一种基于图像反演的土壤水分测定装置的制作方法

本实用新型涉及土壤水分测定技术领域，特别的涉及一种基于图像反演的土壤水分测定装置。

背景技术：

土壤含水率的测定是土壤理化性质相关研究的基础，对研究土壤水分运动规律以及农田水分管理等具有重要意义。当前，土壤含水率的测定方法主要有烘干法、TDR法、FDR法、中子仪法、γ射线法以及红外辐射法等。但是烘干法费时费力且破坏土壤结构，TDR法和FDR法需要进行多层次监测时需要精准探头因而价格较高，且需要开挖剖面。中子仪法和γ射线法分辨率较低且对人体有辐射危害，红外辐射法仅观测表层土壤水分。这些方法均不能对土壤垂直剖面进行同步动态监测，影响野外测定效率。

数码相机的成像原理是CCD图像传感器（电荷耦合器件）将镜头传递的光信号转变为电信号，再转换成数字信号，贮于存储器中。CCD的“分色滤色片”应用了三原色分色法，并按不同比例合成可以产生大部分颜色。在饱和含水率范围内，不同含水率下土壤图像各异，RGB和HSB值也不同，基于此，根据图像的RGB值或HSB值即可定量得出土壤中的含水量，即利用图像反演土壤含水率，实现对土壤剖面含水率的测定。要利用图像反演得出土壤的含水率，需要先获取清晰的土壤照片，因此，如何获取方便快速地获取土壤剖面的照片成为亟待解决的问题。

技术实现要素：

针对上述现有技术的不足，本实用新型所要解决的技术问题是：如何提供一种成本相对低廉，操作方便，使用安全，能够快速地对土壤剖面测定土壤水分的装置。

为了解决上述技术问题，本实用新型采用了如下技术方案：

一种基于图像反演的土壤水分测定装置，其特征在于，包括用于插入土壤获取土壤图像的探测杆以及集成有图像处理模块的控制器；所述探测杆包括透明的外管体，以及设置在所述外管体内的支撑架；所述支撑架包括沿垂直于所述外管体的轴线方向设置的底板，所述底板上安装有能绕所述外管体的轴线转动的微型云台，所述微型云台上安装有沿所述外管体的径向向外设置的摄像头，以及与所述摄像头朝向一致的补光灯；所述微型云台、摄像头以及补光灯均电连接至所述控制器。

采用上述结构，在对土壤剖面进行水分测量时，将探测杆沿竖向插入土壤内，通过微型云台摄像头旋转实现对同一深度的土壤剖面进行360度拍照。另外，还设置有补光灯，可以避免探测杆插入土壤后，光线太暗，影响拍摄图像的清晰度，有利于提高后期图像处理的精度；同时，还可以使获取的图片亮度一致性较好，避免对不同含水量的土壤的照片HSB值产生不一致的影响，有利于提高测量的精度。

进一步的，所述底板的外形与所述外管体的内孔的横截面形状完全一致，且均为椭圆形。

这样，将外管体的内孔和底板设置成完全一致的椭圆形，可以避免底板在外管体内随微型云台转动，提升摄像头转动的平稳性，提高拍照的清晰度。同时，采用椭圆形的外管体，可以有效减小光线的畸变，提升拍摄质量。

进一步的，所述外管体的内孔的横截面的长轴与短轴之比为1:0.85~1:0.95。

这样，可以使外管体的内孔形状更接近圆形，提高拍摄的清晰度。

进一步的，所述摄像头上还设置有广角镜头，所述广角镜头在竖向方向上的视角为120°~140°。

这样，可以增大摄像头的拍照范围，在对相同深度的土壤进行拍照取样时，能够减少拍照的次数，有利于降低摄像头的工作频率，更少的照片有利于提高后期图片处理的速度。

进一步的，所述控制器集成有用于控制所述摄像头开机、关机以及拍照的控制模块，用于控制微型提升装置和微型电机的电机控制模块，用于对拍摄图像进行几何校正和亮度校正图像处理模块，用于对图像进行数据化处理的数图转换模块以及查询反演模块。

