一種用於分布式葉面積指數半球圖像採集的節點的製作方法

2023-06-10 13:31:22

本發明涉及一種可以用於葉面積指數半球圖像分布式採集的系統，該系統可以自動採集可用於葉面積指數計算的半球圖像，記錄風向、日照與溫溼度數據，並通過3G網絡發往上位機。

背景技術：

植被冠層是植被進行光合作用最主要的部分，通過對植被冠層結構參數的測量，可以對日光輻照截取率、光合作用效果、冠下光線時空分布等進行評估。在諸多冠層結構參數中，用於表示植被冠層單位面積上葉面積總量的葉面積指數(Leaf Area Index.LAI)最為重要。LAI的測量方法可分為直接法與間接法。直接法冠層測量需要對植被進行大範圍的破壞性採樣，且人力物力消耗較大，而間接法則可避免上述問題。基於魚眼鏡頭的半球圖像LAI測量技術由於其精確性和有效性，在國內外得到了廣泛的研究。在測量中，通過採集垂直方向180°範圍內的植被冠層圖像信息並輔以後處理算法，即可以獲得冠層結構對應的LAI。但是現有半球圖像冠層測量技術多藉助單眼相機與魚眼鏡頭組合進行圖像採集。測量者需要進入冠層下方手工採集圖像，單眼相機與鏡頭也無法在外場長期安放以跟蹤植被較長生長周期內的冠層變化。尤其是在一些邊遠環境下，較難進行植被冠層長期人工監測。由於在森林或農田中，植被冠層分布具有較大的隨機性，所以為了能夠可以儘可能精確地對特定區域上的植物葉面積指數進行測量，應該採用多點布設、同時採集的方案。但是傳統的葉面積半球圖像採集方案的設備成本較高，也無法同時自動進行分布式的圖像採集。

近年來隨著嵌入式與圖像技術的發展，遠程低成本冠層半球圖像採集技術成為可能。但是在對冠層圖像進行採集時，為了避免葉片對太陽輻射的散射效果使部分葉片混入天空像元，通常在雲層均勻分布的日出後一小時或日落前一小時內進行。冠層對光照強度也有較大影響。而低成本圖像採集設備由於CCD與鏡頭內鏡片組等的限制，在這一條件下的成像具有一定的魚眼非對中誤差。如果要得到較為精確的LAI計算結果，必須要對圖像的有效性進行判別，剔除部分誤差較大圖像。

技術實現要素：

本發明的目的是提供一種遠程葉面積指數半球圖像採集系統。

為了達到上述目的，本發明的技術方案是提供了一種用於分布式葉面積指數半球圖像採集的節點，其特徵在於，包括：

核心處理部分包括微控制器及接口晶片，微控制器通過接口晶片連接無線通信部分、半球圖像採集部分、風速傳感器、日光輻照傳感器、溫溼度及凝露傳感器，微控制器在工作中根據其內部的實時時鐘取值結合由上位機發來的當地日升日落時間，決定其採樣時間區域，在該採樣時間區域中按照預期的設定讀取半球圖像採集部分、風速傳感器、日光輻照傳感器、溫溼度及凝露傳感器的數值，之後依據風速傳感器、日光輻照傳感器、溫溼度傳感器及凝露傳感器的輸出對半球圖像採集部分採樣得到的採樣圖像的有效性進行判定，如果有效則通過無線通信部分將採樣圖像及各傳感器的數值發出；

無線通信部分，核心處理部分通過無線通信部分接收上位機發來的控制命令，並將採集完成的圖片發送給上位機；

半球圖像採集部分，用於採集植物冠層下的半球圖片，包括圖像傳感器與低成本魚眼鏡頭組成，低成本魚眼鏡頭選擇定焦鏡頭，成像角度接近180度，且在天頂角57度附近有較為清晰的成像效果；

