專利名稱：一種利用數(shù)碼相機(jī)獲取水稻冠層葉面積指數(shù)的方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及水稻冠層葉面積指數(shù)測量技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種利用數(shù)碼相機(jī)獲取水稻冠層葉面積指數(shù)LAI的方法及裝置。
背景技術(shù)：
水稻是我國最主要的糧食作物之一，在國家糧食安全戰(zhàn)略中占有非常重要的地位。水稻葉片是水稻的許多生物物理過程，包括光合、呼吸、蒸騰和降水截獲等過程，發(fā)生的唯一場所。葉面積指數(shù)(LAI)反映了單位地表上水稻葉片的總面積，它決定了水稻對太陽輻射、水分等的利用和管理的能力。因此，LAI是反映水稻長勢、營養(yǎng)狀況、估算水稻產(chǎn)量的重要指標(biāo)。 傳統(tǒng)的獲取水稻LAI的方法主要是“直接量測法”，李云梅(李云梅.植被輻射傳輸理論與應(yīng)用[M].南京南京師范大學(xué)出版社,2005.)通過實(shí)測已知面積地表上的水稻葉片總面積來換算葉面積指數(shù)。另外，Warren Wilson (Warren Wilson, J. and Reeve, J, L.,1959.Analysis of the spatial distribution of foliage by two-dimensional pointquadrats. New Phytol. , 58 :92-101.)采用“投針法”測定了植株葉面積指數(shù)。這些“直接量測法”和“投針法”測定速度慢、工作強(qiáng)度大，測定精度很大程度上依賴于測量人員的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，易受主觀因素影響。因此，為了能快速、便捷、客觀地獲取作物冠層LAI，研究者們研究了新的方法和儀器。吳門新[吳門新，朱啟疆，王錦地，項(xiàng)月琴，蘇理宏，周曉東，唐世浩.夏玉米結(jié)構(gòu)參數(shù)計(jì)算及大田玉米冠層的可視化研究.作物學(xué)報，2002，28 ￠) :721-726.]在幾何圖形法、參數(shù)法和直接測量法的基礎(chǔ)上，利用實(shí)測數(shù)據(jù)結(jié)合數(shù)字圖像處理獲得的相關(guān)數(shù)據(jù)建立了圖像LAI與實(shí)測LAI的回歸模型，成功批量獲取了夏玉米的LAI。Kristian Kirk (KristianKirk,Hans Jorgen Andersen,Anton G. et al. Estimation of leaf area index in cerealcrops using red green images. Bio-systems engineering, 2009,104 :308-317)利用普通數(shù)碼相機(jī)拍攝的春大麥和冬小麥圖像的紅綠波段，計(jì)算綠度和亮度作為圖像分類依據(jù)，根據(jù)指數(shù)型孔隙度計(jì)算模型反演LAI。申請人:在2010年7月20號申請的專利號為ZL 201010231726. 8的中國發(fā)明專利公開了一種半球攝影法獲取水稻冠層葉面積指數(shù)和平均葉傾角的方法，運(yùn)用基于魚眼鏡頭的數(shù)字半球攝影系統(tǒng)，從水稻冠層內(nèi)部自下而上采集水稻冠層半球圖像，對此半球圖像進(jìn)行灰度轉(zhuǎn)換和二值化后，從中獲取57°視角天頂角下的冠層孔隙度，基于Beer-Lambert定律和泊松模型，以及水稻冠層葉片投影函數(shù)的兩大特性，計(jì)算57°視角天頂角單角度條件下的水稻冠層LAI和ALIA ;運(yùn)用橢圓函數(shù)模擬水稻冠層的葉傾角分布，對單角度法求出的水稻冠層LAI和ALIA進(jìn)行優(yōu)化，完成水稻冠層LAI和ALIA的快速獲取。