CN104732564A - 一种玉米叶面积无损动态监测装置与方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种玉米叶面积无损动态监测***和方法，本发明采取多维定位图像采集和图像分析相结合的方法，设备轻便、操作简易，能够在田间快捷、方面的无损采集玉米叶面积多维图像；经过后期图像综合处理，每一次处理能够输出3株玉米的叶片三维姿势、株高、绿叶面积、枯黄叶面积等参数；能够记录相应位置信息，能够保证多次测量对象为同一样本，并具备多重矫正和质量控制功能，能够实现玉米叶面积的长期动态监测；图像采集模块和图像处理模块实现分离，并通过无线传输信息，便于田间实地操作；为玉米长势监测和管理提供动态、全面的信息。

Description

一种玉米叶面积无损动态监测装置与方法

技术领域

本发明涉及智能农业技术领域，特别是涉及一种玉米叶面积无损动态监测装置与方法。

背景技术

叶面积是衡量作物生长发育情况和生产能力的重要指标。玉米是重要的粮食作物，对玉米叶面积的测量一直是农业科研人员的重要工作内容之一。分别测量每个叶片长度和宽度，再用经验公式估算的传统测量方法，费时费力，准确性低，而且容易对玉米的叶片造成损坏，进而影响光合能力。部分叶面积仪采用逐片扫描叶片图像，计算叶面积，在一定程度上提高了采集精度，但玉米的叶片多达30片左右，叶片高度最高可达3米，而且叶片基部为环绕茎秆的圆形，基部和中部为浅“V”型，不容易进行扫描操作，且容易损坏叶片。

在叶面积测量的专利中，主要有以下几种，专利CN201410201645公开了一种通过实验数据与遥感数据结合的模型遥感监测小麦叶面积指数的方法，可以实现大面积小麦叶面积指数的估测，但需要定点试验相结合，准确性较低。专利CN201410229812.3公开了一种叶面积指数测量方法和***，实现了测量的准确性，但需要通过毁坏性取样，要将叶片从植株上采摘下来进行扫描，采集的数据之间可比性差，而且难以实现叶面积的动态监测。专利CN201010231726.8公开了一种半球摄影法测量水稻叶面积指数的方法，但难以高效应用在植株高大的玉米叶面积测量上，而且该方法将图像转换为二值灰度图像，不能识别玉米的枯黄叶片面积，在生育中后期难以应用。专利CN201320029088.0公开了一种测量作物叶面积的***，采用四角支架配合白板采集每个叶片的图像，经过处理得到每个叶片的面积，由于玉米植株高(通常在2米左右)、密度大(每亩5000株左右)，该方法在采集玉米叶面积时适应性差，操作时容易受到遮挡并对植株造成物理损伤。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是：提供一种玉米叶面积无损动态监测装置与方法，实现对玉米叶片田间生长进行动态监测，在不损伤玉米叶片的同时，提高叶面积监测的便捷性和监测精度。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供一种玉米叶面积无损动态监测***，其包括图像采集模块、信息传输模块和图像处理模块；上述图像采集模块用于采集待监测玉米植株8个位点的多维图像，信息传输模块将所采集图像传送至图像处理模块，由图像处理模块计算获取待监测玉米叶面积；

所述图像采集模块包括位置信息采集单元、位置信息确定单元、图像采集单元、图像质量控制单元和图像存储单元；所述位置信息确定单元用于确定图像采集点的位置，位置信息采集单元采集图像采集模块的位置信息和图像采集点的位置信息，图像采集单元根据所确定的图像采集点进行8个位点的玉米叶片图像采集，图像质量控制单元对所采集图像的位置和质量进行检查确认，图像存储单元对符合要求的图像进行存储；

所述图像处理模块包括颜色识别单元、形状识别单元、角度矫正单元、距离测量单元和面积计算单元；颜色识别单元对所采集玉米叶片的颜色进行识别，确定出鲜活玉米叶片区域、叶脉区域、枯黄玉米叶片区域、杂物区域；形状识别单元根据颜色识别结果，标记出玉米叶片的叶脉和边线，并对其中被其它叶片遮挡的部分根据遮挡前后截面进行延伸补齐；根据叶脉状态识别叶片三维姿态，分段标记各片玉米叶的长度、宽度和偏离水平方向角度；角度矫正单元根据多个位点的图像，将玉米叶片统一矫正为正面为竖直方向；距离测量单元根据图像信息采集点的角度、与玉米植株的距离、离地面的高度等信息计算图像尺寸与实际尺寸的缩放比例，测量叶片的宽度、长度、高度的三维数字信息以及株高信息；面积计算单元计算出每一片绿叶的面积及枯叶面积，加和即为单株玉米的绿叶面积和枯叶面积。

其中，所述位置信息采集单元包括gps定位仪、陀螺仪和加速度计，gps定位仪用于采集图像采集点的经纬度和海拔信息，陀螺仪用于采集图像采集模块的运动角度和轨迹，加速度计用于采集图像采集模块运动的速度和距离。

其中，所述位置信息确定单元包括位置指示和位置对准两个部分，位置指示部分根据图像采集的要求指示8个图像采集位点进行图像采集，并显示在屏幕上；位置对准部分根据位置指示指导拍摄者将图像采集框与位置指示框对准。

其中，所述信息传输模块包括无线发送单元、无线接收单元和完整性校验单元，无线发送单元将采集的信息转换成无线电信号，并通过无线调频方式发送；无线接收单元通过无线调频方式接收信息，并将接收的无线电信号转换成数字信息；完整性校验单元通过对发送和接收的信息特征进行比对，确保传输无误和信息完整。

本发明还提供了一种玉米叶面积无损动态监测方法，其包括以下步骤：

步骤一：采集待监测玉米叶片的8个不同位点的多角度、多维度图像：

确定8个不同位点及每个位点的地理位置信息；对应每个位点，采集一幅图像，所采集图像对应的位置信息和图像的质量参数信息与所确定的位点的地理位置信息和图像质量要求信息一致，然后将图像进行存储；

步骤二：将所采集的图像信息传送至图像处理模块，计算玉米叶面积：

首先对所采集玉米叶片的颜色进行识别，确定出鲜活玉米叶片区域、叶脉区域、枯黄玉米叶片区域、杂物区域；根据颜色识别结果，标记出玉米叶片的叶脉和边线，并对其中被其它叶片遮挡的部分根据遮挡前后截面进行延伸补齐；根据叶脉状态识别叶片三维姿态，分段标记各片玉米叶的长度、宽度和偏离水平方向角度；根据8个位点的图像，将玉米叶片统一矫正为正面为竖直方向；根据图像信息采集点的角度、与玉米植株的距离、离地面的高度等信息计算图像尺寸与实际尺寸的缩放比例，测量叶片的宽度、长度、高度的三维数字信息，计算出每一片绿叶的面积及枯叶面积，加和即为单株玉米的绿叶面积和枯叶面积。

其中，所述步骤二中，对所采集玉米叶片的颜色进行识别的过程为：根据颜色特征，识别绿色为鲜活玉米叶片、灰白色为叶脉，黄色为枯黄玉米叶片，其它为杂物；对玉米叶片区域进行识别和标记，标记出鲜活玉米叶片区域、叶脉区域、枯黄玉米叶片区域、杂物区域；同时对不同图像中的同一元素进行标记和识别，避免重复；根据玉米穗圆锥形的特点，区分玉米叶和玉米穗。

其中，所述步骤二中，分段标记各片玉米叶的长度、宽度和偏离水平方向角度时，叶片姿势相同的区域为同一区段，姿势不同的区域分别标记。

其中，所述步骤二中，将玉米叶片统一矫正为正面为竖直方向的过程为：矫正分为叶片纵向矫正和横向矫正两个步骤，其中纵向矫正叶片宽度不变，根据夹角调整叶片长度，计算公式为yˊ＝y/sinα，yˊ为矫正后的叶片长度，y为图测叶片长度，α为叶片偏移水平方向的角度；横向矫正叶片长度不变，根据夹角调整叶片宽度，计算公式为xˊ＝x/sinα，xˊ为矫正后的叶片宽度，x为图测叶片宽度，α为叶片偏移水平方向的角度。

(三)有益效果

上述技术方案具有如下优点：采取定位图像采集和图像分析相结合的方法，设备轻便、操作简易，能够在田间快捷、方面的无损采集玉米叶面积图像；经过后期图像综合处理，每次处理能够输出3株玉米的叶片姿势、株高、绿叶面积、枯黄叶面积等参数；能够记录相应位置信息，能够保证多次测量对象为同一样本，并具备多重矫正和质量控制功能，能够实现玉米叶面积的长期动态监测；图像采集模块和图像处理模块实现分离，并通过无线传输信息，便于田间实地操作；为玉米长势监测和管理提供动态、全面的信息。

附图说明

图1是本发明实施例玉米叶面积无损动态监测***的原理框图。

图2是本发明实施例玉米叶面积无损动态监测方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

参照图1所示，本实施例玉米叶面积无损动态监测***包括图像采集模块、信息传输模块和图像处理模块3个部分。

具体地，图像采集模块用于采集符合要求的多维玉米植株图像，为图像处理模块提供基础信息。图像采集模块包括位置信息采集单元、位置信息确定单元、图像采集单元、图像质量控制单元和图像存储单元等5个单元。

位置信息采集单元包括gps定位仪、陀螺仪和加速度计，gps定位仪用于采集图像采集点的经纬度、海拔等位置信息，陀螺仪用于采集图像采集模块的运动角度和轨迹，加速度计用于采集图像采集模块运动的速度和距离。

位置信息确定单元包括位置指示和位置对准两个部分，位置指示部分根据图像采集的要求指示8个图像采集位点进行图像采集，并显示在屏幕上；位置对准部分根据位置指示指导拍摄者将图像采集框与位置指示框对准，保证拍摄方位、高度、角度的准确性。

图像采集单元由CMOS图像传感器、镜头等组成，用于按照位置信息确定单元指定的位置和角度、按照指定的分辨率，拍摄玉米植株的彩色图像，对应每个玉米植株，获取8张图像，并存储在图像存储单元中。

图像质量控制单元用于对采集到的图像的采集位置、角度、分辨率、清晰度等信息与位置信息确定单元的信息进行校对，质量合格则进行下一次图像采集，质量不合格则原位置重新采集信息，直到合格为止。

图像存储单元用于存储采集的图像，并同时保存图像采集的经纬度信息、方位信息和图像顺序信息。

信息传输模块主要包括无线发送、无线接收和完整性校验三个单元，在信息采集模块和图像处理模块两端分别布设，用于将信息采集模块采集的信息完整、无误地传输到图像处理模块。其中，无线发送单元将采集的信息转换成无线电信号，并通过无线调频方式发送；无线接收单元通过无线调频方式接收信息，并将接收的无线电信号转换成数字信息；完整性校验单元通过对发送和接收的信息特征进行比对，确保传输无误和信息完整。

图像处理模块通过对图像采集模块采集的多维玉米植株图像信息的多元分析、综合处理，计算得到玉米的叶面积等结果；具体包括颜色识别单元、形状识别单元、角度矫正单元、距离测量单元、面积计算单元等五个单元。

颜色识别单元用于根据颜色特征识别鲜活玉米叶片(绿色)、叶脉(灰白色)枯黄玉米叶片(黄色)和其它杂物；对玉米叶片区域进行识别和标记，识别哪些像素区域是玉米叶片、哪些像素区域是叶脉、哪些像素区域是枯黄玉米叶片、哪些像素区域是其它杂物；同时对不同图像中的同一元素进行标记和识别，避免重复，并将信息反馈给形态识别单元。

形状识别单元接收颜色识别单元传送的信息，根据玉米叶片的扁平带状特点，识别并标记出玉米叶片的叶脉和边线，并对其中被其它叶片遮挡的部分根据遮挡前后截面进行延伸补齐。根据叶脉状态识别叶片三维姿态，分段标记各片玉米叶的长度、宽度和偏离水平方向角度，叶片姿势相同的区域为同一区段，姿势不同的区域分别标记。根据玉米穗圆锥形的特点，区分玉米叶和玉米穗。

角度矫正单元根据8张图像提供的信息对玉米叶片的状态进行矫正，根据偏离水平方向的角度，将叶片统一矫正为正面为竖直方向，便于取样和测量。矫正分为叶片纵向矫正(矫正叶片基部和顶部的角度)和横向矫正(矫正叶片两侧的角度)两个步骤，其中纵向矫正叶片宽度不变，根据夹角调整叶片长度，具体计算公式为yˊ＝y/sinα，yˊ为矫正后的叶片长度，y为图测叶片长度，α为叶片偏移水平方向的角度；横向矫正叶片长度不变，根据夹角调整叶片宽度，具体计算公式为xˊ＝x/sinα，xˊ为矫正后的叶片宽度，x为图测叶片宽度，α为叶片偏移水平方向的角度。

距离测量单元用于根据图像信息采集点的角度、与玉米植株的距离、离地面的高度等信息计算图像尺寸与实际尺寸的缩放比例，测量叶片的宽度、长度、高度的三维数字信息。

面积计算单元根据距离测量单元给出的信息，计算出每一片绿叶的面积及枯叶面积，加和即为单株玉米的叶面积。

基于上述监测装置的结构和原理，本实施例的玉米叶面积无损动态监测方法包括以下步骤：

步骤一：采集待监测玉米叶片的多个不同位点的多幅图像，具体过程如下：

确定多个不同位点，并对每个位点的地理位置信息进行确定，位点的数量和具***置以能够全方位采集到待监测玉米叶片的图像为准；对应每个位点，采集一幅图像，并将图像所对应的位置信息和图像的质量参数信息与所确定的位点的地理位置信息和图像质量要求信息进行比对，确保所采集图像合格，不合格时则重拍直到合格为止；然后将图像进行存储。

步骤二：将所采集的图像信息传送至图像处理模块，计算玉米叶面积，具体过程如下：

首先对所采集玉米叶片的颜色进行识别，确定出鲜活玉米叶片区域、叶脉区域、枯黄玉米叶片区域、杂物区域；根据颜色识别结果，标记出玉米叶片的叶脉和边线，并对其中被其它叶片遮挡的部分根据遮挡前后截面进行延伸补齐；根据叶脉状态识别叶片三维姿态，分段标记各片玉米叶的长度、宽度和偏离水平方向角度；根据多个位点的图像，将玉米叶片统一矫正为正面为竖直方向；根据图像信息采集点的角度、与玉米植株的距离、离地面的高度等信息计算图像尺寸与实际尺寸的缩放比例，测量叶片的宽度、长度、高度的三维数字信息，计算出每一片绿叶的面积及枯叶面积，加和即为单株玉米的绿叶面积和枯叶面积。每一次处理可同时采集和监测3株玉米的叶面积等参数，可用于结果比对和加权平均。

上述步骤中更具体的细节在***的结构和原理中均有介绍，在此不做进一步赘述。下面以一个具体的实例，结合图2，对本发明进行更形象的说明。

考虑到玉米植株高、密度大，但多采用宽窄行种植，株距小而行间距大，在宽行进行图像采集有合适的空间。在图像采集时采用8个位点(以玉米行呈45°角顺时针选取4个方向，水平距离玉米为玉米的宽行行距，垂直距离为离地面0.8m和1.5m两个高度)分别水平拍摄8张图像，每张图像要求包括3株玉米的完整图像，并同时记录拍摄经纬度、高度、角度等信息，第一个图像信息采集点采集图像信息后，由图像质量控制单元对图像的信息进行校对。确认信息完整、无误后，存储到图像存储单元。由位置信息确定单元确定下一个拍摄点的位置，并指示取景窗对准拍摄，确认无误后开始拍摄第3张图像，直至8张图像拍摄完成。

图像拍摄完成后，由信息传输模块传送到图像处理模块。经过颜色识别、形状识别、角度矫正、距离测量和面积计算5个步骤，每个完整流程可计算出3株玉米的叶面积。

动态测量时，可继续由位置信息确定单元在制定的同一位置、位点、角度采集图像信息，并自动与历史测量信息相关联。

由以上实施例可以看出，本发明采取定位图像采集和图像分析相结合的方法，设备轻便、操作简易，能够在田间快捷、方面的无损采集玉米叶面积图像；经过后期图像综合处理，能够输出叶片姿势、叶面积、株高、茎粗、叶色、枯黄叶面积等参数；能够记录相应位置信息，能够保证多次测量对象为同一样本，并具备多重矫正和质量控制功能，能够实现玉米叶面积的长期动态监测；图像采集模块和图像处理模块实现分离，并通过无线传输信息，便于田间实地操作；为玉米长势监测和管理提供动态、全面的信息。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种玉米叶面积无损动态监测***，其特征在于，包括图像采集模块、信息传输模块和图像处理模块；上述图像采集模块用于采集待监测玉米植株8个位点的多维图像，信息传输模块将所采集图像传送至图像处理模块，由图像处理模块计算获取待监测玉米叶面积；

所述图像采集模块包括位置信息采集单元、位置信息确定单元、图像采集单元、图像质量控制单元和图像存储单元；所述位置信息确定单元用于确定图像采集点的位置，位置信息采集单元采集图像采集模块的位置信息和图像采集点的位置信息，图像采集单元根据所确定的图像采集点进行8个位点的玉米叶片图像采集，图像质量控制单元对所采集图像的位置和质量进行检查确认，图像存储单元对符合要求的图像进行存储；

所述图像处理模块包括颜色识别单元、形状识别单元、角度矫正单元、距离测量单元和面积计算单元；颜色识别单元对所采集玉米叶片的颜色进行识别，确定出鲜活玉米叶片区域、叶脉区域、枯黄玉米叶片区域、杂物区域；形状识别单元根据颜色识别结果，标记出玉米叶片的叶脉和边线，并对其中被其它叶片遮挡的部分根据遮挡前后截面进行延伸补齐；根据叶脉状态识别叶片三维姿态，分段标记各片玉米叶的长度、宽度和偏离水平方向角度；角度矫正单元根据多个位点的图像，将玉米叶片统一矫正为正面为竖直方向；距离测量单元根据图像信息采集点的角度、与玉米植株的距离、离地面的高度等信息计算图像尺寸与实际尺寸的缩放比例，测量叶片的宽度、长度、高度的三维数字信息以及株高信息；面积计算单元计算出每一片绿叶的面积及枯叶面积，加和即为单株玉米的绿叶面积和枯叶面积。

2.如权利要求1所述的玉米叶面积无损动态监测***，其特征在于，所述位置信息采集单元包括gps定位仪、陀螺仪和加速度计，gps定位仪用于采集图像采集点的经纬度和海拔信息，陀螺仪用于采集图像采集模块的运动角度和轨迹，加速度计用于采集图像采集模块运动的速度和距离。

3.如权利要求1所述的玉米叶面积无损动态监测***，其特征在于，所述位置信息确定单元包括位置指示和位置对准两个部分，位置指示部分根据图像采集的要求指示8个图像采集位点进行图像采集，并显示在屏幕上；位置对准部分根据位置指示指导拍摄者将图像采集框与位置指示框对准。

4.如权利要求1所述的玉米叶面积无损动态监测***，其特征在于，所述信息传输模块包括无线发送单元、无线接收单元和完整性校验单元，无线发送单元将采集的信息转换成无线电信号，并通过无线调频方式发送；无线接收单元通过无线调频方式接收信息，并将接收的无线电信号转换成数字信息；完整性校验单元通过对发送和接收的信息特征进行比对，确保传输无误和信息完整。

5.一种玉米叶面积无损动态监测方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：采集待监测玉米叶片8个不同位点的多角度、多维度图像：

确定8个不同位点及每个位点的地理位置信息；对应每个位点，采集一幅图像，所采集图像对应的位置信息和图像的质量参数信息与所确定的位点的地理位置信息和图像质量要求信息一致，然后将图像进行存储；

步骤二：将所采集的图像信息传送至图像处理模块，计算玉米叶面积参数：

首先对所采集玉米叶片的颜色进行识别，确定出鲜活玉米叶片区域、叶脉区域、枯黄玉米叶片区域、杂物区域；根据颜色识别结果，标记出玉米叶片的叶脉和边线，并对其中被其它叶片遮挡的部分根据遮挡前后截面进行延伸补齐；根据叶脉状态识别叶片三维姿态，分段标记各片玉米叶的长度、宽度和偏离水平方向角度；根据8个位点的图像，将玉米叶片统一矫正为正面为竖直方向；根据图像信息采集点的角度、与玉米植株的距离、离地面的高度等信息计算图像尺寸与实际尺寸的缩放比例，测量叶片的宽度、长度、高度的三维数字信息，计算出每一片绿叶的面积及枯叶面积，加和即为单株玉米的绿叶面积和枯叶面积。

6.如权利要求5所述的玉米叶面积无损动态监测方法，其特征在于，所述步骤二中，对所采集玉米叶片的颜色进行识别的过程为：根据颜色特征，识别绿色为鲜活玉米叶片、灰白色为叶脉，黄色为枯黄玉米叶片，其它为杂物；对玉米叶片区域进行识别和标记，标记出鲜活玉米叶片区域、叶脉区域、枯黄玉米叶片区域、杂物区域；同时对不同图像中的同一元素进行标记和识别，避免重复；根据玉米穗圆锥形的特点，区分玉米叶和玉米穗。

7.如权利要求6所述的玉米叶面积无损动态监测方法，其特征在于，所述步骤二中，分段标记各片玉米叶的长度、宽度和偏离水平方向角度时，叶片姿势相同的区域为同一区段，姿势不同的区域分别标记。

8.如权利要求7所述的玉米叶面积无损动态监测方法，其特征在于，所述步骤二中，将玉米叶片统一矫正为正面为竖直方向的过程为：矫正分为叶片纵向矫正和横向矫正两个步骤，其中纵向矫正叶片宽度不变，根据夹角调整叶片长度，计算公式为yˊ＝y/sinα，yˊ为矫正后的叶片长度，y为图测叶片长度，α为叶片偏移水平方向的角度；横向矫正叶片长度不变，根据夹角调整叶片宽度，计算公式为xˊ＝x/sinα，xˊ为矫正后的叶片宽度，x为图测叶片宽度，α为叶片偏移水平方向的角度。