風速傳感器，用於檢測冠層半球圖像採集時的風速；

日光輻照傳感器，用於檢測冠層半球圖像採集時的日光輻照值；

溫溼度傳感器及凝露傳感器，用於監測節點周圍的環境溫溼度及凝露現象。

優選地，所述微控制器依據所述風速傳感器判斷採樣圖像有效性的方法為：

當微控制器根據節點內置的實時時鐘開始讀取所述半球圖像採集部分的採樣圖像時，同時通過風速傳感器獲得風速，如果風速大於預先設定的閾值，則停止讀取所述半球圖像採集部分。

優選地，所述微控制器依據所述凝露傳感器判斷採樣圖像有效性的方法為：

所述微控制器通過所述凝露傳感器實時採集環境凝露數據，若有凝露現象，則停止讀取所述半球圖像採集部分。

優選地，微控制器依據所述日光輻照傳感器判斷採樣圖像有效性的方法為：

所述日光輻照傳感器以不同的採樣間隔採樣得到大刻度日光輻照數據及細刻度日光輻照數據，大刻度日光輻照數據對應的採樣間隔大於細刻度日光輻照數據對應的採樣間隔，上位機根據前一採樣時段的大刻度日光輻照數據經插值計算得到的當前採樣時段的輻照參考值，微控制器在當前採樣時段依照輻照參考值與細刻度日光輻照數據及其方差實現採樣圖像有效性的判定，如果不符合判定閾值，則僅向上位機發出當前採樣時段內的細刻度日光輻照數據及報錯信息。

優選地，採用預標定的方法確定低成本魚眼鏡頭的變形參數，並加以矯正，包括以下步驟：

以天頂角對應的57度處設置一個黑色環形作為基線，之後在[25°，65°]這一天頂角線性區內每隔5度為一環設置標定線，環形設置在白色亮光背景牆上，在標定時將半球圖像採集部分的成像中心對準各環形圖標的共同中心，之後進行圖像採集，然後根據圖像採集中各環相對中心的相對移動作為插值的基礎，之後對各像素所對應的投影位置根據各環上的偏移量進行插值，得到圖像中各像素點的偏移值，並由此形成一個魚眼誤差位移校正矩陣，所述微控制器依據魚眼誤差位移校正矩陣對所述半球圖像採集部分採集得到的採樣圖像進行誤差校正。

本發明提出了一種遠程葉面積指數半球圖像採集系統，系統採用嵌入式平臺結合低成本魚眼鏡頭對植物冠層圖像進行採集，並監測風向、日照及溫溼度數據，以便確定圖像的有效性。冠層圖像與監測數據通過3G數據通道由節點傳輸至上位機，以便上位機進行分析處理。

本發明針對葉面積指數研究所需植物冠層下180度半球圖像的採集需求，通過自動化的監測節點在不需要人工幹預的情況下對其進行採集。在採集過程中還對風速、日光光照、溫溼度進行採集，以便判定圖像的有效性。此外為了彌補低成本半球圖像採集系統成像誤差，給出對了低成本魚眼鏡頭的誤差校訂抑制方法。為了滿足分布式測量的要求，本發明還滿足結構簡單、成本低廉、可靠性高等條件，能夠實現3G無線傳輸。

附圖說明

圖1為一種用於分布式葉面積指數半球圖像採集的節點原理圖；

圖2為實施例節點結構圖。

具體實施方式

為使本發明更明顯易懂，茲以優選實施例，並配合附圖作詳細說明如下。

本發明涉及一種可以對用於計算葉面積指數的冠層半球圖像進行自動分布式採集的節點。節點可以自動採集植物冠層的半球圖像，並且可以採集風速、日光光照與溫溼度數據用於圖像有效性的判定。完成採集判定後還可通過3G網絡將採集圖片發往上位機。該節點由核心處理部分、3G通信部分、半球圖像採集部分、風速傳感器、日光輻照傳感器、溫溼度及凝露傳感器及供電部分組成。

