的稳定并垂直于水平面，通过与水平长杆反向套接的水平平衡杆实现平衡作用，将相机连接螺旋摇杆，通过螺旋摇杆实现相机的360°方向旋转，通过圆柱平台固定相机某一确定方向的拍摄角度，实现作物的全方位、定向监测；

随后调整可调节垂直长杆和水平长杆上的相机拍摄角度，可调节垂直长杆上的相机设置为30°~60°拍摄角度，水平长杆上的相机设置0°~15°拍摄角度，通过两个或三个相机同时拍摄，获取作物表型gai、ala、株高等信息，上传至地面处理系统的作物信息采集模块处理；再通过操作地面处理系统进行图像采集和处理：相机与地面处理系统的作物信息采集模块相连，通过作物信息采集模块接收相机拍摄的图像并完成作物成像的采集，作物信息采集模块通过无线传输控制模块传输至作物信息预处理模块，结合实时计算存储模块布署在用户操作控制系统模块内，对作物原始图像进行预处理，处理结果通过显示屏直观表达。

进一步的，可调节垂直长杆和水平长杆上分别通过连接器组件固定有相机，一个连接器组件用于固定一个相机，将至少一个连接器组件固定在可调节垂直长杆0.5~1.5m高度处，将至少一个连接器组件固定在水平长杆末端。

进一步的，连接器组件的u型套管支架固定在可调节垂直长杆上，水平长杆末端固定连接器组件的u型套管，相机通过螺旋摇杆和圆柱平台固定至连接器组件上。

进一步的，可调节垂直长杆上固定一个相机且相机的拍摄角度为45°；水平长杆上固定一个相机，拍摄角度为0°，两个相机同时拍摄，用于获取作物gai、ala等信息。

进一步的，可调节垂直长杆上固定一个相机，拍摄角度为45°；水平长杆上安装两个相机，并排布设，且拍摄角度设置为0°，三个相机同时拍摄，用于获取作物gai、ala、株高等信息。

进一步的，相机为rgb相机、多光谱或高光谱相机的一种。

进一步的，包括如下步骤：将一个连接器组件的u型套管支架固定于可调节垂直长杆，另一个或两个连接器组件的u型套管支架固定于水平长杆上，分别用于固定一个或两个相机；两个或三个相机分别通过螺旋摇杆和圆柱平台固定至连接器组件上，进而使得相机连同连接器组件分别固定在可调节垂直长杆和水平长杆末端上，调整可调节垂直长杆和水平长杆上的相机拍摄角度，获取作物表型信息并上传至作物信息采集模块，通过操作地面处理系统进行图像采集和处理：作物信息采集模块负责完成作物原始图像的采集，并将采集到的作物图像信息通过无线传输控制模块传输至作物信息预处理模块，通过矫正原始图像、去噪、去除无效信息等手段预处理作物原始图像，结合实时计算存储模块对预处理后的作物原始图像进行分析计算和实时存储，作物信息预处理模块和实时计算存储模块均布署在用户操作控制系统模块内，通过预处理模块和实时计算存储模块的作物信息，高通量、有效地获取作物表型特征，作物图像分析处理结果通过显示屏可视化直观表达。

进一步的，将一个连接器组件固定在可调节垂直长杆高度0.5~1.5m处，将另一个或两个相同的连接器组件固定在水平长杆末端，进而使得两个或三个相机分别通过相应的连接器组件固定在可调节垂直长杆高度0.5~1.5m处和水平长杆末端。

进一步的，通过螺旋摇杆调整相机拍摄角度，将可调节垂直长杆高度0.5~1.5m处的相机设置为30°~60°拍摄角度，其中最优拍摄角度为45°，水平长杆末端的相机设置为0°~15°拍摄角度，其中最优拍摄角度为0°，垂直方向一个相机和水平方向的一个或两个相机同时拍摄，以获取更准确的作物表型特征信息如gai、ala、株高，进而预测作物产量。

进一步的，包括可调节三脚支架、连接器组件、相机、可调节垂直长杆、水平长杆、水平平衡杆和地面处理系统，所述可调节垂直长杆和水平长杆上分别通过连接器组件固定至少一个相机，用于采集作物信息，可调节垂直长杆始终垂直于水平面，可调节垂直长杆穿过可调节三脚支架，可调节垂直长杆高度可调，可调节垂直长杆顶部横向放置相连接的水平平衡杆和水平长杆，水平平衡杆设置在水平长杆的相反方向，地面处理系统包括作物信息采集模块、无线传输控制模块、作物信息预处理模块、实时计算存储模块、用户操作控制系统模块和显示屏，相机与作物信息采集模块相连，通过作物信息采集模块接收相机拍摄的原始图像并完成作物图像的采集，作物信息采集模块通过无线传输控制模块连接作物信息预处理模块，作物信息预处理模块结合实时计算存储模块布署在用户操作控制系统模块内，用户操作控制系统模块通过作物信息预处理模块和实时计算存储模块对作物原始图像进行预处理、实时计算存储，并通过显示屏可视化直观表达处理结果。

进一步的，所述可调节三脚支架为三棱锥结构，包括顶部圆形套管、u型套管、底部圆形套管、支架长杆和支架短杆，支架长杆和支架短杆套接在u型套管中，并通过顶部圆形套管和底部圆形套管连接成一体，底部圆形套管和顶部圆形套管设置在同一轴线上，组成三棱锥结构，可调节垂直长杆由上至下依次穿过顶部圆形套管和底部圆形套管，通过底部圆形套管在可调节垂直长杆垂直竖直方向的上下移动带动支架短杆的运动，进而调整支架长杆张开的幅度。

进一步的，所述相机通过连接器组件连接在可调节垂直长杆高度0.5~1.5m处和水平长杆末端，相机为rgb相机、多光谱或高光谱相机的一种，用于采集作物信息，相机顶端设置的接口与连接器组件的螺旋摇杆紧密连接，水平平衡杆与水平长杆螺纹连接，水平平衡杆的长度比水平长杆的长度短，起到平衡水平长杆重力作用。

进一步的，所述连接器组件包括u型套管支架、螺栓、螺母、螺旋摇杆和圆柱平台，所述u型套管支架上开有用于伸入螺栓的螺栓孔，可调节垂直长杆和水平长杆套接在u型套管支架内并通过螺栓和螺母进行固定，u型套管支架侧面设置螺旋摇杆，螺旋摇杆连接圆柱平台，螺旋摇杆与相机连接并通过圆柱平台起到固定作用，u型套管支架为开放式u型结构，配合螺栓及螺母固定在可调节垂直长杆和水平长杆任一位置处，所述螺旋摇杆与相机的接口相连，螺旋摇杆设置为360°可旋转，实现相机的360°方向旋转，通过圆柱平台固定相机某一确定方向的拍摄角度，实现作物的全方位、定向监测。

进一步的，所述u型套管、支架长杆和支架短杆分别有三个，三个大小相同的u型套管将三个支架长杆套接，支架长杆顶部套接在顶部圆形套管中，三个大小相同的u型套管配合底部圆形套管套接三个支架短杆，形成三棱锥结构。

与现有技术相比，本发明达到的有益效果为：

1.设置两个或多个相同相机，通过相同的连接器组件连接在可调节垂直长杆高度0.5~1.5m处和水平长杆末端，通过螺旋摇杆调节相机的拍摄角度，在相机采集作物表型信息时，可调节垂直长杆上的相机设置为30°~60°拍摄角度，水平长杆上的相机设置为0°~15°拍摄角度，同时，获取作物表型gai、ala和株高等信息，其中垂直长杆相机最优拍摄角度为45°，水平长杆相机最优拍摄角度为0°，垂直方向和水平方向结合多相机、多角度拍照方式获取的表型特征值比其他单一观测视角的观测值有更好的质量提升，且叶片信息在这两个观测方向的投影函数与叶倾角无关，实现了作物生长信息便捷、准确、高通量的获取；

