基于RGB图像的设施番茄冠层覆盖度估算方法研究_邹伟杰.pdf

北 null 方 null 园 null 艺 nullnullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull 设施园艺 第一作者简介 邹伟杰 nullnullnullnull null 男 硕士研究生 研究方向 为智能制造技术 null nullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull 责任作者 李双伟 nullnullnullnull null 女 博士 助理研究员 现主要 从事源尺度的植物功能 null 结构 null 环境互作的表型模型等研 究工作 null nullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull 基金项目 国家自然科学基金资助项目 nullnullnullnull 收稿日期 nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull 邹伟杰 华珊 徐志福 许敏界 李双伟 鲍文娜 null基于 nullnullnull图像的设施番茄冠层覆盖度估算方法研究 null null北方园艺 nullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnullnull 基于 nullnullnull 图像的设施番茄冠层覆盖度 估算方法研究 邹 伟 杰 null 华 null 珊 null 徐 志 福 null 许 敏 界 null 李 双 伟 null 鲍 文 娜 null nullnull浙江科技学院 生物与化学工程学院 浙江 杭州 nullnullnullnullnullnull nullnull浙江省农业科学院 农业装备研究所 农业农村部东南丘陵山地农业装备重点实验室 浙江 杭州 nullnullnullnullnullnull nullnull 摘 null 要 以番茄为试材 采用设施实验箱育苗的方式 通过设施环境下桁架搭载可见光 nullnullnull 相机系统获取图像数据 研究了不同植被指数算法分割番茄冠层图像的精度 并实 现设施番茄冠层覆盖度提取方法的评估 以期为其他设施作物的冠层覆盖度估算提供方法 指导 结果表明 nullnullnull 算法 nullnullnullnull 算法和 nullnullnullnull 算法均可用于估算设施番茄的冠层覆盖 度 与真值之间的均方根误差 nullnullnullnull 分别为 nullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnullnull 决定系数 null null 分别为 nullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnullnull 不同植被指数分割算法估算的设施番茄冠层覆盖度之间存在差异 与 真值图像相比 nullnullnullnull 算法在定植 nullnullnull 的图像分割时 分割精度较低 冠层覆盖度估算值偏 大 nullnullnullnull 算法在定植 nullnullnull 的图像分割时 由于分割过度 导致冠层覆盖度估算值偏小 而 nullnullnull 算法在各时期的分割精度较高 冠层覆盖度的估算值与真值之间的吻合度最好 这表 明 nullnullnull 算法能够更有效的实现设施番茄的植土分割且估算精度更高 关键词 设施番茄 nullnullnull 图像 植被指数 冠层覆盖度 图像分割 中图分类号 nullnullnullnullnullnullnullnull 文献标识码 nullnull 文章编号 nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnull 番茄 nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull 是具有较高经 济效益的优势蔬菜品种之一 研究表明番茄冠层 覆盖程度与其株高 茎粗和叶面积指数之间存在 显著相关性 冠层覆盖度不仅被视为一个重要的 表型参数 还被认为是评价番茄生长状况和预测 产量的关键指标 null 植被覆盖度 nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnull 指被叶片 枝条 茎秆等覆盖的地面百 分比 null nullnull 其能够反映出植被对光的截获能力 成 为量化评估农作物生长状况的关键指数之一 植 被覆盖度的估算方式主要有地面实测法和遥感监 测法 null 种 null nullnull 地面实测作为遥感等测量技术不 可缺少的验证和辅助手段 能够有效的检验和评 价遥感测量技术的准确性 null 常见的地面实测一 般是目测估计法和方格法等 null 目测法受观测者 的主观因素影响较大 费时 繁琐 而且破坏性较 大 绝对误差最大可达到 nullnullnull 而方格法是在照 片上叠上透明的方格纸 植被在透明纸上所占的 方格数占总方格数的百分比算作植被覆盖度 该 方法的工作量巨大 不利于宏观大尺度的测量 在遥感测量应用领域 植被覆盖度与植被指 数密切相关 植被指数主要反映植被在可见光 近 红外波段反射与土壤背景之间差异的指标 可以 广泛用于评价植被覆盖度和植被活力 null nullnullnull 任杰 等 nullnull 比较了归一化差异指数 nullnullnull 法和监督分 类法估算玉米植被覆盖度 结果表明 nullnullnull 法比 监督分类法更加适用于精准农业作业 吴兰兰 等 nullnull 利 用 超 红 指 数 nullnullnull 植 被 指 数 组 合 nullnullnull 等 null 种植被指数分割大田油菜图像 结果 表明 nullnullnull 法提取的效果最好 张智韬等 nullnull 比 较了红 绿 比 值 指 数 nullnullnullnull 法 绿 蓝 比 值 指 数 nullnullnullnull 法 灰度分割法计算的覆盖度变化趋势 结果表明不同分类方法所提取的玉米冠层覆盖度 之间存在较大差异 nullnullnullnull 法提取的效果最差 灰 度分割法提取覆盖度的精度更高 史培华等 nullnull 利用绿红通道比值 null null 绿红通道插值 nullnullnull 等分割估算冬小麦冠层覆盖度 结果表明 nullnullnull 阈值分割估算冠层覆盖度的准确度高 目前 对 冠层覆盖度的估算研究多见于大田作物 如玉米 冬小麦 油菜等作物中 nullnull nullnullnull 对设施作物冠层覆 盖度的估算研究鲜有报道 因此 该试验以设施番茄为研究对象 利用桁 架集成平台搭载可见光相机获取设施番茄不同生 育期 苗期 开花坐果期和结果期 的冠层图像 利 用 nullnullnull 算法 nullnullnullnull 算法和 nullnullnullnull 算法分割出图 