综上所述，本实用新型具有成本相对低廉，操作方便，使用安全，能够快速地对土壤剖面进行含水率测定等优点。

附图说明

图1为本实用新型实施例的结构示意图。

图2为图1中支撑架部分的结构示意图。

具体实施方式

下面结合实施例对本实用新型作进一步的详细说明。

具体实施时：如图1和图2所示，一种基于图像反演的土壤水分测定装置，包括用于插入土壤获取土壤图像的探测杆1以及集成有图像处理模块的控制器2；所述探测杆1包括透明的外管体11，以及设置在所述外管体11内的支撑架12；所述支撑架12包括沿垂直于所述外管体11的轴线方向设置的底板121，所述底板上安装有能绕所述外管体11的轴线转动的微型云台122，所述微型云台122上安装有沿所述外管体11的径向向外设置的摄像头123，以及与所述摄像头朝向一致的补光灯124；所述微型云台122、摄像头123以及补光灯124均电连接至所述控制器2。

采用上述结构，在对土壤剖面进行水分测量时，将探测杆沿竖向插入土壤内，通过微型云台可以带动摄像头旋转，实现对同一深度的土壤剖面进行360度拍照。另外，还设置有补光灯，可以避免探测杆插入土壤后，光线太暗，影响拍摄图像的清晰度，有利于提高后期图像处理的精度。

实施时，所述底板的外形与所述外管体11的内孔的横截面形状完全一致，且均为椭圆形。

这样，将外管体的内孔和底板设置成完全一致的椭圆形，可以避免底板在外管体内随微型云台转动，提升摄像头转动的平稳性，提高拍照的清晰度。同时，采用椭圆形的外管体，可以有效减小光线的畸变，提升拍摄质量。

实施时，所述外管体11的内孔的横截面的长轴与短轴之比为1:0.85~1:0.95。

这样，可以使外管体的内孔形状更接近圆形，提高拍摄的清晰度。

实施时，所述摄像头上还设置有广角镜头，所述广角镜头在竖向方向上的视角为120°~140°。

这样，可以增大摄像头的拍照范围，在对相同深度的土壤进行拍照取样时，能够减少拍照的次数，有利于降低摄像头的工作频率，更少的照片有利于提高后期图片处理的速度。

实施时，所述控制器2集成有用于控制所述摄像头开机、关机以及拍照的控制模块，用于控制微型提升装置3和微型电机的电机控制模块，用于对拍摄图像进行几何校正和亮度校正图像处理模块，用于对图像进行数据化处理的数图转换模块以及查询反演模块。

具体实施时，还可以在外管体的上端设置一个微型提升装置3，所述微型提升装置3的提升端与所述支撑架相连，并能够带动所述支撑架沿所述外管体的轴向移动；这样，设置在外管体内的支撑架能够在重力作用下悬挂在微型提升装置下，并能够跟随微型提升装置上下移动，就能够实现对不同深度的土壤剖面进行拍照。具体的，所述微型提升装置可以为微型卷扬机，包括微型电机，卷筒以及绕在卷筒上的拉绳，所述拉绳的端部连接所述支撑架。还可以进一步在所述外管体的另一端与所述支撑架背离所述微型提升装置的一端之间还连接弹性拉绳。这样，支撑架在弹性拉绳与微型提升装置的相互作用，可以更加平稳地在外管体内移动，有利于提高拍照的清晰度，提高检测的结果。

具体实施时，所述控制器上还集成有液晶显示屏、操控按钮面板和指示灯。测定时，将探测杆竖向插入待测土壤中，摄像头在微型提升装置的作用下竖向移动到各个待测位置，通过微型电机控制摄像头转动，使摄像头在每个待测位置沿周向拍摄一张全景照片后，并将照片传输到控制器的图像处理模块，对图像进行几何校正和亮度校正后，再由数图转换模块将采集到的图片转换成HSB值，用户沿摄像头的旋转方向等间距地在图像上选择采样点，计算模块根据用户的采样点，然后计算采样点的HSB平均值作为该土壤剖面的采样值，在根据该采样值反演计算出该土壤剖面的含水率。具体实施时，还可以通过拍摄的土壤照片的RGB值反演计算出该土壤剖面的含水率。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不以本实用新型为限制，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。