系統核心部分選擇低功耗嵌入式處理晶片及接口晶片，負責節點的管理與連接外部傳感器工作。3G通信部分用於接收上位機發來的控制命令並將採集完成的圖片發往上位機。半球圖像採集部分由組成圖像傳感器與低成本魚眼鏡頭組成，用於採集植物冠層下的半球圖片。風速傳感器用於檢測冠層半球圖像採集時的風速。日光輻照傳感器用於檢測冠層半球圖像採集時的日光輻照值。溫溼度傳感器及凝露傳感器用於監測節點周圍的環境溫溼度及凝露現象。供電部分用於為系統提供穩定的電力供給。

核心處理部分主要負責節點的管理與外部設備的接口，其由基於ARM內核的低功耗32位微控制器、用於傳感器連接的接口晶片與外圍電路組成。核心處理部分中的微控制器在工作中根據其內部的實時時鐘取值結合由上位機發來的當地日升日落時間，決定其採樣時間區域，在該時間區域中按照預期的設定讀取圖像傳感器與環境傳感器的數值，之後進行有效性判定，如果有效則通過3G數據模塊將採樣圖像及環境傳感器的數值發出。在微控制器選型中應選擇具有較強處理能力，並具有較低功耗的型號。接口晶片用於連接外部傳感器，由於在使用中會遇到電磁噪聲等外部幹擾，推薦選擇具有較好電磁隔離性能，並且外圍電路簡單的接口模塊。核心處理部分及接口晶片的外圍電路用於晶片的濾波與信號電平轉換等，推薦選用0805等表帖封裝的高精度電阻電容等。在本實施例中，微處理器選擇STM32F407，其基於ARM Cortex M4內核。STM32F407還集成了ADC、DAC、串行接口、外存接口、實時時鐘等豐富的內部資源，有助於實現高集成度的系統結構。

3G通信部分用於節點向上位機發出有效的冠層半球圖像及環境參數，並用於從上位機接收控制命令。應儘可能選擇支持透明傳輸的3G數據傳輸模塊。3G通信部分與微控制器的接口應儘可能選擇具有串行或I2C等簡單接口的型號。另外還希望該3G通信部分支持基於簡訊的遠程配置，以方便系統維護。

本實施例中，3G通信部分選用廣州致遠公司生產的ZWD-35B串口3G透傳模塊，模塊工作於800MHz的CDMA-2000EV-DO網絡制式，上行與下行傳輸速率分別為1.8Mbps與3.1Mbps。ZWD-35B與STM32F407通過RSM3485CHT單路高速隔離RS-485收發器進行通信。

半球圖像採集部分由圖像傳感器與低成本魚眼鏡頭組成。圖像傳感器應選擇具有成像效果較好，且易於與微控制器連接的型號。魚眼鏡頭應選擇定焦鏡頭，以便降低圖像傳感器成像難度。魚眼鏡頭的成像角度應接近180度，尤其是在對葉面積指數計算具有重要意義的天頂角57度附近有較為清晰的成像效果。

本實施例中，圖像採集部分選用OV2640與VMAX-K1A魚眼鏡頭適配器的組合。OV2640可實現200萬像素的圖像採集，結合視角為180度VMAX-K1A，可以有效採集上半球的冠層圖像。設計中還使用PMMA可調扣具用於適配VMAX-K1A與OV2640的焦距和視場，使圖像在採集時達到最優化的效果。在OV2640的兩側安置二維水平珠，用以保證節點安裝時提供水平參考依據。