nullnullnullnullnullnull 像中的土壤背景 估算设施番茄冠层覆盖度 通 过对比试验定量分析 对每种分割算法的计算性 能进行评估 以期确定更加适合设施番茄冠层覆 盖度的估算方法 为设施番茄长势动态监测提供 参考依据 nullnull 材料与方法 nullnullnullnull 试验地概况 设施番茄试验于浙江省农业科学研究院桑 园科研创新实验基地 北纬 nullnullnullnullnullnull 东经 nullnullnullnullnullnullnull 内 进 行 采 取 基 质 栽 培 供试基质含全氮 nullnullnullnullnull nullnull nullnull 全 磷 nullnullnull nullnull nullnull nullnull 全 钾 nullnullnullnullnull nullnull nullnull 有机质 nullnullnull nullnull nullnull 大小孔隙比 为 nullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnull 试验材料 供试番茄品种为 奥美拉 nullnullnullnull 于 nullnullnullnull 年 null 月 nullnull 日定植 nullnullnullnull 年 null 月 nullnull 日拉秧 试验共 null 个小区 每个小区面积为 nullnullnullnullnull 每个小区 种植 null 行番茄 移栽时行距 nullnullnullnull 株距 nullnullnullnull 种 植密度为 null 株 null nullnull 图 null null 桁架搭载可见光相机的集成平台 nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnull 北 null 方 null 园 null 艺 nullnullnullnullnullnull null 月 上 null nullnullnullnull 试验方法 设施番茄试验以参考蒸发蒸腾值 nullnullnull 和当 地推荐氮肥施用量 nullnull 为对照 即 nullnullnullnullnullnullnullnullnull 试验 设 null 个 灌 水 水 平 nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull null 个氮肥水平 nullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull 共 null 个处理 nullnullnullnull nullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull 施肥分别在设施番茄开花前 开花 null 结果和结果后 null 肥 尿素 用量按 nullnullnullnullnull nullnull nullnull 换算为小区面积用量后施入 除草 病虫害防治 打侧枝等田间农艺管理均由专业人员统一管理并 记录 nullnullnullnull 项目测定 nullnullnullnullnullnull 设施番茄图像采集与处理 设施番茄从定植后第 nullnull 天开始 每 nullnullnull 进 行图像 采 集 工 作 通 过 桁 架 机 构 搭 载 nullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull 相 机 获 取 设 施 番 茄 冠 层 的 nullnullnull 图 像 图 null 可见光相机的有效像素为 nullnullnullnullnull 万 光圈 值为 null nullnullnull 曝 光 时 间 为 null nullnullnull nullnullnull 速 度 为 nullnullnullnullnullnullnull 图像分辨率为 nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull 图片格式 为 nullnullnullnull 图像采集时航向重叠率和航间重叠率 均设置为 nullnullnull 拍摄时可见光相机镜头垂直向 下 对整个试验区进行平拍 图像数据均在天气 晴朗 光线良好的条件下采集 基于桁架平台获取番茄多个生育期的冠层图 像 剔除因光照原因造成的成像模糊的问题图像 通过对图像进行拼接 校正 利用植被指数分割方 nullnullnullnullnullnull 法分别对预处理后的番茄冠层图像进行处理 经 nullnullnullnull 阈值分割得到番茄冠层覆盖度的估算结 果 图 null 图 null null 基于可见光图像的设施番茄冠层覆盖度估算流程 nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull 基于 nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull 相机拍摄的 nullnullnull 图像 采用 nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnull 圣彼得堡 俄罗斯 版本 nullnullnullnullnull 软件处理 首先 根据图片本身的信息参数来校准 对齐优化 图像 无用的图像数据可以在对齐之后删减或者 隐藏 然后 基于运动重构 nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnullnull 算法生成整个试验区域的联通点 进 而生成相应的稠密点云 最后通过建立网格 纹理 特征 从而生成试验区的数字正射影像 nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnull 并输出保存文件 利用 nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull null nullnullnullnull nullnullnullnullnull 加州 美国 版本 nullnullnullnullnullnull 软件对各时期的正射影像图根据种植小 区的分布进行批量裁剪 获取每期各小区的图像 样本 图 null 图 null null 试验区的可见光正射影像及裁剪小区 nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull 基于可见光颜色指数的分割算法 受试验条件影响 垂直拍摄的番茄冠层图像 中会有基质 水管 试验框等非作物冠层部分 因 此需要对图像中的非作物冠层部分进行分割剔 除 图像分割后再对番茄冠层部分进行数据提取 与分析 由于番茄植株对不同波长光的响应不 同 通常体现在绿光 近红外波段具有较强的反射 效果 在蓝光 红光波段具有吸收效果 nullnull 因此综 nullnullnull 