Jiangui Liu 等(Jiangui Liu, Elizabeth Pattey.Retrieval of leafarea index from top-of-canopy digital photography over agricultural crops.Agricultural and Forest Meteorology, 2010,150 :1485-1490)利用普通數(shù)碼相機(jī)獲取玉米、大豆和小麥冠層的垂直俯視照片，并從中提取冠層垂直孔隙度而計(jì)算這三種作物冠層LAI值，其結(jié)果與冠層分析儀LAI-2000的測量值具有高度相關(guān)性。吳偉斌(吳偉斌，洪添勝，王錫平，彭萬喜，李震，張文昭.葉面積指數(shù)地面測量方法的研究進(jìn)展.華中農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報，2007，26 (2) =270-275)認(rèn)為，現(xiàn)有的測量儀器如Decagon公司生產(chǎn)的AccuPAR冠層分析儀和LI-COR公司生產(chǎn)的LAI-2000能快速測量LAI。但作為進(jìn)口儀器，它們的價格都比較昂貴，不利于在我國廣泛推廣使用。另外，這些儀器本身也存在一些使用不便之處。比如，這些儀器要求從冠層底部向上采集輻射信息，對于處于生長初期的植物或者冠層高度較低的植物(如水稻)，由于儀器(或探頭)本身有一定的厚度，所以無法獲得完整的冠層信息。而且有些儀器必須分別兩次采集冠層上、下方輻射信息，不利于將儀器固定在移動設(shè)備(拖拉機(jī)等)上以采集大面積的LAI數(shù)據(jù)?；谄胀〝?shù)碼相機(jī)以垂直俯視方式拍攝水稻冠層圖像，并提取孔隙度反演水稻葉面積指數(shù)的方法，國內(nèi)外公開文獻(xiàn)還沒有報道
發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明提供了一種利用數(shù)碼相機(jī)獲取水稻冠層葉面積指數(shù)的方法及裝置，基于普通數(shù)碼相機(jī)以垂直俯視方式拍攝水稻冠層圖像，并提取孔隙度反演水稻葉面積指數(shù)，能實(shí)時快速獲取水稻冠層LAI，避免了在田間進(jìn)行破壞性采摘水稻葉片測量水稻葉面積指數(shù)帶來的費(fèi)時、費(fèi)力、工作效率不高等問題。一種利用數(shù)碼相機(jī)獲取水稻冠層葉面積指數(shù)的方法，包括如下步驟(I)將數(shù)碼相機(jī)置于水稻冠層外部上方，距離水稻冠層頂端I米，鏡頭朝下，鏡頭主光軸垂直于水稻冠層水平投影面，拍攝水稻冠層原始彩色圖像；(2)將所述水稻冠層原始彩色圖像轉(zhuǎn)換為灰度圖像；(3)將所述灰度圖像轉(zhuǎn)換為只含有“黑” “白”兩種像元的二值圖像；(4)從所述二值圖像中按如下公式提取水稻冠層孔隙度，T =~~
Po+Pr式中，T-水稻冠層孔隙度；&-非水稻葉片像元數(shù)量P1-水稻葉片像元數(shù)量；(5)按如下公式計(jì)算葉面積指數(shù)，LAI = -21nT式中，LAI-水稻冠層葉面積指數(shù)；Τ-水稻冠層孔隙度。步驟⑵中采用如下公式轉(zhuǎn)換Gray (x, y) = 2*G (x，y) -B (x，y) -R(x，y)式中，Gray(x,y)-灰度圖像上點(diǎn)(x，y)處的灰度值，R(x, y)——原始彩色圖像中點(diǎn)(x，y)處的紅色分量值；G(x, y)——原始彩色圖像中點(diǎn)(x，y)處的綠色分量值；B(x, y)——原始彩色圖像中點(diǎn)(x，y)處的藍(lán)色分量值；步驟(3)中采用如下公式轉(zhuǎn)換
iOGray(x^y) < \BW(x,7)=r , ' τ
[255 Gray(x, _y)>T