通常魚眼鏡頭由於鏡頭工藝及相機機身接口的細微誤差會造成鏡頭光學中心與照片中心不重合。而低成本魚眼鏡頭其內部的鏡片數量與加工誤差限制，圖像各部分的不均衡失真變形較單反魚眼鏡頭更甚。不過如果魚眼鏡頭為定焦鏡頭，具有唯一的投影方程。就可以採用預標定的方法確定變形參數，並加以矯正。由於在天頂角為57度附近區域內葉傾角約為0.5，所以由該區域所對應的環形圖像中可以直接計算葉面積指數。由於存在該特性，所以我們在進行魚眼校正中，不採用傳統帶十字標的馬賽克牆校正方法，而是以天頂角對應的57度處設置一個黑色環形作為基線，之後在[25°，65°]這一天頂角線性區內每隔5度為一環設置標定線。前述標定環寬度在水平投影為1％，環形設置在白色亮光背景牆上。在標定時將節點的成像中心對準各環形圖標的共同中心(使用黑色十字進行標記)，之後進行圖像採集。然後根據圖像採集中各環相對中心的相對移動作為插值的基礎。之後對各像素所對應的投影位置根據各環上的偏移量進行插值。得到圖像中各像素點的偏移值，並由此形成一個魚眼誤差位移校正矩陣。由此在對節點採集得到的冠層半球圖片的處理中，將依據該位移校正矩陣，對魚眼誤差進行校正。

由於植物冠層受風作用會發生運動，如果在風力變化較大時進行圖像採集則會造成成像圖片中葉片邊緣模糊，使部分葉片像元與天空像元難以分辨。所以節點設置風力傳感器對半球圖像採集時刻的風速數據進行監測。風力傳感器推薦使用金屬或碳纖維材料作為風動結構的型號，另外從簡化系統開發角度應儘可能選擇串行接口的風速傳感器。

本實施例中，節點風速傳感器採用上海搜博實業有限公司出品的SM5386B型風速傳感器。SM5387B風動結構採用鋁合金材料，有較大的抗風強度。SM5386B與STM32F407通過RSM485CHT單路高速隔離RS-485收發器進行通信。

日光輻照傳感器用於採集冠層上方的日光輻照數據，當日光輻照數據在圖像採集時變化較大則有可能造成不同節點間和同一節點在不同時刻的採樣誤差。推薦選擇具有較高戶外工作可靠性，輸出接口簡單的型號。可考慮選擇串口、SPI、I2C或模擬輸出的型號，傳感器本身還應符合良好的餘弦響應特性，以便在日照的不同入射角度上都可得到準確輸出。

在本實施例中，日光輻照傳感器採用Davis-6450日光輻照傳感器，該傳感器依照1.67mV-1W/m2的比例關係將日光輻照數據轉化為電壓輸出以供STM32F407進行A/D採集。使用時6450置於冠層上方50cm-100cm位置。

雲層快速變化與冠層中葉片受風抖動都會造成冠層下日光輻照強度改變，這將對系統圖像採集造成不利影響。前者破壞了日光輻射的均勻散射效果，並有可能造成部分葉片混入天空像元中。而後者則會造成圖像中的運動抖動模糊。現場節點在圖像採集的過程中獲得的大刻度與細刻度日光輻照數據有助於實現對日照氣象條件的分析。在晴朗無雲與雲層均勻分布的條件下，日光輻照數據隨時間的變化都為一緩變曲線。大刻度與細刻度採樣數據偏差較小，且晴朗無雲與雲層均勻分布可由輻照強度數據區別開。而在雲層快速運動時，大刻度與細刻度採樣數據有較大偏差，且在圖像採集時段內也會出現輻照強度一定程度上的波動，如果超過我們預先設定的波動容忍閾值，則可判定圖像數據無效。而葉片受風抖動也會造成日光輻照的快速變化。同樣利用大刻度/細刻度數據比較及閾值判決的方式可判定圖像數據的有效性。在上位機發來的採樣控制信息中包含由大刻度數據時經插值計算得到的輻照參考值，現場節點依照該參考值與細刻度數據及其方差實現圖像數據有效性判定。如果採樣時輻照氣象數據不符合判定閾值，則僅向上位機發出該時段內的細刻度日光輻照數據及報錯信息。當冠層半球圖像採集之前打開節點上的風力傳感器。在本發明中，通過設定風力中止採樣閾值來防止由於冠層葉片晃動引起的無效圖像採樣。當微控制器根據節點內置的實時時鐘開始讀取圖像傳感器數據時，其同時讀取風速傳感器的數據。如果風速傳感器的讀數大於預先設定的閾值，則停止讀取圖像傳感器。