第 null期 nullnullnullnullnull 邹伟杰等 基于 nullnullnull图像的设施番茄冠层覆盖度估算方法研究 合考虑番茄植株不同波段的反射和吸收特性 null选 择利用植被指数提高植被信息 null降低背景信息的 干扰 null以期达到对植株更好的分割效果 null该研究 根据绿色作物对光反射吸收特点首先采取了 null 种 常见的可见光波段植被指数进行作物背景剔除 null 这些分割方法广泛应用于绿色植被的植土分离 null 通过利用不同的颜色通道信息产生颜色指数 null经 过 nullnullnullnull 阈值分割获得分割结果 null植被指数计 算方法见表 null null 表 null null 可见光图像提取的植被指数计算公式 nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull 植被指数 nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull 名称 nullnullnullnull 公式 nullnullnullnullnullnullnull 参考文献 nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnull 植被颜色指数 nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnull等 nullnullnullnull nullnullnull 过绿指数 nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull等 nullnullnullnull nullnullnullnull 过绿减过红指数 nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnull等 nullnullnullnull nullnullnull 绿叶指数 null nullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnull null nullnullnullnullnullnullnullnullnull等 nullnullnullnull nullnullnullnull 绿蓝植被指数 null nullnullnull nullnullnull nullnullnull null nullnullnullnullnullnullnullnull等 nullnullnullnull nullnull 注 nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnull nullnullnullnullnull nullnull nullnullnull nullnull nullnullnullnullnull nullnull null null null null null分别为代表每个像素的红 null绿 null蓝 null个通道的灰度值 null null null null null null表示 null个通道的归一 化值 null nullnullnullnull null nullnullnull nullnull nullnullnullnullnull nullnull nullnullnull nullnull nullnullnullnullnull nullnull nullnullnull nullnull nullnullnullnullnull nullnull null null nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull null nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnull null nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull 阈值分割 nullnullnullnull 是一种能够确定图像二值化分割阈 值的算法 null该算法又称为最大类间方差法 null按照图 像的灰度特性 null可以将图像分成前景和背景 null 个 部分 null从而提取所需要的图像数据 null 原理 null令 null null null null null null nullnullnull nullnullnull null表示一幅数字图 像的 null 个不同灰度级 null设定存在某一个阈值 null null null null nullnull 把图像所有的像素分为 null 类 nullnull null小于 null null 和 nullnull null大于 null nullnull对应两类像素各自的均值为 nullnull null nullnull null整个图像的均值为 nullnull null同时像素分为 nullnull 和 nullnull 的概率分别为 nullnull 和 nullnull null所以 null nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnull null null nullnull nullnullnullnullnull nullnull null null nullnull nullnull 根据方差概念 null可得类间方差表达式 null null nullnullnull null nullnullnullnullnull null null nullnullnull null nullnullnullnullnull null null null null nullnull nullnull 式 null null null代入式 null null nullnull得 null null nullnullnullnullnull null nullnullnullnullnull null null null null nullnull 其中 null nullnullnullnull null nullnullnull nullnull null null nullnull nullnullnull null nullnullnull nullnullnullnullnull nullnull null null nullnull nullnullnull null nullnull null null nullnullnull nullnullnull null null nullnull nullnullnull null nullnull null nullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnull null null nullnull 灰度级 null 的累加均值 null 和整个图像得均值 nullnull 分别 null nullnullnull null