自走式苗木树干表型信息采集系统及其采集方法技术方案

本发明专利技术公开了一种自走式苗木树干表型信息采集系统及其采集方法，包括软件处理模块、行车平台和信息采集系统；信息采集系统包括上相机升降装置、下相机升降装置和伸缩夹持装置，下相机升降装置下端与行车平台连接，上相机升降装置下端与伸缩夹持装置连接，上相机升降装置和下相机升降装置位于同一条竖直方向上。本发明专利技术的采集系统能够更加方便准确地对植物整个生长期表型的变化进行检测和无损测量。本发明专利技术的采集方法中，树干表型信息采集的效率较高，既能精确测量树干胸径，又能通过图像采集获得多高度直径、活枝下高、削度、材积、树皮颜色、树干健康程度等多种树干表型参数，过程中注重保护植株的枝干避免损伤，能够减小测量对植株生长的影响。

【技术实现步骤摘要】
自走式苗木树干表型信息采集系统及其采集方法
本专利技术涉及面向林地种植的处于生长期的苗木树干的表型检测领域，具体涉及一种对中小型苗木在自然环境下生长过程的自走式苗木树干表型信息采集系统及其采集方法。
技术介绍
基因组测序工作的快速发展带来一个新的问题，缺乏合适的高通量表型获取技术获取对应的表型信息。在获得海量植物基因组信息的基础上，如何高通量、高分辨率、高效地解析基因、表型及环境响应三者的相互作用机理已成为一个全新的挑战。植物表型数据涵盖生理、生化、生态及生长动态等多维尺度，它以植物栽培和植物育种的实际需求为导向，依赖自动化、现代化的表型平台来实现。苗木的诸多表型特性，反映了苗木的生长整个过程，或者基因型与其生长环境动态变化的互作关系。苗木表型特性的采集，对苗木生长状况的监控、苗木的成活率的提高、优株的苗期筛选有着重要的意义。树干的表型参数包括胸径、活枝下高、削度、材积、树皮颜色、树干健康程度等。胸径，又称干径，指乔木主干离地表面胸高处的直径，胸径是森林调查中最为主要的基础数据，也是构建立木材积方程和生物量模型等所用的基本测树因子。为了便于测量及减少测量误差，我国采用树高1.3m处的直径作为胸径。目前的林业测树技术中已有高性能光学测树仪器能够准确测量树干不同高度处的直径。活枝下高，是指地面到活立木树冠的最低枝杈点的高度，是树干修剪时决定树冠高度及冠高比的重要因素。如为用材类树种，认为其活枝下高的值越大越好，以提高木材的产出；如为观赏型树种，认为其活枝下高的值越小越好，有益于树冠形成后规整好看。削度，是指树干直径沿其树干向上随干径位置的升高而逐渐减小变化的程度，即随着树干高度增加而逐渐变细的缓急程度。它是描述树干干形好坏的重要度量指标，削度值的大小直接影响材积和出材率。削度分绝对削度和相对削度。绝对削度是树干上相距1米两端直径之差，相对削度通常以胸径为100％，其它各断面之直径与其相比的百分数。材积，即立木蓄积，树木经济利用的主要部分是树干，因此材积是林木经营利用的基本经济指标，在木工业生产、森林资源调查、生物量和碳储量研究等方面有着广泛的应用。目前计算活立木材积的常规方法是，利用样木的胸径、树高测量值，查阅立木材积表或使用材积求算单株活立木材积。树皮颜色，是树木种类的识别的依据，也可以通过树干颜色判断树干的健康程度，一般通过色卡比对来确定。树干健康程度，根据树干表面的颜色、节子和纹理等表面形貌特征，可以判断出树木表面是否有虫洞、破损或是腐坏，以此可以评估树干的健康程度。传统的人工接触式胸径测量方法存在劳动强度大、人力成本高、效率低等缺陷，难以满足当前林业信息化发展要求，而全站仪等精密设备因限于其体积、重量、操作复杂程度及成本等因素，在林业调查中难以普及。近景摄影测量虽然可以在一定程度上解决上述问题，但其解算步骤繁琐，不可避免会具有一定误差，仍不能完全满足实地测量需要。国外研制的自伸长接触式卡尺测径仪，操作简单，可满足长期监测胸径变化的要求，但需要将测径仪钉与树木表面，对树木有所损伤，且一棵树木需要一个测径仪，对于大样本的监测来说成本昂贵。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足提供一种自走式苗木树干表型信息采集系统及其采集方法，本自走式苗木树干表型信息采集系统及其采集方法可以对多种经济及观赏型苗木进行半自动化无损测量，从而更便捷地获得苗木生长过程中的全动态表型数据；测量准确性高；成本低；效率高。