2.可调节三脚支架的底部圆形套管和顶部圆形套管套接在可调节垂直长杆上，底部圆形套管在可调节垂直长杆上下移动，带动支架短杆移动，调节支架长杆张开幅度，使可调节垂直长杆始终垂直于水平面并有较好的稳定性，采用水平平衡杆，用于平衡水平长杆及其挂接的连接器组件和相机；

3.通过作物信息采集模块完成作物原始信息的连续实时、高通量地采集，通过操作地面处理系统实现作物图像高通量、高效率分析处理，处理结果实时读写、保存在配套的存储器上，处理结果通过显示屏可清晰直观表达。

附图说明

图1-2为本发明的可调节三脚支架结构图；

图3a-3d为本发明的连接器组件结构图；

图4a-4c为本发明的接口结构图；

图5为本发明的基于三脚支架的手持式结构图；

图6为本发明的地面处理系统示意图；

其中，1-可调节三脚支架；11-顶部圆形套管；12-u型套管；13-底部圆形套管；14-支架长杆；15-支架短杆；2-连接器组件；21-相机；22-u型套管支架；23-螺栓；24-螺母；25-螺旋摇杆；26-圆柱平台；31-可调节垂直长杆；32-可调节旋转接口；33-水平长杆；34-水平平衡杆；35-螺纹；5-地面处理系统；51-作物信息采集模块；52-无线传输控制模块；53-作物信息预处理模块；54-实时计算存储模块；55-用户操作控制系统模块。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。

如图1-6所示，一种便携高通量田间作物表型监测系统，包括可调节三脚支架1、连接器组件2、相机21、可调节垂直长杆31、水平长杆33、水平平衡杆34、螺纹35和地面处理系统5，可调节三脚支架1整体为三棱锥结构，支顶部圆形套管11、u型套管12、底部圆形套管13、支架长杆14和支架短杆15，具体的，可调节三脚支架1包括u型套管12、支架长杆14和支架短杆15，支架长杆14和支架短杆15套接在u型套管12中，3个大小相同的u型套管12还能配合底部圆形套管13套接三个支架短杆15，底部圆形套管13和顶部圆形套管11设置在同一轴线上，形成三棱锥结构，可调节垂直长杆31由上至下依次穿过顶部圆形套管11和底部圆形套管13，可通过底部圆形套管13在可调节垂直长杆31垂直竖直方向的上下移动带动支架短杆15的运动，进而调整支架长杆14张开的幅度，加强稳定性，3个大小相同的u型套管12将三个支架长杆14套接，支架长杆14顶部均套接在顶部圆形套管11中。

相机21为rgb相机、多光谱或高光谱相机的一种，用于采集作物信息，相机21通过连接器组件2分别设置在可调节垂直长杆31和水平长杆33上，连接器组件2包括u型套管支架22、螺栓23、螺母24、螺旋摇杆25和圆柱平台26，u型套管支架22为开放式u型结构，并配合螺栓23及螺母24固定在可调节垂直长杆31或水平长杆33任一位置处，所述螺旋摇杆25与相机21的配套接口相连，实现相机21的360°方向旋转，通过圆柱平台26固定相机21某一确定方向的拍摄角度，实现作物的全方位、定向监测。可调节垂直长杆31及其顶部放置的水平长杆33上分别至少固定一个相机21，如若水平杆33配置有一台相机21，那么通过可调节垂直长杆31及其顶部放置的水平长杆33上相机21的信息的融合，可以实现对小麦和水稻等作物gai，ala等的估计，如若水平长杆33配置两台相机21，可以额外获取作物高度信息。

可调节垂直长杆31总高度为0.5~2.5m，在高度0.5~1.5m处设置可调节螺旋接口装置32，所述可调节螺旋接口装置32用于控制可调节垂直长杆31的高度，可调节垂直长杆31顶部横向放置相连接的水平平衡杆34和水平长杆33，水平平衡杆34设置在水平长杆33的相反方向，通过螺纹35将两者连接，水平平衡杆34的长度比水平长杆33的长度稍短，材质重量较重，水平平衡杆34起到平衡水平长杆33重力作用。