nullnullnull nullnullnull null null nullnull nullnullnullnull nullnullnull nullnullnull nullnullnull null nullnull nullnull 将式 null nullnullnullnull null代入式 null null nullnull得到最终的类间方 差公式 null null null null nullnullnullnullnullnull null null null nullnull null nullnullnullnull null null nullnull nullnull nullnull 根据式 null null null null null null nullnullnull null null null null nullnull null求得式 null nullnull null最大 化的灰度级 null 就是 nullnullnullnull 阈值 null 对于待提取的番茄 nullnullnull 图像 null利用植被指数 对每个图像像素进行计算 null把具有 null 个颜色通道 的彩色图像转换成仅一个通道的灰度图像 null而后 应用 nullnullnullnull 算法进行阈值分割 null最终得到设施番 茄冠层分割图像 null nullnullnullnullnullnull 真值图像测定 在 nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull null nullnullnullnull 软件中 null采用遥感 图像解译中的目视解译法 null实现试验小区图像中 番茄冠层像素的精确圈围 null并对图像中的番茄植 株及基质 null培养箱 null水管等其他背景物进行记号 null 随后对图像进行阈值分割 null分为黑白 null 个部分 null白 色表示番茄植株冠层部分 null黑色代表背景 null非番茄 植株冠层部分 nullnull白色区域占整幅图区域的比值记 作目视解译法的番茄冠层覆盖度 null nullnull 北 null 方 null 园 null 艺 nullnullnullnullnullnull null 月 null上 null null nullnullnullnullnullnull 冠层覆盖度与精度测定 依据植被覆盖度 nullnull 的定义 对分割后的试 验小区图像进行统计 每个试验小区的 nullnullnull 图像 中的总像素个数记为 nullnull 番茄冠层部分像素个数 记为 nullnull 则此试验小区的番茄冠层覆盖度 nullnull 为 nullnull null nullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnull nullnull 采用决定系数 nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull null null 和 均 方 根 误 差 nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnull 定量评估设施番茄冠层覆盖度的估算精 度 null null 数值越大 nullnullnullnull 数值越小 表示估算值 与真值的吻合程度越高 null null null null null nullnullnull nullnullnull null null null nullnullnull null null null nullnull null nullnullnull nullnullnull null null null null null nullnullnull nullnullnull null null null nullnull nullnullnullnullnull null null nullnullnull nullnullnullnullnull null null null nullnull 式中 nullnull null null 表示真值和真值均值 nullnull null null 表示 估算值和估算值均值 null 表示样本的总量 nullnullnullnull 数据分析 试验数据采用 nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull 软件进行图 表的绘制 采用 nullnullnullnullnullnullnull 软件进行误差分析 nullnull 结果与分析 nullnullnullnull 分割方法筛选 与原 nullnullnull 图像相比 nullnullnull 算法和 nullnullnullnull 算法 未能有效地分离番茄叶片等植物部分与培养基 质 水管等非植物部分 而 nullnullnullnull 算法 nullnullnull 算法 和 nullnullnullnull 算法能够有效实现番茄植物部分和非 植物部分的分离 图 null 因此 该研究将用 nullnullnullnull 算法 nullnullnull 算法和 nullnullnullnull 算法估算设施番茄不 同生育期的冠层覆盖度 图 null null 不同指数法分离植土的效果对比 nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnull 冠层覆盖度估算结果 随着番茄植株的生长 叶片增多变大 叶倾角 变大 因此冠层覆盖度呈整体上升趋势 图 null 与对照小区相比 nullnull nullnull 试验小区受水分影响 虽冠 层 覆 盖 度 较 低 但始终保持增长趋势 图 nullnullnullnull 在定植 nullnullnull 时 nullnull nullnull 试验小区的 冠层覆盖度小于 nullnullnull nullnull nullnull 试验小区 不同植被指数法估算的冠层覆盖度之间存在 差异 尤其以 nullnull 试验小区明显 生育期内 nullnullnullnull 算法 nullnullnull 算法和 nullnullnullnull 算法估算的冠层覆盖 度变化范围分别为 nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull 和 nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnull 算法估算的番茄冠层 nullnullnull 第 null期 nullnullnullnullnull 邹伟杰等 基于 nullnullnull图像的设施番茄冠层覆盖度估算方法研究 nullnullnullnullnull 图 null null 各试验区不同分割方法估算的冠层覆盖度变化趋势 nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull