CN102809357A - 农作物叶面积信息自动化测量分析仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种农业科研人员对于农作物的总叶面积、绿叶面积、黄叶面积和绿叶指数的高精度快速测量分析和记录的设备。本发明提供的农作物叶面积信息测量分析仪包括：叶片传送装置、图像采集装置、PLC控制器以及计算机系统。本发明利用机器视觉技术动态获取农作物叶片颜色信息，可以同时并快速测量多片农作物叶片，克服了目前的测量手段中无法快速并高效测量农作物叶片总叶、黄叶、绿叶面积的缺陷；测量过程采用流水喂入作业模式，操作简单方便；软件兼容性好，能自动去杂并识别黄叶部分和绿叶部分，获取叶片颜色信息，不需要对叶片黄、绿叶部分进行修剪等前期处理，只需要剪下叶片后直接送入仪器测量分析即可。

Description

农作物叶面积信息自动化测量分析仪

技术领域

本发明涉及一种农业科研人员对于农作物叶片的总叶面积、绿叶面积、黄叶面积、绿叶指数（绿叶含量百分比）等颜色信息的快速记录和分析的装置。

背景技术

农作物叶片表面颜色信息的测量和分析对农作物品种的改良有着重要意义，尤其是黄绿叶面积信息，这一因素影响着农作物产量、株高、品质等关键性结果。对叶面积信息的研究是农作物栽培研究中的关键步骤。

在现有的农作物叶片面积信息测量分析中，目前常用的方法干重比例法、打孔称重法、剪纸称重法、坐标纸法、抛物线拟合法、系数法和回归方程法、求积仪法、贴纸扫描法等人工测量的方法。其中，

干重比例法非常耗时耗力，效率底下，且测量结果主要为估测结果，精确度不高；

坐标纸法操作过程既费时又费工，对于形状不规则的叶片测量精度大大降低；

打孔称重法(或直接称重法)受叶片厚度、叶龄及叶片含水量的影响很大，因而误差太大；

剪纸称重法取叶子样品和纸张质地均匀与否也会带来一定的误差；抛物线拟合法不适合叶缘为不规则曲线的叶片；

系数法和回归方程法操作简单，可活体测量，但事先需测量大量叶片，得出校正系数或最佳回归模型，对单个叶片误差较大，特定系数或模型只能适用于特定的种类、品种和植株，且不适应于叶形变化大且无规律的种类品种；

求积仪法比较准确，可用此作为其它方法检测的标准，但需离体测量，操作方法繁琐，速度慢,且叶子的长宽比越大，误差就越大，周长越大，误差也越大。

贴纸扫描法，即采用扫描仪或相机拍摄图片后再通过后续处理计算出叶面积。但是测量时需要将叶片展开后粘贴在纸板上，然后再用CCD相机或者扫描仪扫描。这种方法存在以下几个问题：（1）在测量时，需要先手动将叶片展开粘贴在纸板上，操作繁琐；（2）在测量水稻等狭长柔软叶片时，耗时较多，工作效率比较低，不适合大批量测量；（3）经过这种方法测量后的叶片由于已经粘贴在纸上，不易再进行诸如叶片鲜重、干重的测量，对于叶片其他性状的后续测量有很大影响。

此外，叶片的黄绿叶的分别测量，是叶面积信息测量分析过程中最耗时的工作。尤其不利于大批量叶面及的高效测量。综上所述，人工测量和分析大批量农作物叶片面积存在耗时长、主观误差大、测量精度不高、可重复性差、操作过程繁琐等缺点，不利于大批量的实验进展。

在用仪器获取农作物叶片表面信息方面，有测量叶面积的相关专利，但存在仪器复杂、成本高、不能测出黄绿叶各部分面积等问题，且未有专业快速测量黄绿叶面积以及绿叶指数的仪器，测黄绿叶片各面积用传统的人工方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种农作物叶面积信息自动化测量分析仪，克服农作物叶面积测量现有技术所存在的测量工作繁琐、测量速度慢、测量准确度不高、工作效率低，不适应大批量测量需要的技术缺陷，在快速、准确获取总叶片面积的同时获取农作物叶片的绿叶面积、黄叶面积、绿叶指数信息。

为解决上述技术问题，本发明提供一种农作物叶面积信息自动化测量分析仪。其技术构思为：通过压辊式皮带传输系统，连续传输展平的叶片，在叶片传输过程中通过各种图像传感器获取叶片彩色图像，利用图像处理技术，对获得的图像进行处理进而得到所需的理想叶面图像，统计叶面所占的像素并乘以每个像素所代表的面积（单个像素和真实面积的对应关系通过对标准样实验得到），就可得到叶面的真实面积。

本发明所述的农作物叶面积信息自动化测量分析仪，其特征在于,包括叶片传送装置、图像采集装置、PLC控制器以及计算机系统；

所述叶片传送装置完成对农作物叶片的全过程传输，并实现与图像采集装置的采集速度匹配。所述叶片传送装置包括机架、水平皮带输送带、伺服电机、传动机构和第一、第二两根压辊，所述水平皮带输送带、传动机构和压辊分别安装在所述机架上，所述压辊贴合在所述水平皮带输送带上，其中一根所述压辊位于所述水平皮带输送带的起始端，所述两根压辊之间相距至少一个叶片长度的距离；所述伺服电机通过所述传动机构连接所述水平皮带输送带；

所述PLC控制器分别通过通信电缆连接所述伺服电机和计算机系统,用于所述伺服电机的启动、停止及速度的控制；

所述图像采集装置包括线阵列CCD相机及镜头、图像采集卡和光源系统，所述线阵列CCD相机及镜头和光源系统分别位于所述压辊上方，所述线阵列CCD相机和镜头的拍摄方向垂直于所述第一、第二两根压辊之间的水平皮带输送带，所述线阵列CCD相机通过通信电缆连接图像采集卡；所述图像采集卡连接在所述计算机系统；

所述计算机系统，用于通过所述图像采集卡发出所述线阵列CCD相机的启、停信号，接收所述图像采集卡发送的图像，计算并存储作物叶面的黄、绿面积、总面积及绿叶指数；所述计算机系统还连接所述PLC控制器，用于向所述PLC控制器发出启、停信号。

优选的，所述第一压辊之后紧邻安装第三压辊，所述第二、第三压辊之间相距至少一个叶片长度的距离。

进一步优化的，所述水平皮带输送带的末端下方安装收集盒。利用回收箱回收已测量叶片，可进一步对叶片进行称重等实验。

本发明提供的农作物叶面积信息自动化测量分析仪具有以下突出的有益效果：（1）利用待测农作物叶片的密集滚筒式喂入，速度快，同时喂入量大，测量过程简洁快速，实现大批量农作物叶片面积参数的快速获取；（2）按照无动力转动管和皮带的贴合滚动，对喂入叶片实现自动压平展开处理，减小拍摄图像误差，提高测量结果的精确度；（3）采用图像捕捉和处理方法，测量分析快速准确，精确度高；适用性强，能自动去杂并识别黄叶部分和绿叶部分，无需对待测农作物叶片做清洁或修剪等前期处理。值得推广使用。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案作进一步具体说明。

图1为本发明硬件装置示意图。

图2为叶片传送装置示意图。

图3为本发明的具体操作流程图。

图4为本发明的计算机系统进行图像处理的流程图。

图5为彩色图像RGB校正原理图。

图6为叶片图像二值图。从左到右依次,图6（a）为采集到的原始叶片图，图6（b）为提取绿色部分叶片图，图6（c）为提取黄色部分叶片。

具体实施方式

结合图1和图2所示，叶片传送装置包括机架12、水平皮带输送带5、伺服电机7、传动机构9和四根并排的压辊4，水平皮带输送带5、传动机构9分别安装在机架12上，压辊4贴合在水平皮带输送带5上。最靠近水平皮带输送带5起始端的压辊为第一压辊，从第一压辊开始，由近到远依次为第二、第三、第四压辊，其中第一、第二压辊紧邻，第二、第三压辊之间相距至少一个叶片长度的距离，第四压辊紧邻第三压辊。四根压辊4为分别四个无动力转动管，四个无动力转动管分别通过轴10安装在机架12上。伺服电机7通过传动机构9连接水平皮带输送带5。伺服电机驱动器产生驱动电流控制伺服电机旋转带动输送线运动，驱动器的驱动信号由PLC控制输出，使输送带做稳定的匀速运动，配合线阵列CCD得到不失真的图像。叶片回收装置6安装在水平皮带输送带的末端下方，实现对已测叶片的多重利用；

图像采集装置主要由线阵CCD相机及镜头、光源系统以及图像采集卡组成。其中，CCD相机及镜头安装于传送带前端正对第二转动管和第三转动管间隙中央上方的安置架顶部，用于对叶片成像；光源系统为线阵列光源，为CCD相机提供照明。线阵CCD相机采集得到的图像通过安装在计算机系统8上的图像采集卡传入计算机系统8。

计算机系统8一方面接收图像采集卡发送的图像，计算并存储作物叶面的黄、绿面积、总面积及绿叶指数，另一方面通过图像采集卡向线阵列CCD相机发出启、停信号；计算机系统还连接PLC控制器，通过串口实现通信，向PLC控制器发出启、停信号。PLC控制器控制伺服电机7,实现包括传送带的启动、停止及速度的控制。

本发明的整体工作流程如下：操作人员把叶片从农作物上剪下来，开启仪器，计算机启动线阵列CCD开始图像拍摄工作，并计算机通过串口发送脉冲信号给PLC控制器，启动传送带。把一批叶片依次逐片投入第一根无动力转动管与传输皮带之间形成的喂料口，叶片进入输送皮带，在输送皮带与无动力转动管之间时叶片被展平。当通过线阵列CCD下方时，CCD拍摄叶片动态图像并传送至计算机提取叶片各项参数。叶片由传送带把叶片送至回收箱，由此完成全过程分析。线阵列光源给相机提供高亮稳定的照明。操作人员在预先设置好的时间内完成叶片喂入操作，若提前完成则在软件界面上按下“结束本次测量按钮”结束当前测量，然后PLC控制器自动控制输送线停止以节约能耗，并提高测量效率。

具体操作过程如图3所示：

1）开启系统电源，运行系统的控制程序。

2）系统提示控制操作人机界面，根据水稻叶片单次测量通量设置单次测量最大时间，并选择图片存储路径、给存储表Excel表命名；将农作物叶片面积参数以Excel表格的形式保存，方便用户管理和分析。这里需要说明的是，原理上单次测量时间可以为无限制的，但是在实际应用中，同一次测量过程中相机和采集卡由于存在最大缓存容量限制，因此不可能无限制的采集图片，所以在这里用户可根据实际单次测量通量设置好“单次测量最大时间”，本系统中设置1-10分钟可选。如果在单次测量最大时间到达时，本次测量仍然有待测叶片还未来得及测量（结束前10秒钟会自动有语音提示），用户可输入新的编号后开始下一次测量，继续喂入未测量叶片，并在最终Excel表格中将其结果相加即可。

3）输入所测叶片编号，软件触发启动测量。向仪器连续喂入若干个待测叶片，计算机系统发出图像采集指令，图像采集卡开始进行启动CCD相机线阵扫描、采集图像。并可通过调整线阵列CCD的积分时间，实现传送带速度与CCD采集速度的匹配以得到不失真的图像。图像采集卡按预设过程分析和输出数据，测量者按照模式在规定时间内完成或者按规定量完成测量，导出数据。

4）如果在设置时间内叶片若已经喂入和测量完毕，可以在软件界面上按下“结束本次测量按钮”结束当前测量。如果达到单次的测量时间，则自动结束测量过程，显示并存储结果。

5）若有新的待测批次叶片，接着进入下一编号的叶面积测量分析。

6）若所有叶片均测量完毕，则关闭软件程序和系统，结束测量。本系统设计灵活方便，使测量达到最高效率。

本发明的图像采集处理流程如图4所示：图像采集卡采集到叶片彩色图像信息，进行RGB图像色彩校正、图像边缘裁剪，之后分别进行原始图像的储存、HSL图像分割提取绿色图像分量和黄色分量，再进行像素值计算，最后由多帧叠加后的像素值，并通过换算得到黄、绿面积真实值、叶片总面积及绿叶指数。

由于线阵列相机采集到单帧叶片的彩色原始图像存在RGB失真，因此需要对RGB图像进行校正，上述RGB图像的校正如图5所示：首先计算RG、GB之间所差延迟行数，再通过计算结果，进行平移校正，得到最终校正后的RGB图像，供后续图像处理分析和图片保存。

图6为本发明所采集的叶片图像二值图。其中，图6（a）为采集到的原始叶片图，图6（b）为提取绿色部分叶片图，图6（c）为提取黄色部分叶片。图6（b）与图6（c）的叠加即为图6（a）。

实施例

1）绿色叶面积提取稳定性分析

将（长50mm，宽50mm，面积为2500mm²）的绿色小纸片，喂入分析仪进行自动测量，重复10次，结果如下表所示：

表1绿色叶面积提取稳定性测试结果

通过分析可以看出：系统对单一样本重复10次测量相对误差均值为1.19%，标准差为1.27%，系统测量测量重复性良好，满足本系统设计要求。

2）绿色叶面积提取误差分析

选取30株有代表性的种质资源水稻（分蘖期），将叶片剪下后，分别利用分析仪和扫描仪进行扫描、叶片提取和面积计算。这里简单介绍下扫描仪（扫描仪采用明基Scanner 8800）测量方法，将剪下叶片粘贴在A4白纸上，然后再将粘满叶片的整张纸放入扫描仪中扫描并保存图片，接着用Photoshop（CS3）软件抠出叶片算成像素值，最终根据单个像素在真实空间（mm²）的对应关系换算出叶面积。对比分析两种方法的绿色叶面积提取误差，结果见下表。

表2绿色叶面积提取误差分析

通过分析可以看出：与扫描仪测量结果比较相对误差平均值为3.13%，标准差为2.18%，系统测量误差满足本系统设计要求。

3）系统效率分析

在上述实验中，选取30株有代表性的种质资源水稻（分蘖期），设置单次最大工作时间为4分钟，每株叶片基本都在2分钟内放入完毕，由于图像是实时处理的，图像采集和图像处理计算是并行的。即叶片放置完毕，结果将会在2秒钟内计算出来。因此本系统的处理效率为120秒/株。同理，若实际测量中，单次测量叶片数较多，可设置单次最大工作时间为8-10分钟。

最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (3)

1.农作物叶面积信息自动化测量分析仪，其特征在于,包括叶片传送装置、图像采集装置、PLC控制器以及计算机系统；

所述叶片传送装置包括机架、水平皮带输送带、伺服电机、传动机构和第一、第二两根压辊，所述水平皮带输送带、传动机构和压辊分别安装在所述机架上，所述压辊贴合在所述水平皮带输送带上，其中一根所述压辊位于所述水平皮带输送带的起始端，所述两根压辊之间相距至少一个叶片长度的距离；所述伺服电机通过所述传动机构连接所述水平皮带输送带；

所述PLC控制器分别通过通信电缆连接所述伺服电机和计算机系统,用于所述伺服电机的启动、停止及速度的控制；

所述图像采集装置包括线阵列CCD相机及镜头、图像采集卡和光源系统，所述线阵列CCD相机及镜头和光源系统分别位于所述压辊上方，所述线阵列CCD相机和镜头的拍摄方向垂直于所述第一、第二两根压辊之间的水平皮带输送带，所述线阵列CCD相机通过通信电缆连接图像采集卡；所述图像采集卡连接在所述计算机系统；

所述计算机系统，用于所述线阵列CCD采集图像的处理，测量作物叶面的黄、绿面积和总面积，分析绿叶指数。

2.根据权利要求1所述的农作物叶面积信息自动化测量分析仪，其特征在于，所述第一压辊之后紧邻安装第三压辊，所述第二、第三压辊之间相距至少一个叶片长度的距离。

3.根据权利要求1或2所述的农作物叶面积信息自动化测量分析仪，其特征在于，所述水平皮带输送带的末端下方安装收集盒。

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