地面处理系统5包括用作物信息采集模块51、无线传输控制模块52、作物信息预处理模块53、实时计算存储模块54和用户操作控制系统模块55，作物信息采集模块51与相机21相连，通过相机21拍摄作物图片并上传至作物信息采集模块51，作物信息采集模块51负责完成作物原始图像的采集，作物信息采集模块51通过无线传输控制模块52连接至作物信息预处理模块53，结合实时计算存储模块54布署在用户操作控制系统模块55内，用户操作控制系统模块55通过作物信息预处理模块53和实时计算存储模块54接收、预处理、分析计算、实时存储作物表型图像信息，并通过显示屏可视化直观表达。

一种便携高通量田间作物表型监测方法，包括如下步骤：

步骤1：将至少一个相同连接器组件2的u型套管支架22分别固定于可调节垂直长杆31高度0.5~1.5m处和水平长杆33末端，用于后续固定至少一个相机21；

步骤2：将相机21通过螺旋摇杆25和圆柱平台26固定至连接器组件2，若干个相机21连同连接器组件2分别固定在可调节垂直长杆31高度0.5~1.5m处和水平长杆33的末端，将可调节垂直长杆31高度0.5~1.5m处的相机21拍摄角度设置为30°~60°，将水平长杆33末端的相机21拍摄角度设置为0°~15°，其中，垂直方向相机21最优拍摄角度为45°，水平方向相机21最优拍摄角度为0°，可调节垂直长杆31及其顶部放置的水平长杆33上分别至少固定一个相机21，如若水平长杆33配置有一台相机21，那么通过可调节垂直长杆31及其顶部放置的水平长杆33上相机21的信息的融合，可以实现对小麦和水稻等作物gai，ala等的估计，如若水平长杆33配置两台相机21，可以额外获取作物高度信息。

步骤3：通过操作地面处理系统5进行图像采集和处理：作物信息采集模块51负责完成作物成像的采集，并将采集到的作物图形信息通过无线传输控制模块52传输至作物信息预处理模块53，结合实时计算存储模块54布署在用户操作控制系统模块55内，对作物原始图像预处理、分析计算和实时存储，处理结果保存在配套的存储器上，通过显示屏可视化表达。

实施例1

如图1-6所示，一种便携高通量田间作物表型监测系统，选用不锈钢铝合金圆管，包括可调节三脚支架1、连接器组件2、相机21、支架长杆14、支架短杆15、可调节垂直长杆31和地面处理系统5，可调节三脚支架1整体为三棱锥结构，包括顶部圆形套管11、u型套管12、底部圆形套管13、支架长杆14和支架短杆15，支架长杆14和支架短杆15套接在u型套管12中，具体的，3个大小相同的u型套管12将三个支架长杆14套接，支架长杆14顶部均套接在顶部圆形套管11中，3个大小相同的u型套管12还能配合底部圆形套管13套接三个支架短杆15，底部圆形套管13和顶部圆形套管11设置在同一轴线上，形成三棱锥结构，可调节垂直长杆31由上至下依次穿过顶部圆形套管11和底部圆形套管13，可通过底部圆形套管13在可调节垂直长杆31垂直竖直方向的上下移动带动支架短杆15的运动，进而调整支架长杆14张开的幅度，加强稳定性。

如图3a-3d所示，连接器组件2包括u型套管支架22、螺栓23、螺母24、螺旋摇杆25和圆柱平台26，u型套管支架22上开有用于伸入螺栓23的螺栓孔，可调节垂直长杆31和水平长杆33可套接在u型套管支架22内并通过螺栓23和螺母24进行固定，u型套管支架22侧面设置螺旋摇杆25，螺旋摇杆25连接圆柱平台26，螺旋摇杆25设置为360°可旋转，螺旋摇杆25设置为螺纹结构，螺旋摇杆25的螺纹结构与相机21顶部的接口吻合，所述螺旋摇杆25与相机21连接，并通过圆柱平台26起到固定作用，具体的，相机21接口和螺旋摇杆25连接，可以任意调节相机21方向，中间添加圆柱平台26，固定相机21拍摄方向。