为实现上述技术目的，本专利技术采取的技术方案为：自走式苗木树干表型信息采集系统，包括软件处理模块、行车平台以及安装在行车平台上的信息采集系统；所述信息采集系统包括上相机升降装置、下相机升降装置和伸缩夹持装置，所述行车平台通过支杆与伸缩夹持装置固定连接，所述下相机升降装置的下端与行车平台固定连接，所述上相机升降装置的下端与伸缩夹持装置固定连接，所述伸缩夹持装置位于上相机升降装置和下相机升降装置之间，所述上相机升降装置和下相机升降装置位于同一条竖直方向上，所述上相机升降装置和下相机升降装置的结构相同且对称设置；所述上相机升降装置包括上相机和用于驱动上相机升降的直线丝杆模组，所述上相机与直线丝杆模组连接；所述下相机升降装置均包括下相机和用于驱动下相机升降的直线丝杆模组，所述下相机与直线丝杆模组连接；所述伸缩夹持装置包括电动伸缩结构、电动夹紧结构和胸径测量装置，所述电动伸缩结构的一端与支杆连接，另一端与电动夹紧结构连接，所述电动夹紧结构与胸径测量装置连接；所述上相机、下相机、直线丝杆模组、电动伸缩结构和电动夹紧结构均与软件处理模块连接。作为本专利技术进一步改进的技术方案，所述上相机和下相机均采用CCD相机；所述电动夹紧结构包括双向丝杆模组和两个外夹板，两个外夹板与双向丝杆模组连接，所述双向丝杆模组用于驱动两个外夹板相对靠近或远离；所述双向丝杆模组与软件处理模块连接。作为本专利技术进一步改进的技术方案，所述胸径测量装置包括两个内夹持环，每个所述外夹板的弧形端部均转动连接有内夹持环，所述外夹板用于在双向丝杆模组的驱动下带动两个内夹持环相互重合夹紧；所述内夹持环包括半圆环形的固定环、胸径测量卡尺、测量卡尺恢复弹簧和树干自适应弹簧，所述固定环的外圆面设有弧形凹槽，所述凹槽的一端固定连接有测量卡尺恢复弹簧，所述胸径测量卡尺的一端与固定环的一端内侧固定连接，所述固定环的另一端设有卡尺贯穿孔，所述胸径测量卡尺的另一端穿过卡尺贯穿孔并折弯缠绕在凹槽的槽壁上直到与测量卡尺恢复弹簧的另一端固定连接，所述固定环的内圆面连接有多个树干自适应弹簧，所述树干自适应弹簧位于胸径测量卡尺与固定环的内圆面之间；所述固定环的上端面和下端面上均内嵌有能自由转动的滚动珠，所述外夹板与固定环的配合面开设有能与滚动珠匹配的环形滚槽，使得固定环能在外夹板上自由旋转；每个所述外夹板内侧均设有传感器，所述传感器位于靠近两个内夹持环的重合位置，所述传感器用于测量卡尺拉伸长度，所述传感器与软件处理模块连接；其中一个与外夹板转动连接的内夹持环的固定环端部设有测量卡尺固定块，该测量卡尺固定块位于固定环中心侧的胸径测量卡尺向固定环外圆面的凹槽折弯处，所述固定环上的测量卡尺固定块用于在两个固定环重合夹紧时固定另一个固定环上的胸径测量卡尺。作为本专利技术进一步改进的技术方案，所述胸径测量卡尺的表面均匀并间隔分布有多个等腰三角形齿，所述测量卡尺固定块的端部能嵌入到相邻两个等腰三角形齿之间从而对胸径测量卡尺的移动进行限位；所述树干自适应弹簧有3个，均匀并间隔的环形分布于固定环中心侧内圆面。作为本专利技术进一步改进的技术方案，所述软件处理模块包括微型主板和表型数据提取模块，所述上相机、下相机、直线丝杆模组、双向丝杆模组、电动伸缩结构和传感器均与微型主板连接，所述微型主板安装在所述行车平台上，所述表型数据提取模块位于外部计算机主站内，所述微型主板通过5G通讯模块与外部计算机主站无线通信连接。作为本专利技术进一步改进的技术方案本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.自走式苗木树干表型信息采集系统，包括软件处理模块、行车平台以及安装在行车平台上的信息采集系统，其特征在于：/n所述信息采集系统包括上相机升降装置、下相机升降装置和伸缩夹持装置，所述行车平台通过支杆与伸缩夹持装置固定连接，所述下相机升降装置的下端与行车平台固定连接，所述上相机升降装置的下端与伸缩夹持装置固定连接，所述伸缩夹持装置位于上相机升降装置和下相机升降装置之间，所述上相机升降装置和下相机升降装置位于同一条竖直方向上，所述上相机升降装置和下相机升降装置的结构相同且对称设置；/n所述上相机升降装置包括上相机和用于驱动上相机升降的直线丝杆模组，所述上相机与直线丝杆模组连接；所述下相机升降装置均包括下相机和用于驱动下相机升降的直线丝杆模组，所述下相机与直线丝杆模组连接；/n所述伸缩夹持装置包括电动伸缩结构、电动夹紧结构和胸径测量装置，所述电动伸缩结构的一端与支杆连接，另一端与电动夹紧结构连接，所述电动夹紧结构与胸径测量装置连接；/n所述上相机、下相机、直线丝杆模组、电动伸缩结构和电动夹紧结构均与软件处理模块连接。/n

【技术特征摘要】
1.自走式苗木树干表型信息采集系统，包括软件处理模块、行车平台以及安装在行车平台上的信息采集系统，其特征在于：
所述信息采集系统包括上相机升降装置、下相机升降装置和伸缩夹持装置，所述行车平台通过支杆与伸缩夹持装置固定连接，所述下相机升降装置的下端与行车平台固定连接，所述上相机升降装置的下端与伸缩夹持装置固定连接，所述伸缩夹持装置位于上相机升降装置和下相机升降装置之间，所述上相机升降装置和下相机升降装置位于同一条竖直方向上，所述上相机升降装置和下相机升降装置的结构相同且对称设置；
所述上相机升降装置包括上相机和用于驱动上相机升降的直线丝杆模组，所述上相机与直线丝杆模组连接；所述下相机升降装置均包括下相机和用于驱动下相机升降的直线丝杆模组，所述下相机与直线丝杆模组连接；
所述伸缩夹持装置包括电动伸缩结构、电动夹紧结构和胸径测量装置，所述电动伸缩结构的一端与支杆连接，另一端与电动夹紧结构连接，所述电动夹紧结构与胸径测量装置连接；
所述上相机、下相机、直线丝杆模组、电动伸缩结构和电动夹紧结构均与软件处理模块连接。


2.根据权利要求1所述的自走式苗木树干表型信息采集系统，其特征在于：所述上相机和下相机均采用CCD相机；
所述电动夹紧结构包括双向丝杆模组和两个外夹板，两个外夹板与双向丝杆模组连接，所述双向丝杆模组用于驱动两个外夹板相对靠近或远离；
所述双向丝杆模组与软件处理模块连接。


3.根据权利要求2所述的自走式苗木树干表型信息采集系统，其特征在于：所述胸径测量装置包括两个内夹持环，每个所述外夹板的弧形端部均转动连接有内夹持环，所述外夹板用于在双向丝杆模组的驱动下带动两个内夹持环相互重合夹紧；
所述内夹持环包括半圆环形的固定环、胸径测量卡尺、测量卡尺恢复弹簧和树干自适应弹簧，所述固定环的外圆面设有弧形凹槽，所述凹槽的一端固定连接有测量卡尺恢复弹簧，所述胸径测量卡尺的一端与固定环的一端内侧固定连接，所述固定环的另一端设有卡尺贯穿孔，所述胸径测量卡尺的另一端穿过卡尺贯穿孔并折弯缠绕在凹槽的槽壁上直到与测量卡尺恢复弹簧的另一端固定连接，所述固定环的内圆面连接有多个树干自适应弹簧，所述树干自适应弹簧位于胸径测量卡尺与固定环的内圆面之间；所述固定环的上端面和下端面上均内嵌有能自由转动的滚动珠，所述外夹板与固定环的配合面开设有能与滚动珠匹配的环形滚槽，使得固定环能在外夹板上自由旋转；每个所述外夹板内侧均设有传感器，所述传感器位于靠近两个内夹持环的重合位置，所述传感器用于测量卡尺拉伸长度，所述传感器与软件处理模块连接；
其中一个与外夹板转动连接的内夹持环的固定环端部设有测量卡尺固定块，该测量卡尺固定块位于固定环中心侧的胸径测量卡尺向固定环外圆面的凹槽折弯处，所述固定环上的测量卡尺固定块用于在两个固定环重合夹紧时固定另一个固定环上的胸径测量卡尺。


4.根据权利要求3所述的自走式苗木树干表型信息采集系统，其特征在于：所述胸径测量卡尺的表面均匀并间隔分布有多个等腰三角形齿，所述测量卡尺固定块的端部能嵌入到相邻两个等腰三角形齿之间从而对胸径测量卡尺的移动进行限位；
所述树干自适应弹簧有3个，均匀并间隔的环形分布于固定环中心侧内圆面。


5.根据权利要求3所述的自走式苗木树干表型信息采集系统，其特征在于：所述软件处理模块包括微型主板和表型数据提取模块，所述上相机、下相机、直线丝杆模组、双向丝杆模组、电动伸缩结构和传感器均与微型主板连接，所述微型主板安装在所述行车平台上，所述表型数据提取模块位于外部计算机主站内，所述微型主板通过5G通讯模块与外部计算机主站无线通信连接。


6.根据权利要求5所述的自走式苗木树干表型信息采集系统，其特征在于：所述行车平台上还安装有电源箱，所述电源箱内设有锂电池组电源，所述5G通讯模块和微型主板均位于电源箱内，所述锂电池组电源用于为上相机、下相机、直线丝杆模组、双向丝杆模组、电动伸缩结构、传感器、微型主板和5G通讯模块供电。


7.根据权利要求6所述的自走式苗木树干表型信息采集系统，其特征在于：所述微型主板通过5G通讯模块远程连接有遥控装置，所述遥控装置用于通过5G通讯模块发送控制信号到微型主板，所述微型主板通过遥控装置远程发送的信号控制行车平台前进后退和自由转向。


8.一种自走式苗木树干表型信息采集系统的采集方法，其特征在于：
包括以下步骤：
(1)初始状态下，上相机位于直线丝杆模组的下限位以及伸缩夹持装置上方，下相机位于另一直线丝杆模组的下限位以及行车平台上方，电动伸缩结构处于缩回状态；
(2)遥控装置远程控制行车平台行进到待测苗木旁边时，上相机拍摄待测苗木树干位置图片，发送位置图片到微型主板，微型主板内的图像处理模块对位置图片进行处理，定位到苗木树干位置，并计算行车平台行进距离使得树干处于两个外夹板中间；微型主板对行车平台进行位置和转向角度的微...

【专利技术属性】
技术研发人员：张慧春，张萌，周宏平，郑加强，边黎明，
申请(专利权)人：南京林业大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32