专利名称：一种便携式可遥控植被覆盖度一体化测量仪的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种测量仪，尤其涉及一种便携式可遥控植被覆盖度一体化测量仪， 属于光学计算设备技术领域。
背景技术：
小尺度的植被覆盖度测量的传统方法主要有两种目视测量法和照相法。目视测 量法依靠个人经验进行田间判读，人为主观性强，随机性大；照相法是利用相机得到需测区 域的垂直成像，再利用计算机图像处理技术提取植被信息，计算植被覆盖度。目前近景摄影 测量法在植被覆盖度测算中已有一些成功的应用和发展，已有大量学者在研究工作中论证 了照相法结合数字图像自动处理能够准确快速地得出植被覆盖度。北京师范大学地理学与 遥感科学学院理科基地2004级的学生宋凯宇等在2007年对“钓鱼法”测量植被覆盖度的仪 器进行了改进。实验过程采用“钓鱼法”设计支架，实验数据处理采用ENVI软件波段运算。 改进仪器如图1所示照相法测算植被盖度试验装置示意图(资料来源宋凯宇等，综合自然 地理野外实习报告，2007)，此方法需要三个人拉三个细绳将相机达到平衡，需要人力多，不 稳定。后来，北京师范大学2005级的雷星松等同学又对这种“钓鱼法”使用的仪器进行了 改进(见图2所示)在杆2前端垂一个竖杆，竖杆下部配一个刚好合适数码相机固定的云 台。这种方法较前一种节省了人力，但仍然很难使相机保持平稳。这两种设计的支架保证 了相平面水平，但是保持相机平稳的方法比较复杂，需要的人力物力较多，人为影响大，随 机因素多，非常不便于野外操作。不能随时观察拍照物，获取植被覆盖度精确度不高。用摄 像头来进行对植被进行拍照，照相时间和照相片数目均可以自由控制，并获取的植被覆盖 度照片用本项目设计的计算机程序即可获得植被覆盖度，方便而且所需时间很短，因此照 相法测量植被覆盖度方法上的改进对于很多科学研究采集数据的精确性以及相关的野外 工作都具有重要意义。而本发明在基于照相法的基础上，通过摄像头对所测区域光学成像， 利用计算机图像处理技术计算得到植被覆盖度，跟目测法相比科学性和准确性明显有所提 高，计算简单，能够用于实践。
发明内容
(1)发明目的针对上述目前植被覆盖度测量类仪器及方法中所存在的问题及缺陷，本发明的目 的是提供一种便携式可遥控植被覆盖度一体化测量仪，它能解决以下技术问题a)野外测量仪器便携性和稳定性问题仪器的便携性和稳定性是关系到野外试 验效率和精度的关键问题。本发明在总结前人经验的基础上，自行改进仪器材质和仪器结 构，设计阶段尽量保证仪器的便携性及稳定性；通过多次自身对照实验，检测系统的稳定 性；通过多组互对照实验，检测系统的优越性和不足，改进实验系统。b)提高测量仪器的可控性以俯视的方式获取植被覆盖度的照片带来的一个问 题是所拍摄的范围在拍摄时不能直接控制。本发明通过摄像头与电脑的直接连接，实现通
3过电脑对拍摄范围的实时控制，从而提高效率及精度。c)开发数字图像处理软件系统开发与试验仪器相配套的数字图像处理软件系 统，将进一步提高操作的系统性及精度。本发明拟利用“相对儿”和实验设备提供的必要参 数，设计开发出与仪器相适应的图像处理程序软件，将中心投影通过程序变换为垂直投影， 从而保证整张相片的有效性，最终达到自动化计算植被覆盖度并提高计算精度的目的。e)提高植被覆盖度测量的精度精度是理论分析的基础，是一切结论的前提。本 发明利用自动聚焦摄像头实现对植被样方的自动聚焦，同时，通过地面参照物控制垂直视 角，从而提高植被覆盖度测量的精度。(2)技术方案见图3，本发明一种便携式可遥控植被覆盖度一体化测量仪，它由支撑杆、主杆、顶 杆、横杆和摄像头组成(图3)。支撑杆和主杆之间通过销轴或螺纹连接，主杆和顶杆通过销 轴或螺纹连接，横杆设置在顶杆的固定圆管内，摄像头固定在横杆的端部。所述支撑杆(见图4)、主杆、顶杆以及横杆都由金属管材料制成，一般都选用铝合 金管材料，铝合金材料满足了质轻、刚性的要求，同时机械性能明显提高，成本较低，容易加 工，可耐强度范围大。该支撑杆长约1.4-1. 6m，它的上半部为一段直管，下部为两个尖刺的叉形件，上、 下两部分连为一体。尖刺的设计意图在于将其插入地下之后，可将仪器固定在地上，以保持 野外仪器的稳定性。该主杆由3根以上、长度为0. 9-1. Im的可伸缩、可拆卸的金属管组成，用于实现对 摄像头的高度进行调节和控制。伴随着地物的不同，当所拍摄的范围较大时，可以利用主杆 进行延长；当所拍摄的范围较小时，可以利用拆卸主杆的一部分以降低摄像头的高度。该顶杆长40-60cm，其上镶嵌3个固定圆管，用以固定横杆并对摄像头的测量高度 进行微调，3个固定圆管的间距为15-18cm，固定圆管的内径大于横杆外径2-4mm。(图6)该横杆长0.9-1. l.m，其一端插进顶杆的固定圆管内，另一端用于固定摄像头，从 而实现支撑体系与摄像头的连接及对其一定程度上的控制。摄像头其分辨率在800X600以上，并配备USB加长线，可按要求在市场上选购。 摄像头通过旋钮与横杆连接，依据摄像头底座本身的可旋转性及旋钮连接装置的存在，实 现摄像头360°自由旋转，保证在任何情况下可以实现摄像头与地面垂直。由于支撑杆、主 杆、顶杆连接后(以下简称杆连接体)与地面是垂直的，而横杆与杆连接体是垂直的，故当 长方形的摄像头长边与杆连接体平行时，可保证其镜头与地面平行。本发明重要的设计之一是利用摄像头获取数码相片。利用摄像头取相，一方面，摄 像头本身小巧、轻便，在很大程度上减轻了仪器总体质量，提高了仪器的稳定性；另一方面， 通过摄像头与笔记本电脑的连接，可直接观察到摄像对象、范围及摄像头镜头与地面的关 系，可及时调整摄像头位置、方向及角度，提高了测量过程的可视化与可控化程度。同时通 过对影像截图获取照片，操作简便而对摄像头的稳定性影响很小，在另一方面增强了仪器 整体的稳定性。除此以外，本发明采用立体摄影测量的方法，利用简单仪器保证中心投影的中心 点在样方的中心，从而有效地控制照片边缘的畸变。在实际操作过程中，本发明设计过程 中，在拉出样方之后，在样方正中央，摆放一个规则的立体标准参照物(如易拉罐或者长方
4体等)，目的在于能够实现在电脑中监控中心投影的中心点是否在样方的中心。如果电脑图 像中，只能看到中央位置的标准物的正上面而看不到侧面，则说明摄像头是垂直于样方的， 即保证了中心点的中心正射投影，从而可以减小操作的误差。由于一般摄像头没有自动调节光圈的功能，因此一般在阳光强的室外条件下所获 取的植被覆盖度信息因曝光而丢失，测出来的植被覆盖度信息不准确，不能够为科学研究 提供准确的植被覆盖度。本发明通过对比不同摄像头来解决用摄像头照相测量植被覆盖度 时阳光强的条件下所获取的图片的曝光问题为目的的，通过解决摄像头的曝光问题并不同 角度(分辨率、价格、拍照角度、功能)对比各种摄像头来选择可满足野外工作需要的摄像 头，获取准确的植被覆盖度信息，为其他科学研究提供准确的数据。通过用相比较的研究方法，在相同的光照条件下，在同一地点用不同的摄像头进 行拍照获取植被覆盖度信息，从不同角度对比三种摄像头获得以下结论第一、从价格方面相比这三种摄像头，可得出无线摄像头 >可调光圈、焦距的，高 像素的高级摄像头>像素较低、不可调光圈的有线摄像头；第二、从获取的植被覆盖度信息清晰度和准确度(像素、功能)方面对比三种不同 类型的摄像头，最终得出的结论是可调光圈、焦距的，高像素的高级摄像头>像素较低、不 可调光圈的有线摄像头>无线摄像头；从以上的对比中可以看出，像素高、可自动调节焦距和光圈，并需要时可补光的高 级摄像头的效果(像素、拍照角度)最好，价格适中，能够清晰并准确获取植被覆盖度信息 所需要的，并解决摄像头像素低、因曝光强而丢失植被覆盖度信息的丢失等问题，能够满足 实际野外工作需求并为其他科学研究提供准确植被覆盖度数据。因此，本发明选取了像素 高、可自动调节焦距和光圈、需要时可补光的高级摄像头作为仪器的组成部分。本发明的重要设计之二在于与摄像头配套的数字图像处理软件系统的开发。程序 基于C#编写，编译所得可执行程序在装有.net Framwork 2. 0版本以上的WindowsXP操作 系统下都可以正常运行，拷贝即可，无需另外安装。程序编写了一个PhotoHandler类对照 片进行处理计算植被覆盖度。通过编写的程序，实现用户根据需要或监督提取结果，可自行 调整各分量阈值，快速计算输入相片的植被覆盖度，很大程度地提高了植被覆盖度提取的 效率和灵活性。程序处理流程如图7。首先，用户选择输入需要提取覆盖度的数码相片。相片输入后，程序自动计算每个 像素的R、G、B值和色调(Hue)值。用户根据相片拍摄的光照、植被类型等情况，手动设定各分量的阈值。R、B分量设 定最大值，G分量设定最小值，Hue分量需要同时设定最大值和最小值。每次阈值调整之后，程序都会自动根据阈值条件处理相片。不满足任一阈值条件 的像素，不被提取，赋值为0 ；同时满足所有阈值条件的像素，被认为是绿色植被像素，将被 提取出来，赋值为1。通过计算该二值图片中，提取像素(值为1)占总像素的百分比，认为 是该相片的植被覆盖度。(3)优点及功效本发明通过研究与实践，在硬件仪器方面和软件系统方面都取得了相应的有益成 果，主要体现在以下两方面a)仪器改进本发明主要在三个方面进行了对仪器进行了改进，一是支架材料和外形的改进，二是图像获取设备的改进，三是控制与地面水平的方法的改进。在支架材料方 面，抛弃了以前用的钢铁制成的支架换成了铝合金；在支架外形方面改进了支架的固定方 式，以使操作更方便；在图像获取方面，将原用的照相机换为可自动聚焦的有线摄像头，并 在控制镜头水平时不继续沿用重力自动平衡的方法，采用在摄像中心放观测物，采用摄像 时只看到物体上方平面则摄像头水平的原则使镜头水平。b)通过数字图像处理软件系统的开发实现自动获取植被覆盖度本发明研究出 自动计算植被覆盖度的程序算法，即数字图像处理软件系统，以实践中获取的植被照片为 输入，自动提取植被信息，输出植被覆盖度的计算结果，从而实现了植被覆盖度的自动化获 取。本发明通过对仪器材料、外形及结构的改进，提高了仪器的便携性、稳定性以及可 控性；通过对数字图像处理软件系统的开发，提高了植被覆盖度数值获取的自动化程度； 通过对拍摄范围的限制、对垂直视角的调整以及摄像头的自动对焦，实现对拍摄范围、边缘 变形的较严格的控制，提高了测量植被覆盖度的精度。从而，实现了从硬件到软件、从操作 到结果的一系列的改进。
图1照相法测算植被盖度试验装置示意2照相法之云台结构示意3本发明结构示意4本发明支撑杆结构示意5本发明顶杆与横杆、横杆与摄像头连接示意6顶杆与固定圆管结构示意7本发明数字图像处理软件流程示意中符号说明如下1支撑杆；2主杆；3顶杆；4横杆；5摄像头；6固定圆管。
具体实施例方式见图3，本发明是一种便携式可遥控植被覆盖度一体化测量仪，它是由支撑杆1、 主杆2、顶杆3、横杆4和摄像头5组成。它们之间的位置连接关系是支撑杆1和主杆2之 间通过销轴或螺纹连接，主杆2和顶杆3通过销轴或螺纹连接，横杆4设置在顶杆3的固定 圆管6内，摄像头5固定在横杆4的前端。所述支撑杆1，见图4，它的上半部为一段直管，下部为两个尖刺的叉形件，上、下 两部分连为一体。材质为铝合金管。下部的两个尖刺可以插入土壤中，使仪器在野外测量 时，保持较好的稳定性。所述主杆2是由3根可伸缩、可拆卸的铝合金管组成，用于将摄像头5升到一定高 度。伴随着地物的不同，摄像头5的拍摄高度也要相应变化，可以将主杆2进行伸缩调整。 主杆2和支撑杆1之间通过销轴或螺纹连接。所述顶杆3是铝合金管制作，其上排列镶嵌3个固定圆管6，用以固定横杆4，(见 图6)并对测量高度进行微调。
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所述横杆4是铝合金管制作，见图6，后端插入顶杆3的固定圆管6内，固定圆管6 的内径大于横杆4外径3mm，通过螺钉固定，前端用于固定摄像头5。所述摄像头5其分辨率在800X600以上，并配备USB加长线，可按要求在市场上 选购。其中，支撑杆1的长度为1. 5m ；其中，主杆2由3根长度为1. Om可拆卸的铝合金管制成；其中，顶杆3的长度为50cm，3个固定圆管6之间距为15cm ；其中，横杆4的长度为1. Om ；其中，所述的支撑杆1、主杆2、顶杆3和横杆4是铝合金管制作。一、实现发明的实施例便携式可遥控植被覆盖测量仪可测量草本和灌木的植被覆盖度，两种覆盖度测量 过程一致。例使用便携式可遥控植被覆盖度一体化测量仪测量草本植被覆盖度。具体过程 如下1.样方的选取。对于草本样方，选取2X2m的样方(大于通常草本植被样方调查 面积要求)，样方位置随机选取并用非绿色细绳框定。样方中心处放置一规则物体以便于判 断拍摄方向是否与水平面垂直。由于目前的方法无法获取某一样地实际的植被覆盖度，因此对于方法的精度无法 直接进行验证，因此这里通过一个简单的模拟实验评估方法的精度。在平坦的水泥地面上， 铺设好拍摄植被样地所使用的2x2的样地，在样地圈定范围内，随机放置已知尺寸的规则 物体，通过计算相片上提取的规则物体的面积与其实际覆盖面积的比例，来估算本方法的 精度。由于利用图像处理自动提取植被覆盖度的算法本身存在一定误差，直接使用无法 较准确地说明仪器测量误差，因此，使用人工提取的方法提取标准物体的覆盖度。当然，利 用这种方法提取的覆盖度也有由于人为主观判断引起的误差，但可以认为误差相对较小。 同时，利用多张相片(这里使用了 10张)提取求平均值的方法提高计算精度。在这10张相片中，规则物的摆放规则为将4个较大标准物置于4*4块地砖的 四个角上，将2个较小标准物置于中间。在相片中分别提取出规则物的覆盖面积，除以 4*4(80cm*80cm)地砖的总面积，即为规则物的覆盖度。使用的4个较大规则物体是底面为 正方形的圆锥体，边长为13. 7cm，小标志物为圆锥体，底面直径为7. 5cm，计算可得实际上 规则物的覆盖度为0. 1242，而用此仪器获取的各相片植被覆盖度平均值为0. 1486。2、拍 摄过程。便携式可遥控植被覆盖度一体化测量仪的拍摄工具是摄像头。这一工具的使用实 现了平衡的手动调节，且可实时监控拍摄样方在镜头中的位置，建议样方位置尽量在镜头 中部。具体操作过程是使用连有摄像头的笔记本电脑操作，进行拍摄得到图像。3、植被覆盖度计算。利用一个简单的算法，通过设定RGB色彩空间的分量和HSI 色彩空间的色调(H)分量的阈值，对数码相片的植被覆盖度进行提取。通过编写的一个小 程序，实现用户根据需要，人工监督提取结果，自行调整各分量阈值，快速计算输入相片的 植被覆盖度。图6所示为本发明数字图像处理软件流程示意图，程序基于C#编写，编译所 得可执行程序在装有.net Framwork 2. 0版本以上的WindowsXP操作系统下都可以正常运行，拷贝即可，无需另外安装。
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权利要求
一种便携式可遥控植被覆盖度一体化测量仪，其特征在于它是由支撑杆、主杆、顶杆、横杆和摄像头组成，它们之间的位置连接关系是支撑杆和主杆之间通过销轴或螺纹连接，主杆和顶杆通过销轴或螺纹连接，横杆设置在顶杆的固定圆环内，摄像头固定在横杆的端部；所述支撑杆是它的上半部为一段直管，下部为两个尖刺的叉形件，上、下两部分固接；它用于将仪器固定在地上，下面的两个尖刺便于插入地下，使之保持野外仪器的稳定性；所述主杆是一金属管，用于将摄像头升到需要的高度；伴随着地物的不同，可以将主杆进行延长；主杆和支撑杆之间通过销轴或螺纹连接。所述顶杆是金属管制作，其上镶嵌3个固定圆管，用以固定横杆并对测量高度进行微调；所述横杆是金属管制作，一端插进顶杆的固定圆管内，另一端用于固定摄像头；所述摄像头其分辨率在800×600以上，并配备USB加长线。
2.根据权利要求1所述的一种便携式可遥控植被覆盖度一体化测量仪，其特征在于 该支撑杆的长度为1.4-1. 6m。
3.根据权利要求1所述的一种便携式可遥控植被覆盖度一体化测量仪，其特征在于 该主杆由3根以上、长度为0. 9-1. Im可拆卸的金属管组装而成。
4.根据权利要求1所述的一种便携式可遥控植被覆盖度一体化测量仪，其特征在于 该顶杆长度为40-60cm，其上镶嵌3个固定圆管之间距为15-18cm，固定圆 管的内径大于横 杆外径2-4mm。
5.根据权利要求1所述的一种便携式可遥控植被覆盖度一体化测量仪，其特征在于 该横杆的长度为0. 9-1. lm。
6.根据权利要求1所述的一种便携式可遥控植被覆盖度一体化测量仪，其特征在于 该支撑杆、主杆、顶杆和横杆为铝合金管制作。
全文摘要
本发明一种便携式可遥控植被覆盖度一体化测量仪，它是由支撑杆、主杆、顶杆、横杆和摄像头组成。支撑杆和主杆之间通过销轴或螺纹连接，主杆和顶杆通过销轴或螺纹连接，横杆设置在顶杆的固定圆管内，摄像头固定在横杆的端部。本发明通过对仪器材料、外形及结构的改进，提高了仪器的稳定性及可控性；通过对数字图像处理软件系统的开发，提高了植被覆盖度数值获取的自动化程度；通过对拍摄范围的限制、对垂直视角的调整以及摄像头的自动对焦，实现对拍摄范围、边缘变形的较严格的控制，提高了测量植被覆盖度的精度。它在植被覆盖度测量领域里具有实用价值和广阔地应用前景。
文档编号G01C11/02GK101900549SQ20101021625
公开日2010年12月1日 申请日期2010年7月2日 优先权日2010年7月2日
发明者买尔孜娅, 冉静, 唐侥, 孔赟珑, 潘雅婧, 马黎立 申请人:北京师范大学