專利名稱：一種便攜式可遙控植被覆蓋度一體化測量儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種測量儀，尤其涉及一種便攜式可遙控植被覆蓋度一體化測量儀， 屬于光學(xué)計算設(shè)備技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
小尺度的植被覆蓋度測量的傳統(tǒng)方法主要有兩種目視測量法和照相法。目視測 量法依靠個人經(jīng)驗進(jìn)行田間判讀，人為主觀性強(qiáng)，隨機(jī)性大；照相法是利用相機(jī)得到需測區(qū) 域的垂直成像，再利用計算機(jī)圖像處理技術(shù)提取植被信息，計算植被覆蓋度。目前近景攝影 測量法在植被覆蓋度測算中已有一些成功的應(yīng)用和發(fā)展，已有大量學(xué)者在研究工作中論證 了照相法結(jié)合數(shù)字圖像自動處理能夠準(zhǔn)確快速地得出植被覆蓋度。北京師范大學(xué)地理學(xué)與 遙感科學(xué)學(xué)院理科基地2004級的學(xué)生宋凱宇等在2007年對“釣魚法”測量植被覆蓋度的儀 器進(jìn)行了改進(jìn)。實驗過程采用“釣魚法”設(shè)計支架，實驗數(shù)據(jù)處理采用ENVI軟件波段運(yùn)算。 改進(jìn)儀器如圖1所示照相法測算植被蓋度試驗裝置示意圖(資料來源宋凱宇等，綜合自然 地理野外實習(xí)報告，2007)，此方法需要三個人拉三個細(xì)繩將相機(jī)達(dá)到平衡，需要人力多，不 穩(wěn)定。后來，北京師范大學(xué)2005級的雷星松等同學(xué)又對這種“釣魚法”使用的儀器進(jìn)行了 改進(jìn)(見圖2所示)在桿2前端垂一個豎桿，豎桿下部配一個剛好合適數(shù)碼相機(jī)固定的云 臺。這種方法較前一種節(jié)省了人力，但仍然很難使相機(jī)保持平穩(wěn)。這兩種設(shè)計的支架保證 了相平面水平，但是保持相機(jī)平穩(wěn)的方法比較復(fù)雜，需要的人力物力較多，人為影響大，隨 機(jī)因素多，非常不便于野外操作。不能隨時觀察拍照物，獲取植被覆蓋度精確度不高。用攝 像頭來進(jìn)行對植被進(jìn)行拍照，照相時間和照相片數(shù)目均可以自由控制，并獲取的植被覆蓋 度照片用本項目設(shè)計的計算機(jī)程序即可獲得植被覆蓋度，方便而且所需時間很短，因此照 相法測量植被覆蓋度方法上的改進(jìn)對于很多科學(xué)研究采集數(shù)據(jù)的精確性以及相關(guān)的野外 工作都具有重要意義。而本發(fā)明在基于照相法的基礎(chǔ)上，通過攝像頭對所測區(qū)域光學(xué)成像， 利用計算機(jī)圖像處理技術(shù)計算得到植被覆蓋度，跟目測法相比科學(xué)性和準(zhǔn)確性明顯有所提 高，計算簡單，能夠用于實踐。

發(fā)明內(nèi)容
(1)發(fā)明目的針對上述目前植被覆蓋度測量類儀器及方法中所存在的問題及缺陷，本發(fā)明的目 的是提供一種便攜式可遙控植被覆蓋度一體化測量儀，它能解決以下技術(shù)問題a)野外測量儀器便攜性和穩(wěn)定性問題儀器的便攜性和穩(wěn)定性是關(guān)系到野外試 驗效率和精度的關(guān)鍵問題。本發(fā)明在總結(jié)前人經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，自行改進(jìn)儀器材質(zhì)和儀器結(jié) 構(gòu)，設(shè)計階段盡量保證儀器的便攜性及穩(wěn)定性；通過多次自身對照實驗，檢測系統(tǒng)的穩(wěn)定 性；通過多組互對照實驗，檢測系統(tǒng)的優(yōu)越性和不足，改進(jìn)實驗系統(tǒng)。b)提高測量儀器的可控性以俯視的方式獲取植被覆蓋度的照片帶來的一個問 題是所拍攝的范圍在拍攝時不能直接控制。本發(fā)明通過攝像頭與電腦的直接連接，實現(xiàn)通
3過電腦對拍攝范圍的實時控制，從而提高效率及精度。c)開發(fā)數(shù)字圖像處理軟件系統(tǒng)開發(fā)與試驗儀器相配套的數(shù)字圖像處理軟件系 統(tǒng)，將進(jìn)一步提高操作的系統(tǒng)性及精度。本發(fā)明擬利用“相對兒”和實驗設(shè)備提供的必要參 數(shù)，設(shè)計開發(fā)出與儀器相適應(yīng)的圖像處理程序軟件，將中心投影通過程序變換為垂直投影， 從而保證整張相片的有效性，最終達(dá)到自動化計算植被覆蓋度并提高計算精度的目的。e)提高植被覆蓋度測量的精度精度是理論分析的基礎(chǔ)，是一切結(jié)論的前提。本 發(fā)明利用自動聚焦攝像頭實現(xiàn)對植被樣方的自動聚焦，同時，通過地面參照物控制垂直視 角，從而提高植被覆蓋度測量的精度。(2)技術(shù)方案見圖3，本發(fā)明一種便攜式可遙控植被覆蓋度一體化測量儀，它由支撐桿、主桿、頂 桿、橫桿和攝像頭組成(圖3)。支撐桿和主桿之間通過銷軸或螺紋連接，主桿和頂桿通過銷 軸或螺紋連接，橫桿設(shè)置在頂桿的固定圓管內(nèi)，攝像頭固定在橫桿的端部。所述支撐桿(見圖4)、主桿、頂桿以及橫桿都由金屬管材料制成，一般都選用鋁合 金管材料，鋁合金材料滿足了質(zhì)輕、剛性的要求，同時機(jī)械性能明顯提高，成本較低，容易加 工，可耐強(qiáng)度范圍大。該支撐桿長約1.4-1. 6m，它的上半部為一段直管，下部為兩個尖刺的叉形件，上、 下兩部分連為一體。尖刺的設(shè)計意圖在于將其插入地下之后，可將儀器固定在地上，以保持 野外儀器的穩(wěn)定性。該主桿由3根以上、長度為0. 9-1. Im的可伸縮、可拆卸的金屬管組成，用于實現(xiàn)對 攝像頭的高度進(jìn)行調(diào)節(jié)和控制。伴隨著地物的不同，當(dāng)所拍攝的范圍較大時，可以利用主桿 進(jìn)行延長；當(dāng)所拍攝的范圍較小時，可以利用拆卸主桿的一部分以降低攝像頭的高度。該頂桿長40-60cm，其上鑲嵌3個固定圓管，用以固定橫桿并對攝像頭的測量高度 進(jìn)行微調(diào)，3個固定圓管的間距為15-18cm，固定圓管的內(nèi)徑大于橫桿外徑2-4mm。(圖6)該橫桿長0.9-1. l.m，其一端插進(jìn)頂桿的固定圓管內(nèi)，另一端用于固定攝像頭，從 而實現(xiàn)支撐體系與攝像頭的連接及對其一定程度上的控制。攝像頭其分辨率在800X600以上，并配備USB加長線，可按要求在市場上選購。 攝像頭通過旋鈕與橫桿連接，依據(jù)攝像頭底座本身的可旋轉(zhuǎn)性及旋鈕連接裝置的存在，實 現(xiàn)攝像頭360°自由旋轉(zhuǎn)，保證在任何情況下可以實現(xiàn)攝像頭與地面垂直。由于支撐桿、主 桿、頂桿連接后(以下簡稱桿連接體)與地面是垂直的，而橫桿與桿連接體是垂直的，故當(dāng) 長方形的攝像頭長邊與桿連接體平行時，可保證其鏡頭與地面平行。本發(fā)明重要的設(shè)計之一是利用攝像頭獲取數(shù)碼相片。利用攝像頭取相，一方面，攝 像頭本身小巧、輕便，在很大程度上減輕了儀器總體質(zhì)量，提高了儀器的穩(wěn)定性；另一方面， 通過攝像頭與筆記本電腦的連接，可直接觀察到攝像對象、范圍及攝像頭鏡頭與地面的關(guān) 系，可及時調(diào)整攝像頭位置、方向及角度，提高了測量過程的可視化與可控化程度。同時通 過對影像截圖獲取照片，操作簡便而對攝像頭的穩(wěn)定性影響很小，在另一方面增強(qiáng)了儀器 整體的穩(wěn)定性。除此以外，本發(fā)明采用立體攝影測量的方法，利用簡單儀器保證中心投影的中心 點在樣方的中心，從而有效地控制照片邊緣的畸變。在實際操作過程中，本發(fā)明設(shè)計過程 中，在拉出樣方之后，在樣方正中央，擺放一個規(guī)則的立體標(biāo)準(zhǔn)參照物(如易拉罐或者長方
4體等)，目的在于能夠?qū)崿F(xiàn)在電腦中監(jiān)控中心投影的中心點是否在樣方的中心。如果電腦圖 像中，只能看到中央位置的標(biāo)準(zhǔn)物的正上面而看不到側(cè)面，則說明攝像頭是垂直于樣方的， 即保證了中心點的中心正射投影，從而可以減小操作的誤差。由于一般攝像頭沒有自動調(diào)節(jié)光圈的功能，因此一般在陽光強(qiáng)的室外條件下所獲 取的植被覆蓋度信息因曝光而丟失，測出來的植被覆蓋度信息不準(zhǔn)確，不能夠為科學(xué)研究 提供準(zhǔn)確的植被覆蓋度。本發(fā)明通過對比不同攝像頭來解決用攝像頭照相測量植被覆蓋度 時陽光強(qiáng)的條件下所獲取的圖片的曝光問題為目的的，通過解決攝像頭的曝光問題并不同 角度(分辨率、價格、拍照角度、功能)對比各種攝像頭來選擇可滿足野外工作需要的攝像 頭，獲取準(zhǔn)確的植被覆蓋度信息，為其他科學(xué)研究提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。通過用相比較的研究方法，在相同的光照條件下，在同一地點用不同的攝像頭進(jìn) 行拍照獲取植被覆蓋度信息，從不同角度對比三種攝像頭獲得以下結(jié)論第一、從價格方面相比這三種攝像頭，可得出無線攝像頭 >可調(diào)光圈、焦距的，高 像素的高級攝像頭>像素較低、不可調(diào)光圈的有線攝像頭；第二、從獲取的植被覆蓋度信息清晰度和準(zhǔn)確度(像素、功能)方面對比三種不同 類型的攝像頭，最終得出的結(jié)論是可調(diào)光圈、焦距的，高像素的高級攝像頭>像素較低、不 可調(diào)光圈的有線攝像頭>無線攝像頭；從以上的對比中可以看出，像素高、可自動調(diào)節(jié)焦距和光圈，并需要時可補(bǔ)光的高 級攝像頭的效果(像素、拍照角度)最好，價格適中，能夠清晰并準(zhǔn)確獲取植被覆蓋度信息 所需要的，并解決攝像頭像素低、因曝光強(qiáng)而丟失植被覆蓋度信息的丟失等問題，能夠滿足 實際野外工作需求并為其他科學(xué)研究提供準(zhǔn)確植被覆蓋度數(shù)據(jù)。因此，本發(fā)明選取了像素 高、可自動調(diào)節(jié)焦距和光圈、需要時可補(bǔ)光的高級攝像頭作為儀器的組成部分。本發(fā)明的重要設(shè)計之二在于與攝像頭配套的數(shù)字圖像處理軟件系統(tǒng)的開發(fā)。程序 基于C#編寫，編譯所得可執(zhí)行程序在裝有.net Framwork 2. 0版本以上的WindowsXP操作 系統(tǒng)下都可以正常運(yùn)行，拷貝即可，無需另外安裝。程序編寫了一個PhotoHandler類對照 片進(jìn)行處理計算植被覆蓋度。通過編寫的程序，實現(xiàn)用戶根據(jù)需要或監(jiān)督提取結(jié)果，可自行 調(diào)整各分量閾值，快速計算輸入相片的植被覆蓋度，很大程度地提高了植被覆蓋度提取的 效率和靈活性。程序處理流程如圖7。首先，用戶選擇輸入需要提取覆蓋度的數(shù)碼相片。相片輸入后，程序自動計算每個 像素的R、G、B值和色調(diào)(Hue)值。用戶根據(jù)相片拍攝的光照、植被類型等情況，手動設(shè)定各分量的閾值。R、B分量設(shè) 定最大值，G分量設(shè)定最小值，Hue分量需要同時設(shè)定最大值和最小值。每次閾值調(diào)整之后，程序都會自動根據(jù)閾值條件處理相片。不滿足任一閾值條件 的像素，不被提取，賦值為0 ；同時滿足所有閾值條件的像素，被認(rèn)為是綠色植被像素，將被 提取出來，賦值為1。通過計算該二值圖片中，提取像素(值為1)占總像素的百分比，認(rèn)為 是該相片的植被覆蓋度。(3)優(yōu)點及功效本發(fā)明通過研究與實踐，在硬件儀器方面和軟件系統(tǒng)方面都取得了相應(yīng)的有益成 果，主要體現(xiàn)在以下兩方面a)儀器改進(jìn)本發(fā)明主要在三個方面進(jìn)行了對儀器進(jìn)行了改進(jìn)，一是支架材料和外形的改進(jìn)，二是圖像獲取設(shè)備的改進(jìn)，三是控制與地面水平的方法的改進(jìn)。在支架材料方 面，拋棄了以前用的鋼鐵制成的支架換成了鋁合金；在支架外形方面改進(jìn)了支架的固定方 式，以使操作更方便；在圖像獲取方面，將原用的照相機(jī)換為可自動聚焦的有線攝像頭，并 在控制鏡頭水平時不繼續(xù)沿用重力自動平衡的方法，采用在攝像中心放觀測物，采用攝像 時只看到物體上方平面則攝像頭水平的原則使鏡頭水平。b)通過數(shù)字圖像處理軟件系統(tǒng)的開發(fā)實現(xiàn)自動獲取植被覆蓋度本發(fā)明研究出 自動計算植被覆蓋度的程序算法，即數(shù)字圖像處理軟件系統(tǒng)，以實踐中獲取的植被照片為 輸入，自動提取植被信息，輸出植被覆蓋度的計算結(jié)果，從而實現(xiàn)了植被覆蓋度的自動化獲 取。本發(fā)明通過對儀器材料、外形及結(jié)構(gòu)的改進(jìn)，提高了儀器的便攜性、穩(wěn)定性以及可 控性；通過對數(shù)字圖像處理軟件系統(tǒng)的開發(fā)，提高了植被覆蓋度數(shù)值獲取的自動化程度； 通過對拍攝范圍的限制、對垂直視角的調(diào)整以及攝像頭的自動對焦，實現(xiàn)對拍攝范圍、邊緣 變形的較嚴(yán)格的控制，提高了測量植被覆蓋度的精度。從而，實現(xiàn)了從硬件到軟件、從操作 到結(jié)果的一系列的改進(jìn)。


圖1照相法測算植被蓋度試驗裝置示意2照相法之云臺結(jié)構(gòu)示意3本發(fā)明結(jié)構(gòu)示意4本發(fā)明支撐桿結(jié)構(gòu)示意5本發(fā)明頂桿與橫桿、橫桿與攝像頭連接示意6頂桿與固定圓管結(jié)構(gòu)示意7本發(fā)明數(shù)字圖像處理軟件流程示意中符號說明如下1支撐桿；2主桿；3頂桿；4橫桿；5攝像頭；6固定圓管。
具體實施例方式見圖3，本發(fā)明是一種便攜式可遙控植被覆蓋度一體化測量儀，它是由支撐桿1、 主桿2、頂桿3、橫桿4和攝像頭5組成。它們之間的位置連接關(guān)系是支撐桿1和主桿2之 間通過銷軸或螺紋連接，主桿2和頂桿3通過銷軸或螺紋連接，橫桿4設(shè)置在頂桿3的固定 圓管6內(nèi)，攝像頭5固定在橫桿4的前端。所述支撐桿1，見圖4，它的上半部為一段直管，下部為兩個尖刺的叉形件，上、下 兩部分連為一體。材質(zhì)為鋁合金管。下部的兩個尖刺可以插入土壤中，使儀器在野外測量 時，保持較好的穩(wěn)定性。所述主桿2是由3根可伸縮、可拆卸的鋁合金管組成，用于將攝像頭5升到一定高 度。伴隨著地物的不同，攝像頭5的拍攝高度也要相應(yīng)變化，可以將主桿2進(jìn)行伸縮調(diào)整。 主桿2和支撐桿1之間通過銷軸或螺紋連接。所述頂桿3是鋁合金管制作，其上排列鑲嵌3個固定圓管6，用以固定橫桿4，(見 圖6)并對測量高度進(jìn)行微調(diào)。
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所述橫桿4是鋁合金管制作，見圖6，后端插入頂桿3的固定圓管6內(nèi)，固定圓管6 的內(nèi)徑大于橫桿4外徑3mm，通過螺釘固定，前端用于固定攝像頭5。所述攝像頭5其分辨率在800X600以上，并配備USB加長線，可按要求在市場上 選購。其中，支撐桿1的長度為1. 5m ；其中，主桿2由3根長度為1. Om可拆卸的鋁合金管制成；其中，頂桿3的長度為50cm，3個固定圓管6之間距為15cm ；其中，橫桿4的長度為1. Om ；其中，所述的支撐桿1、主桿2、頂桿3和橫桿4是鋁合金管制作。一、實現(xiàn)發(fā)明的實施例便攜式可遙控植被覆蓋測量儀可測量草本和灌木的植被覆蓋度，兩種覆蓋度測量 過程一致。例使用便攜式可遙控植被覆蓋度一體化測量儀測量草本植被覆蓋度。具體過程 如下1.樣方的選取。對于草本樣方，選取2X2m的樣方(大于通常草本植被樣方調(diào)查 面積要求)，樣方位置隨機(jī)選取并用非綠色細(xì)繩框定。樣方中心處放置一規(guī)則物體以便于判 斷拍攝方向是否與水平面垂直。由于目前的方法無法獲取某一樣地實際的植被覆蓋度，因此對于方法的精度無法 直接進(jìn)行驗證，因此這里通過一個簡單的模擬實驗評估方法的精度。在平坦的水泥地面上， 鋪設(shè)好拍攝植被樣地所使用的2x2的樣地，在樣地圈定范圍內(nèi)，隨機(jī)放置已知尺寸的規(guī)則 物體，通過計算相片上提取的規(guī)則物體的面積與其實際覆蓋面積的比例，來估算本方法的 精度。由于利用圖像處理自動提取植被覆蓋度的算法本身存在一定誤差，直接使用無法 較準(zhǔn)確地說明儀器測量誤差，因此，使用人工提取的方法提取標(biāo)準(zhǔn)物體的覆蓋度。當(dāng)然，利 用這種方法提取的覆蓋度也有由于人為主觀判斷引起的誤差，但可以認(rèn)為誤差相對較小。 同時，利用多張相片(這里使用了 10張)提取求平均值的方法提高計算精度。在這10張相片中，規(guī)則物的擺放規(guī)則為將4個較大標(biāo)準(zhǔn)物置于4*4塊地磚的 四個角上，將2個較小標(biāo)準(zhǔn)物置于中間。在相片中分別提取出規(guī)則物的覆蓋面積，除以 4*4(80cm*80cm)地磚的總面積，即為規(guī)則物的覆蓋度。使用的4個較大規(guī)則物體是底面為 正方形的圓錐體，邊長為13. 7cm，小標(biāo)志物為圓錐體，底面直徑為7. 5cm，計算可得實際上 規(guī)則物的覆蓋度為0. 1242，而用此儀器獲取的各相片植被覆蓋度平均值為0. 1486。2、拍 攝過程。便攜式可遙控植被覆蓋度一體化測量儀的拍攝工具是攝像頭。這一工具的使用實 現(xiàn)了平衡的手動調(diào)節(jié)，且可實時監(jiān)控拍攝樣方在鏡頭中的位置，建議樣方位置盡量在鏡頭 中部。具體操作過程是使用連有攝像頭的筆記本電腦操作，進(jìn)行拍攝得到圖像。3、植被覆蓋度計算。利用一個簡單的算法，通過設(shè)定RGB色彩空間的分量和HSI 色彩空間的色調(diào)(H)分量的閾值，對數(shù)碼相片的植被覆蓋度進(jìn)行提取。通過編寫的一個小 程序，實現(xiàn)用戶根據(jù)需要，人工監(jiān)督提取結(jié)果，自行調(diào)整各分量閾值，快速計算輸入相片的 植被覆蓋度。圖6所示為本發(fā)明數(shù)字圖像處理軟件流程示意圖，程序基于C#編寫，編譯所 得可執(zhí)行程序在裝有.net Framwork 2. 0版本以上的WindowsXP操作系統(tǒng)下都可以正常運(yùn)行，拷貝即可，無需另外安裝。
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權(quán)利要求
一種便攜式可遙控植被覆蓋度一體化測量儀，其特征在于它是由支撐桿、主桿、頂桿、橫桿和攝像頭組成，它們之間的位置連接關(guān)系是支撐桿和主桿之間通過銷軸或螺紋連接，主桿和頂桿通過銷軸或螺紋連接，橫桿設(shè)置在頂桿的固定圓環(huán)內(nèi)，攝像頭固定在橫桿的端部；所述支撐桿是它的上半部為一段直管，下部為兩個尖刺的叉形件，上、下兩部分固接；它用于將儀器固定在地上，下面的兩個尖刺便于插入地下，使之保持野外儀器的穩(wěn)定性；所述主桿是一金屬管，用于將攝像頭升到需要的高度；伴隨著地物的不同，可以將主桿進(jìn)行延長；主桿和支撐桿之間通過銷軸或螺紋連接。所述頂桿是金屬管制作，其上鑲嵌3個固定圓管，用以固定橫桿并對測量高度進(jìn)行微調(diào)；所述橫桿是金屬管制作，一端插進(jìn)頂桿的固定圓管內(nèi)，另一端用于固定攝像頭；所述攝像頭其分辨率在800×600以上，并配備USB加長線。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種便攜式可遙控植被覆蓋度一體化測量儀，其特征在于 該支撐桿的長度為1.4-1. 6m。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種便攜式可遙控植被覆蓋度一體化測量儀，其特征在于 該主桿由3根以上、長度為0. 9-1. Im可拆卸的金屬管組裝而成。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種便攜式可遙控植被覆蓋度一體化測量儀，其特征在于 該頂桿長度為40-60cm，其上鑲嵌3個固定圓管之間距為15-18cm，固定圓 管的內(nèi)徑大于橫 桿外徑2-4mm。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種便攜式可遙控植被覆蓋度一體化測量儀，其特征在于 該橫桿的長度為0. 9-1. lm。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種便攜式可遙控植被覆蓋度一體化測量儀，其特征在于 該支撐桿、主桿、頂桿和橫桿為鋁合金管制作。
全文摘要
本發(fā)明一種便攜式可遙控植被覆蓋度一體化測量儀，它是由支撐桿、主桿、頂桿、橫桿和攝像頭組成。支撐桿和主桿之間通過銷軸或螺紋連接，主桿和頂桿通過銷軸或螺紋連接，橫桿設(shè)置在頂桿的固定圓管內(nèi)，攝像頭固定在橫桿的端部。本發(fā)明通過對儀器材料、外形及結(jié)構(gòu)的改進(jìn)，提高了儀器的穩(wěn)定性及可控性；通過對數(shù)字圖像處理軟件系統(tǒng)的開發(fā)，提高了植被覆蓋度數(shù)值獲取的自動化程度；通過對拍攝范圍的限制、對垂直視角的調(diào)整以及攝像頭的自動對焦，實現(xiàn)對拍攝范圍、邊緣變形的較嚴(yán)格的控制，提高了測量植被覆蓋度的精度。它在植被覆蓋度測量領(lǐng)域里具有實用價值和廣闊地應(yīng)用前景。
文檔編號G01C11/02GK101900549SQ20101021625
公開日2010年12月1日 申請日期2010年7月2日 優(yōu)先權(quán)日2010年7月2日
發(fā)明者買爾孜婭, 冉靜, 唐僥, 孔赟瓏, 潘雅婧, 馬黎立 申請人:北京師范大學(xué)