CN103033151A

CN103033151A - 一种基于激光和图像的叶面积测量方法

Info

Publication number: CN103033151A
Application number: CN2012105652869A
Authority: CN
Inventors: 王定成; 倪郁佳; 陈北京; 汤波; 田翠翠; 曹智丽
Original assignee: Nanjing University of Information Science and Technology
Current assignee: Nanjing University of Information Science and Technology
Priority date: 2012-12-24
Filing date: 2012-12-24
Publication date: 2013-04-10
Anticipated expiration: 2032-12-24
Also published as: CN103033151B

Abstract

本发明公布了一种基于激光和图像的叶面积测量方法，步骤如下：预先设置好数码照相机的像素点数n；使用一标准板，标准板的长宽比与数码相机屏幕的长宽比相同，数码相机的拍摄范围覆盖标准板时，用激光测距仪测量标准板至数码相机镜头的距离；使数码相机的拍摄范围覆盖叶片夹上的叶片时，用激光测距仪测量叶片夹至数码相机镜头的距离；使数码相机的拍摄范围覆盖叶片夹上的叶片时，拍摄照片；根据以上数据计算出所拍摄的包含叶片在内的图像的面积；根据每个像素所代表的面积以及经过图像处理以后得到叶片像素个数，得出叶片的面积。本方法根据光学成像的原理，采用了激光测距仪和标准板，提高了叶片面积的检测精度以及检测速度。

Description

一种基于激光和图像的叶面积测量方法

技术领域

本发明属于温室环境作物生长信息测量领域，涉及一种基于激光和图像的测量方法。

背景技术

作物叶面积参数是一项重要的作物生长参数，利用该参数可计算作物的用水量、蒸腾作用及产量等，因此利用叶面积参数可分析植物的生长状况，建立植物生长模型，进一步掌握植物叶片的生长规律，对于指导生产，制定高产优质高效栽培技术措施具有积极的意义。目前叶面积测量方法主要有叶片称重法、方格法、回归方程法、叶面积仪法、数字图像法等。称重法、方格法测量准确度较高，但是需要将叶片采摘下来称重，从而对作物的破坏很大，影响作物的正常生长。回归方程法就是利用直尺测量出作物的叶宽和叶长，然后采用诸如称重法等方法测量出其实际面积，建立叶片面积值和叶宽、叶长及叶长宽乘积的回归方程，从而就可以根据测量叶宽和叶长计算出出叶片的面积。当只对某一种作物进行测量时，叶片的长宽跟叶面积确实有很大的相关性，但是不同的作物品种仅通过测量叶片长宽无法准确测量出叶片面积。

数字图像法就是通过统计叶片图像的象素数折算出叶片面积，这个方法的前提是必须知道图像中每个象素点所代表的实物面积。两种测量方法能得出叶片图像的象素点折算出的实际面积值，一种是基于测量系统标定测量，另一种是基于参照物标定测量。基于系统标定测量方法要求测量前对系统必须进行标定，而且当测量环境发生变化时需要重新对系统进行标定，不过此方法测量精度高，但是缺乏灵活性与实用性。基于参照物标定测量方法简单方便、操作灵活，但对参照物要求严格，参照物的面积直接影响叶面积测量值。一般确定拍摄物体的面积需要通过焦距来计算，但是普通的数码相机无法直观的知道焦距、视场角是多少，需要先把照片扫描进电脑，然后通过特殊的软件才能判断每张照片的焦距。而普通数码相机在价格上比较便宜的，一般能直观看出焦距的数码相机是比较昂贵的。

发明内容

技术问题

本发明目的是针对现有技术存在的图像叶片面积测量技术中标定技术与方法复杂，不易活体测量，每次拍摄都需要根据焦距、视场角来确定实际拍摄面积的大小。而在温室生产环境下，采用激光测量距离，并通过标准板以及数码相机屏幕来确定实际拍摄面积的大小。通过所测得的距离来确定实际图像像素点所代表的面积来测量活体叶片的面积，通过单位土地上的总叶面积就可以求出叶面积指数。所采用的方法简单，速度快，还可以避免外界环境的干扰影响测量的精度。

技术方案

本发明为实现上述目的，采用基于201010500076.2发明装置的如下技术方案：

本发明为一种基于激光和图像的叶面积测量的方法，所使用的装置包括数码相机、叶片夹、激光测距仪、计算机、RS-232 接口线、USB 接口线、固定架和集成开关，其中数码相机和激光测距仪固定于固定架上，集成开关设置于固定架的手把上并分别与数码相机和激光测距仪的开关连接，数码相机通过USB 接口线与计算机相连，激光测距仪通过RS-232 接口线与计算机相连。

测量叶面积方法如下: 系统中规定数码照相机的像素点数为n，相机的焦距、视场角等参数固定，数码照相机显示器屏幕的尺寸即为S1，a1和b1分别为显示器屏幕的长和宽，S2为一标准板，a2和b2分别为S2的长和宽，其长宽比例与S1相同。数码相机安装在可调节高度的支架上，可调节高度的支架为通用常识，在这里就不再说明了。通过调节支架高度保证数码相机的拍摄范围覆盖标准板，也就是说，标准板的影像充满了数码相机的屏幕，由于标准板的长宽比与数码相机屏幕的长宽比相同，在数码相机的屏幕上所显示的图像除了标准板没有其他的物体。然后用激光测距仪测量标准板至数码相机镜头的距离d1，通过调节支架高度保证数码相机的拍摄范围覆盖叶片夹上的叶片，也就是说叶片的影像完全落入数码相机屏幕的范围内。由于对叶片面积的测量所做的拍摄都是近距离拍摄，而且对标准板的拍摄也是近距离拍摄，所以二者的拍摄可以用相同的焦距。一般来说拍摄标准板以及叶片都是采用垂直拍摄，视场角参数只要调整好后就不用考虑。然后用激光测距仪测量叶片夹至数码相机镜头的距离d，根据以上数据得出所拍摄的包含叶片在内的图像的面积s=[a1+2d(a2-a1)/d1][b1+2d(b2-b1)/d1]，每个像素所代表的面积p=s/n。经过图像处理以后得到叶片像素个数为m，叶片的面积S=m*s/n。把像素点n，标准板的长a2、宽b2，数码相机屏幕的长a1、宽b1，公式s=[a1+2d(a2-a1)/d1][b1+2d(b2-b1)/d1]以及叶片面积S=m*s/n预先设置在计算机内。启动集成开关完成拍摄以及测距，激光测距仪测得的数据信号以及拍摄所获得的图像就输入计算机内，即可得出叶片面积。

优选地，所述叶片夹上下为剪刀状，叶片夹的夹子为十字形，叶片夹底部托夹为白色背景底部。

优选地，所述叶片夹的十字形压片夹的材料采用白色塑料材料。

优选地，所述数码相机平面与被测叶片平面平行。

有益效果

本发明可以针对测量作物叶片的特定环境，根据光学成像的原理，采用激光测量距离，并通过标准板以及数码相机屏幕来确定实际拍摄面积的大小，就不需要每次拍摄都采集焦距、视场角的参数。由于普通数码相机一般无法直观的看到焦距本方法可以使用普通数码相机拍摄。只要确定数码相机镜头到叶片的距离d就可以确定实际拍摄面积的大小，而且由于激光测距仪和电脑相连接，只要转动集成开关数码相机镜头到叶片的距离的数据就直接进入到电脑，非常方便、迅速。如果要调整焦距和视场角等参数，也只需要从新测量一下d1就可以了。采用距离作为确定像素点代表的面积，可以克服现有叶片面积测量需要标定而带来的设备复杂、操作不方便、受环境影响测量以及测量存在误差等问题。由于标准板及激光测距仪的使用极大的提高了测量的精度以及测量速度，并且由于可以使用普通的数码相机，使得设备的价格比较低廉。所采用的装置便于携带，便于作物的活体测量，避免由于破坏性测量影响作物的生长。叶片夹制作成剪刀状便于单手操作，十字形可以在保持叶片展开的时候而不至于遭到损坏，反光强的背景板和十字形压片夹便于检测。把像素点n，标准板的长a2、宽b2，数码相机屏幕的长a1、宽b1、公式s=[a1+2d(a2-a1)/d1][b1+2d(b2-b1)/d1]以及叶片面积S=m*s/n预先设置在计算机内，只要调整好数码相机屏幕与叶片的距离，使数码相机的拍摄范围覆盖叶片夹上的叶片，就可以转动集成开关，一个数据就检测完成了，这样就极大的提高了检测的速度，可以通过单位土地上的总叶面积就可以求出叶面积指数。