式中，BW(x，y)——二值圖像上點(diǎn)(x，y)處的像素值，Gray (x, y)-灰度圖像上點(diǎn)(x，y)的灰度值，T——選定的閾值，Bff (x, y) = O-黑色,表示(x, y)點(diǎn)處為水稻葉片，Bff(x, y) = 255-白色，表示(x，y)處為非水稻葉片。所述閾值的確定方法為Otsu算法。整個計(jì)算采用Visual C#2010編程實(shí)現(xiàn)。本發(fā)明還提供了一種利用數(shù)碼相機(jī)獲取水稻冠層葉面積指數(shù)的裝置，包括圖像采 集系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，所述圖像采集系統(tǒng)包括三腳架、位于三腳架頂部的橫置中軸、固定在橫置中軸前端的云臺和安裝在云臺上且鏡頭豎直朝下的數(shù)碼相機(jī)。數(shù)碼相機(jī)采用普通數(shù)碼相機(jī)，采集圖像時，數(shù)碼相機(jī)位于水稻冠層的正上方，鏡頭豎直朝下，鏡頭的主光軸與水稻冠層水平投影面相垂直，鏡頭距離水稻冠層最頂端的距離為lm，圖像采集系統(tǒng)采集的圖片以JPG格式文件傳輸給數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)即計(jì)算機(jī)，通過計(jì)算機(jī)對采集的圖片進(jìn)行處理和計(jì)算，得到水稻冠層的叢生指數(shù)。本發(fā)明的有益效果本發(fā)明的方法只需要利用普通數(shù)碼相機(jī)在水稻冠層外部上方以垂直俯視方式拍攝水稻冠層圖像，不需要在田間破壞性采摘水稻葉片進(jìn)行人工測量，能實(shí)時快速獲取水稻冠層LAI，為水稻遙感估產(chǎn)和監(jiān)測水稻長勢狀況提供基礎(chǔ)參數(shù)。


圖I是本發(fā)明的測量裝置結(jié)構(gòu)示意圖；其中，I-帶橫置中軸和水平指示氣泡的三角架，2-云臺，3-數(shù)碼相機(jī)鏡頭主光軸，4-數(shù)碼相機(jī),5-數(shù)碼相機(jī)鏡頭,6-橫置中軸,7-水稻。圖2是本發(fā)明計(jì)算值與人工直接測量值的對比圖。
具體實(shí)施例方式(I)相機(jī)架設(shè)如圖I所示，采用帶水平氣泡和橫置中軸的三腳架I作為數(shù)碼相機(jī)的架設(shè)支架，數(shù)碼相機(jī)采用普通數(shù)碼相機(jī)，每次拍攝前，支開三腳架I的三個腳，架設(shè)好三腳架1，先將三角架的橫置中軸6調(diào)整在垂直位置，將云臺2固定在三角架橫置中軸6上，云臺2快裝板底座與三角架橫置中軸6垂直，數(shù)碼相機(jī)4機(jī)身固定在云臺2上。調(diào)整三角架1，使水平氣泡顯示云快裝板底座處于水平狀態(tài)。將普通數(shù)碼相機(jī)曝光模式設(shè)置為“自動”，底部水平固定在云臺2快裝板上，將固定有數(shù)碼相機(jī)4的云臺2快裝板固定在快裝板底座上，將三角架橫置中軸6橫置，使數(shù)碼相機(jī)鏡頭5垂直朝下，調(diào)整三角架I的三個腳，使數(shù)碼相機(jī)鏡頭5最前端距離水稻7冠層最頂端I米，同時使水平氣泡顯示三角架I頂部處于水平狀態(tài)。(2)拍攝水稻冠層彩色圖像在選定的田塊中按“S”型分布設(shè)立8個ImX Im拍攝小區(qū)，選擇早稻為拍攝對象，在水稻的生長季節(jié)每周拍攝一次，共拍攝3次，圖片保存為JPG格式文件。在拍攝水稻冠層照片的同時，數(shù)清每個小區(qū)內(nèi)水稻的株數(shù)N，并隨機(jī)抽取4株，采用美國Li-Cor公司的LA 3000C葉面積測試儀測試每株水稻活體葉片的面積Ai，直接測量法的葉面積指數(shù)LAIdirert采用公式⑴計(jì)算
權(quán)利要求