溫溼度傳感器及凝露傳感器用於監測節點周圍的溫溼度，用於為節點維護提供相關信息。而如果戶外出現凝露，魚眼鏡頭通常會由於表面上凝結的露水而使成像效果急劇下降。所以在節點工作中將實時採集環境凝露數據，如發現有凝露現象，則中斷冠層圖像採集。推薦溫溼度傳感器與凝露傳感器選用模擬輸出、1-wire、UART或I2C等輸出的型號，以便於系統開發與維護。

本實施例中，溫溼度傳感器採用廣州奧松公司生產的AM2306型戶外耐候溫溼度傳感器，節點周圍的環境溫溼度由STM32F407通過1-wire通信協議由AM2306戶外耐候型傳感器獲得。

本實施例中，凝露傳感器採用廣州奧松公司生產的HDS10凝露傳感器。該傳感器與STM32F407的接口使用300KΩ∶50KΩ的電阻進行分壓。在使用中，該傳感器布置於OV2640的側方。

節點通常布設於無市電的戶外環境當中，所以應採用太陽能或者風能供給節點所需的能源。考慮到太陽能與風能供電常用形式，推薦使用DC-DC結合LDO的方式為節點提供較為穩定的電源。太陽能或風能產生的電能儲存在鉛酸電池中，鉛酸電池的輸出通過具有較高轉換效率的DC-DC模塊變換到較低的電壓上。之後再由LDO為微控制器等需要較小波紋的器件提供電能。

本實施例中，系統供電部分採用太陽能+DC/DC結合LDO的方式，從而獲得高效率的多電壓輸出。太陽能採用200W單晶矽太陽能電池板結合太陽能控制器，太陽能系統產生的電能儲存在12V120AH的鉛酸蓄電池中。鉛酸電池的輸出電壓為12V，該12V電壓一路通過電源適配器為ZWB-35B模塊供電；另外一路通過隔離型ZY_URBD-15W寬壓輸入隔離穩壓單輸出電源模塊轉換為5V，之後分別通過TPS73033與TPS73030提供3.3V與3.0V電壓輸出。

節點在放置前進行圖像校準，實施中節點與參考平面距離150cm，標定使用OpenCV軟體。在使用中，如果要對某一植株或數個植株組成的小區域進行測量，可將數個半球圖像採集節點安置在植株冠層正下方或不同植株冠層交界處。如果要對某一特定區域進行測量，推薦設置多個節點，並將其布設在同一測量區域中的多個位置。上位機可以通過每一個節點的硬體地址識別具體是哪一個節點向上位機發回的有效圖像。日光輻照閾值為[80％ 120％]，風速閾值設為10m/s。

本發明具有如下功能組合

1、節點在現場安裝之前，進行魚眼校正，並獲得其唯一的魚眼誤差位移校正矩陣，未來上位機將使用該矩陣對該節點採集的冠層半球圖像進行校正；此外節點在現場安裝前，還將對其內部實時時鐘依照布設區域的具體時間進行設置；

2、將節點安裝在要進行冠層測量的位置，並上電啟動；

3、節點在每日的凌晨，接收上位機發來的當日日升日落時間。節點根據該時間，確定具體的圖像採集時間-在日升後及日落前1小時內，每隔1分鐘採樣一幅圖像並驗證其有效性。如果有效就通過3G網絡發往上位機；

4、節點上電後將以5分鐘為周期不斷地監測日光輻照數據和溫溼度的變化，獲得大刻度的日光輻照與溫溼度數據，並將採集結果發回上位機。如果節點進入日升後及日落前1小時的圖像採集周期內，節點將以5秒為周期採樣日光輻照數據與風速數據；

5、每次進行圖像採集時依據日光輻照與風速相關的圖像有效性判定條件，確定圖像的有效性，如果無效，則捨棄該幅圖像。