植物群体结构分析装置与方法与流程

本发明涉及农业技术领域，具体涉及一种植物群体结构分析装置与方法。

背景技术：

作物群体是履行光合作用和物质生产职能的组织体系，其形态结构对光截获能力、冠层光合效率以及作物产量均具有重要影响。同时，群体结构也体现了作物品种的遗传特性及其对环境的适应程度，在遗传和环境因素的影响下，作物群体形态结构具有时空变异性。玉米是我国最重要的粮食作物之一，增产潜力巨大。研制一种可快速对玉米群体结构进行分析的方法与装置对于认识、分析和评价作物群体生产，并进一步通过改善群体结构提高作物生产力具有重要意义。

对于玉米群体结构分析一般是对其形态结构进行测量与解析，如对目标群体内的各植株，手动测量各植株位置、株高，及植株内各节间长、各叶片的叶长、叶宽等参数；或采用三维数字化仪对植株形态进行三维数字化，并结合几何建模方法生成玉米群体的几何模型，实现玉米群体结构的测量与分析。

对于玉米群体结构分析，需开展不同密度的实验，这样就需要种植多个小区且在各小区间往复移动，分析效率低，且田间环境下易受外界环境干扰导致精度低等问题，如在田间通过三维扫描直接获取玉米群体点云会受微风影响产生大量噪声点。

技术实现要素：

针对现有技术中的缺陷，本发明提供一种植物群体结构分析装置与方法，能够实现不同密度、不同品种植物群体的快速构建以及无风田间环境的搭建，进而可以获取较为准确的植物群体结构分析结果。

第一方面，本发明提供了一种植物群体结构分析装置，包括：株行距调节单元、田间环境构建单元、三维扫描单元和光分布测量单元；

所述株行距调节单元用于对待进行结构分析的植株群体进行株行距调节；

所述株行距调节单元包括行距调节器和株距调节器，所述行距调节器包括多条平行的滑动杆；所述株距调节器包括多个用于放置植株的滑动托盘，所述滑动托盘位于所述滑动杆上，用于调节植株的株距；

所述田间环境构建单元用于为待进行结构分析的植株群体构建无风的田间环境；

所述田间环境构建单元包括推拉棚，所述推拉棚用于在展开时为待进行三维扫描的植株群体构建无风的田间环境；

所述三维扫描单元用于在所述株行距调节单元调节至预设的株行距，以及所述田间环境构建单元构建好无风的田间环境后对待进行结构分析的植株群体进行三维扫描；

所述光分布测量单元用于在所述株行距调节单元调节至预设的株行距后获取待进行结构分析的植株群体的光分布数据。

可选地，所述株行距调节单元还包括：底座；

所述底座包括水平板以及多条相互平行的底座轨道；

所述行距调节器位于所述底座上，所述滑动杆与所述底座轨道在水平面上为垂直关系。

可选地，所述滑动杆上带有刻度标识。

可选地，所述株距调节器还包括：多条平行设置的可移动的牵引横杆；所述牵引横杆设置在滑动杆上且在水平面上与滑动杆垂直设置；

相应地，所述滑动托盘的一侧设置有托盘挂钩，所述托盘挂钩用于将滑动托盘挂接在所述牵引横杆上。

可选地，所述推拉棚包括可左右伸缩的棚顶、用于支撑棚顶的若干根支架、位于支架底部的推拉滑轮、与推拉滑轮相适应的推拉轨道和位于支架四周的可上下伸缩的挡风片。

可选地，所述推拉棚包括相对设置的第一侧面和第二侧面，其中，第一侧面为固定侧面，第二侧面为可推拉侧面。

可选地，所述推拉棚包括相对设置的第一侧面和第二侧面，其中，第一侧面和第二侧面均为可推拉侧面。

可选地，所述棚顶展开时的面积为待分析的植株群体占地面积的4～6倍。

可选地，所述挡风片包括挡风布和/或挡风板。

第二方面，本发明还提供了一种基于上述植物群体结构分析装置的植物群体结构分析方法，包括：

将待进行结构分析的植株群体中的植株一一设置在滑动托盘上，调节滑动杆以及滑动托盘以满足预设的行距和株距；

将推拉棚展开以覆盖待进行结构分析的植株群体，采用三维扫描单元获取待进行结构分析的植株群体的三维点云数据；

将推拉棚收起，以使待进行结构分析的植株群体暴露在自然光环境下，采用光分布测量单元获取待进行结构分析的植株群体的光分布数据。

由上述技术方案可知，本发明提供的植物群体结构分析装置，通过株行距调节单元，快速构建不同密度、不同品种的植物群体；通过田间环境构建单元，可以搭建无风的田间环境，为获取较为准确的三维扫描数据提供条件；通过三维扫描单元，可以实现对待进行结构分析的植株群体的三维扫描；通过光分布测量单元，可以实现对待进行结构分析的植株群体的光分布数据的获取。通过本发明提供的植物群体结构分析装置，可以较为方便和准确地获取不同密度、不同品种的植株群体的三维点云数据以及光分布测量数据。本发明运用植物群体结构分析装置获取植株群体的三维点云数据和光分布数据，并综合运用植株群体的三维点云数据和光分布数据进行植株群体结构的定量化分析，改善了传统分析方法自动化程度差、效率低、工作量大等问题，丰富了植株群体形态结构分析的技术手段。