如图4a-4c所示，可调节垂直长杆31通过可调节旋转接口32调整高度，满足测量时不同高度的需求，可调节垂直长杆31与水平长杆33通过螺纹35拧紧固定，可调节旋转接口32类似于钓鱼竿上的旋转，用于控制长度。

如图5-6所示，相机21为可见光相机，在可调节垂直长杆31高度0.5~1.5m处和水平长杆33末端分别通过连接器组件2固定有一个相机21，通过水平平衡杆34平衡水平长杆33及其挂接的连接器组件2和相机21的重力作用，三脚支架加强装置的稳定性。

一种便携高通量田间作物表型监测方法，包括如下步骤：

步骤1：将两个相同连接器组件2的u型套管支架22分别固定于可调节垂直长杆31高度0.5~1.5m处和水平长杆33末端；

步骤2：相机21顶端设置的接口与螺旋摇杆25紧密连接，进而将相机21通过螺旋摇杆25和圆柱平台固26定至连接器组件2，其中一个相机21连同连接器组件2固定在可调节垂直长杆31高度0.5~1.5m处，另一相机固定于水平长杆33末端，将可调节垂直长杆31高度0.5~1.5m处的相机21拍摄角度设置为30°~60°，优选45°，将水平长杆33末端的相机21拍摄角度设置为0°~15°，优选0°，垂直方向和水平方向的两个相机21同时拍摄，用于获取作物gai、ala等信息，拍照获取的作物表型特征值比其他单一观测视角的观测值有更好的质量提升，且叶片特征在这两个观测方向的投影函数与叶倾角无关，实现了作物生长信息便捷、准确、高通量的获取；

步骤3：通过操作地面处理系统5进行图像采集和处理：作物信息采集模块51负责完成作物成像的采集，并将采集到的作物图形信息通过无线传输控制模块52传输至作物信息预处理模块53，结合实时计算存储模块54布署在用户操作控制系统模块55内，对作物原始图像预处理、分析计算和实时存储，处理结果保存在配套的存储器上，通过显示屏可视化表达。

实施例2

一种便携高通量田间作物表型监测方法，包括如下步骤：包括可调节垂直长杆31及其顶部放置的水平长杆33，可调节垂直长杆31及其顶部放置的水平长杆33上分别通过连接器组件2固定至少一个相机21，相机21的拍摄角度可调节，可进行360°方向旋转；调整可调节垂直长杆31和水平长杆33上的相机21的拍摄角度，可调节垂直长杆31上的相机21设置为30°~60°拍摄角度，水平长杆33上的相机21的拍摄角度设置0°~15°，通过相机21拍摄作物图像并上传至地面处理系统进行图像采集和处理，用于获取作物信息，处理结果通过显示屏直观表达。

具体的，首先将一个相同连接器组件2的u型套管支架22固定于可调节垂直长杆31高度0.5~1.5m处，另两个相同的连接器组件2的u型套管支架22均固定于水平长杆33末端；通过相机21顶端设置的接口与螺旋摇杆25紧密连接，进而将相机21通过螺旋摇杆25和圆柱平台固26定至连接器组件2，使得其中一个相机21连同连接器组件2固定在可调节垂直长杆31高度0.5~1.5m处，另两个相机21分别固定于水平长杆33末端，将可调节垂直长杆31高度0.5~1.5m处的相机21拍摄角度设置为30°~60°，优选45°，将水平长杆33末端的相机21拍摄角度设置为0°~15°，优选0°，垂直方向和水平方向三个相机21，实现三相机同时拍摄再通过操作地面处理系统5进行图像采集和处理，通过显示屏可视化表达，获取作物gai、ala、株高等信息。

余同实施例1。

本发明未涉及的模块及其他部分均可采用现有技术得到，在此不做赘述。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。