1.一種利用數(shù)碼相機(jī)獲取水稻冠層葉面積指數(shù)的方法，其特征在于，包括如下步驟 (1)將數(shù)碼相機(jī)置于水稻冠層外部上方，鏡頭朝下，鏡頭主光軸垂直于水稻冠層水平投影面，拍攝水稻冠層原始彩色圖像； (2)將所述水稻冠層原始彩色圖像轉(zhuǎn)換為灰度圖像； (3)將所述灰度圖像轉(zhuǎn)換為只含有“黑”“白”兩種像元的二值圖像； (4)從所述二值圖像中按如下公式提取水稻冠層孔隙度， 式中，T-水稻冠層孔隙度Ptl-非水稻葉片像元數(shù)量^1-水稻葉片像元數(shù)量； (5)按如下公式計(jì)算葉面積指數(shù)，LAI = -21nT 式中，LAI-水稻冠層葉面積指數(shù)；Τ-水稻冠層孔隙度。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，步驟(I)中所述數(shù)碼相機(jī)與所述水稻冠層最頂端之間的距離為lm。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，步驟(2)中采用如下公式轉(zhuǎn)換 Gray (x, y) = 2*G(x, y) -B (x, y) -R (x, y) 式中，Gray (x, y)-灰度圖像上點(diǎn)(x，y)處的灰度值， R(x，y)——原始彩色圖像中點(diǎn)(X，y)處的紅色分量值； G(x, y)——原始彩色圖像中點(diǎn)U，y)處的綠色分量值； B(x, y)——原始彩色圖像中點(diǎn)U，y)處的藍(lán)色分量值；
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，步驟(3)中采用如下公式轉(zhuǎn)換 式中，BW(x，y)——二值圖像上點(diǎn)(X，y)處的像素值， Gray (x, y)-灰度圖像上點(diǎn)(x，y)處的灰度值， T——選定的閾值， Bff (x, y) = O-黑色,表示(X, y)點(diǎn)處為水稻葉片， Bff(x, y) = 255--白色，表示(x，y)點(diǎn)處為非水稻葉片。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，所述閾值的確定方法為Otsu算法。
6.一種利用數(shù)碼相機(jī)獲取水稻冠層葉面積指數(shù)的裝置，包括圖像采集系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，其特征在于，所述圖像采集系統(tǒng)包括三腳架(I)、位于三腳架(I)頂部的橫置中軸(6)、固定在橫置中軸(6)前端的云臺(3)和安裝在云臺(3)上且鏡頭豎直朝下的數(shù)碼相機(jī)⑷。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種利用數(shù)碼相機(jī)獲取水稻冠層葉面積指數(shù)的方法及裝置，方法包括如下步驟(1)將數(shù)碼相機(jī)置于水稻冠層外部上方，鏡頭朝下，鏡頭主光軸垂直于水稻冠層水平投影面，拍攝水稻冠層原始彩色圖像；(2)將所述水稻冠層原始彩色圖像轉(zhuǎn)換為灰度圖像；(3)將所述灰度圖像轉(zhuǎn)換為只含有“黑”“白”兩種像元的二值圖像；(4)從所述二值圖像中提取水稻冠層孔隙度；(5)根據(jù)提取的水稻冠層孔隙度計(jì)算葉面積指數(shù)。本發(fā)明的方法及裝置只需要利用普通數(shù)碼相機(jī)在水稻冠層外部上方以垂直俯視方式拍攝水稻冠層圖像，不需要在田間破壞性采摘水稻葉片進(jìn)行人工測量，能實(shí)時快速獲取水稻冠層LAI，為水稻遙感估產(chǎn)和監(jiān)測水稻長勢狀況提供基礎(chǔ)參數(shù)。
文檔編號G01B11/28GK102778212SQ20121027255
公開日2012年11月14日 申請日期2012年8月2日 優(yōu)先權(quán)日2012年8月2日
發(fā)明者史舟, 周煉清, 田延峰 申請人:浙江大學(xué)