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，下面将对实施例或现有技术描述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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例一提供的株行距调节单元的结构示意图；

图2是本发明实施例一提供的田间环境构建单元的结构示意图；

图3是本发明实施例二提供的植物群体结构分析方法的结构示意图；

图1～图2中，1表示底座；2表示底座轨道；3表示滑动杆；4表示滑动托盘；5表示托盘挂钩；6表示牵引横杆；7表示底座支撑；8表示植株；9表示植株群体；10表示推拉轨道；11表示推拉棚的第二侧面(可推拉)；12表示推拉棚的第一侧面(固定)；13表示推拉滑轮；14表示棚顶；15表示支架；16表示挡风片。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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、完整的描述，显然，所描述的实施例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作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。

本发明实施例一提供了一种植物群体结构分析装置，包括：

株行距调节单元、田间环境构建单元、三维扫描单元和光分布测量单元；

所述株行距调节单元用于对待进行结构分析的植株群体进行株行距调节；

所述株行距调节单元包括行距调节器和株距调节器，所述行距调节器包括多条平行的滑动杆；所述株距调节器包括多个用于放置植株的滑动托盘，所述滑动托盘位于所述滑动杆上，用于调节植株的株距；

所述田间环境构建单元用于为待进行结构分析的植株群体构建无风的田间环境；

所述田间环境构建单元包括推拉棚，所述推拉棚用于在展开时为待进行三维扫描的植株群体构建无风的田间环境；

所述三维扫描单元用于在所述株行距调节单元调节至预设的株行距，以及所述田间环境构建单元构建好无风的田间环境后对待进行结构分析的植株群体进行三维扫描；

所述光分布测量单元用于在所述株行距调节单元调节至预设的株行距后获取待进行结构分析的植株群体的光分布数据。

本实施例提供的植物群体结构分析装置，通过株行距调节单元可以实现植株密度的快速调节。此外，通过株行距调节单元还可以实现不同品种植株群体的快速构建。另外，通过田间环境构建单元可以为待进行结构分析的植株群体提供无风的田间环境，便于获取不带噪声的三维点云数据。

例如，可以将大田玉米植株带着主要根系取出装盆，并盖土适当浇水，放置在该装置的水平托盘上，利用行距调节器和株距调节器元，实现指定密度玉米群体的构建与快速调控。此外，还可以展开推拉棚，以构建无风的田间环境，进而获取玉米群体不带噪声信息的三维点云数据。

参见图1和图2，图1为株行距调节单元的结构示意图，图2为田间环境构建单元的结构示意图。图1～图2中，1表示底座；2表示底座轨道；3表示滑动杆；4表示滑动托盘；5表示托盘挂钩；6表示牵引横杆；7表示底座支撑；8表示植株；9表示植株群体；10表示推拉轨道；11表示推拉棚的第二侧面(可推拉)；12表示推拉棚的第一侧面(固定)；13表示推拉滑轮；14表示棚顶；15表示支架；16表示挡风片。

可选地，所述株行距调节单元还包括：底座1；所述底座1包括水平板以及多条相互平行的底座轨道2；所述行距调节器位于所述底座1上，所述滑动杆3与所述底座轨道2在水平面上为垂直关系。

可选地，所述滑动杆3上带有刻度标识。所述滑动杆3上的刻度标识可用于进行株距的准确调节。

可选地，所述株距调节器还包括：多条平行设置的可移动的牵引横杆6；所述牵引横杆6设置在滑动杆3上且在水平面上与滑动杆3垂直设置；

相应地，所述滑动托盘4的一侧设置有托盘挂钩5，所述托盘挂钩5用于将滑动托盘4挂接在所述牵引横杆6上。

其中，在行距调节后，用牵引横杆6挂载托盘挂钩5垂直于行距调节器轨道方向进行统一调整植株位置，实现株距的自主调整。

可选地，所述牵引横杆6带有刻度标识。所述牵引横杆6上的刻度标识可用于进行行距的准确调节。

可选地，所述推拉棚包括可左右伸缩的棚顶14、用于支撑棚顶14的若干根支架15、位于支架底部的推拉滑轮13、与推拉滑轮13相适应的推拉轨道10和位于支架四周的可上下伸缩的挡风片16。

这里，当推拉棚展开时，可左右伸缩的棚顶处于完全伸展状态，当推拉棚收起时，可左右伸缩的棚顶处于完全收缩状态。

这里，当推拉棚展开时，可手动操作挡风片，使得支架四周处于收缩状态的挡风片伸展，以形成一个封闭的推拉棚，保证推拉棚内形成无风的环境。当推拉棚收起时，可手动操作挡风片使得支架四周处于伸展状态的挡风片收缩，以保证挡风片不影响后期的光分布测量。

可选地，所述推拉棚包括相对设置的第一侧面12和第二侧面11，其中，第一侧面12为固定侧面，第二侧面11为可推拉侧面。这种情况下，只需要推拉第二侧面即可实现推拉棚的展开或收起，方便操作。

可选地，所述推拉棚包括相对设置的第一侧面12和第二侧面11，其中，第一侧面12和第二侧面11均为可推拉侧面。这种情况下，可以两人一起协作工作，以完成推拉棚的快速展开或收起。

为了保证在推拉棚内可开展三维点云数据获取，所述棚顶14展开时的面积为待分析的植株群体占地面积的4～6倍。

可选地，所述挡风片16包括挡风布和/或挡风板。所述挡风布或挡风板可以为透明挡风布或挡风板。

本发明实施例提供的植物群体结构分析装置，通过株行距调节单元，快速构建不同密度、不同品种的植物群体；通过田间环境构建单元，可以搭建无风的田间环境，为获取较为准确的三维扫描数据提供条件；通过三维扫描单元，可以实现对待进行结构分析的植株群体的三维扫描；通过光分布测量单元，可以实现对待进行结构分析的植株群体的光分布数据的获取。通过本发明实施例提供的植物群体结构分析装置，可以较为方便和准确地获取不同密度、不同品种的植株群体的三维点云数据以及光分布测量数据。本发明实施例运用植物群体结构分析装置获取植株群体的三维点云数据和光分布数据，并综合运用植株群体的三维点云数据和光分布数据进行植株群体结构的定量化分析，改善了传统分析方法自动化程度差、效率低、工作量大等问题，丰富了植株群体形态结构分析的技术手段。

本发明实施例二提供了一种基于上述实施例提供的植物群体结构分析装置的植物群体结构分析方法，包括如下步骤：

步骤101：将待进行结构分析的植株群体中的植株一一设置在滑动托盘上，调节滑动杆以及滑动托盘以满足预设的行距和株距。

步骤102：将推拉棚展开以覆盖待进行结构分析的植株群体，采用三维扫描单元获取待进行结构分析的植株群体的三维点云数据。

步骤103：将推拉棚收起，以使待进行结构分析的植株群体暴露在自然光环境下，采用光分布测量单元获取待进行结构分析的植株群体的光分布数据。

在获取植株群体的三维点云数据和光分布数据之后，可以综合运用植株群体的三维点云数据和光分布数据进行植株群体结构的定量化分析。

在本步骤102和103中，由于需要进一步利用三维扫描单元(如三维扫描仪)获取三维点云，并利用光分布测量单元进行不同群体的光分布测量，故需在田间搭建推拉棚，以玉米植株群体为例，具体包括如下步骤：

a：推拉棚构建：将推拉棚至于田间，双侧有轨道，四周有可收缩时帆布，推拉棚尺寸要求至少是所构建玉米群体所占地面积的4倍，以保证在棚内可开展三维点云数据获取。

b：当获取玉米群体三维点云数据时，将推拉棚展开，覆盖住玉米群体，并放下帆布，保证群体内无风。该数据描述了当前群体在三维空间内的分布情况，可直接通过在不同维度上统计密度的方式分析数据，也可以利用该数据结合计算机图形学方法构建玉米群体的三维模型，实现群体结构的精确分析。

c：当获取玉米群体的光分布数据时，将推拉棚收起，使玉米群体完全在自然光环境下，采用光分布测量单元开展光分布测量。

从上面描述可知，针对同一目标群体，可同步获取群体三维点云数据和群体光截获数据，并将二者结合实现较为全面的玉米群体结构定量化对比分析。

本发明提供的植物群体结构分析装置，通过株行距调节单元，快速构建不同密度的玉米群体；通过田间环境构建单元，搭建田间可控环境，通过调节推拉棚实现无风环境和自然光环境的快速切换，保证了植株群体三维点云和光分布测量数据的准确性。此外，本发明还运用植物群体结构分析装置获取植株群体的三维点云数据和光分布数据，并综合运用植株群体的三维点云数据和光分布数据进行植株群体结构的定量化分析，改善了传统分析方法自动化程度差、效率低、工作量大等问题，丰富了植株群体形态结构分析的技术手段。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上实施例仅用于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。