附图说明

图1：本实用新型的整体结构图

图2：叶片夹结构图

图3：本实用新型工作流程图

具体实施方式

如图1至图3所示，一种基于激光和图像的测量叶片面积的测量方法及装置，该测量方法所使用的装置包括数码相机1、叶片夹2、激光测距仪3、计算机4、RS-232接口线5、USB接口线6、固定数码相机与激光测距仪的固定架7、数码相机与激光测距仪的集成开关8、叶面积测量软件9组成。叶片夹2是为了使叶子伸展开，用左手手持叶片夹，叶片夹上下为剪刀状，压片夹子为十字形，底部托夹为白色背景底部，十字形压片夹的材料采用反光强度较强的白色材料，便于在图像处理中检测到干扰物，从而可以进行填充；数码相机1和激光测距仪3固定在固定架7上，数码相机1通过USB接口线6与计算机4相连，激光测距仪3通过RS-232接口线5与计算机相连。

首先预先设置好数码照相机的像素点数n，焦距，视场角等参数。使用一标准板，标准板为一薄的正长方体，做成标准板的长宽比a2：b2与数码相机屏幕的长宽比a1：b1相同，数码相机1的拍摄范围覆盖标准板时，用激光测距仪测量标准板至数码相机镜头的距离d1。使数码相机1的拍摄范围覆盖叶片夹2上的叶片时，用激光测距仪测量叶片夹至数码相机镜头的距离d。使数码相机1的拍摄范围覆盖叶片夹2上的叶片时，拍摄照片。根据以上数据得出所拍摄的包含叶片在内的图像的面积s=[a1+2d(a2-a1)/d1][b1+2d(b2-b1)/d1]，每个像素所代表的面积p=s/n。经过图像处理以后得到叶片像素个数为m，叶片的面积S=m*s/n。

还可以把像素点n，标准板的长a2、宽b2，数码相机1屏幕的长a1、宽b1、公式s=[a1+2d(a2-a1)/d1][b1+2d(b2-b1)/d1]以及叶片面积S=m*s/n预先设置在计算机4内，激光测距仪测得的数据信号输入计算机4内，即可得出叶片面积。

通过测量叶面的宽度来调节数码相机与叶面的距离，按下集成开关8就可以同时采集叶片图片和距离，叶面积测量软件9根据距离就可以算出叶片的面积；数码相机与激光测距仪的集成开关8与激光测距仪3和数码相机的开关相连，安装在固定数码相机与激光测距仪的固定架7的手把上，便于操作；数码相机1平面与被测叶片平面平行。

Claims

1.一种基于激光和图像的叶面积测量方法，步骤如下：

a、预先设置好数码照相机的像素点数n、焦距、视场角；

b、使用一标准板，标准板的长宽比a2：b2与数码相机屏幕的长宽比a1：b1相同，数码相机（1）的拍摄范围覆盖标准板时，用激光测距仪测量标准板至数码相机镜头的距离d1；

c、使数码相机（1）的拍摄范围覆盖叶片夹（2）上的叶片时，用激光测距仪测量叶片夹至数码相机镜头的距离d；

d、使数码相机（1）的拍摄范围覆盖叶片夹（2）上的叶片时，拍摄照片；

e、根据以上数据得出所拍摄的包含叶片在内的图像的面积s=[a1+2d(a2-a1)/d1][b1+2d(b2-b1)/d1]，每个像素所代表的面积p=s/n；

f、经过图像处理以后得到叶片像素个数为m，叶片的面积S=m*s/n。

2.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于：所使用装置包括数码相机(1)、叶片夹(2)、激光测距仪(3)、计算机(4)、RS-232接口线(5)、USB 接口线(6)、固定架(7)和集成开关(8)，其中数码相机(1)和激光测距仪(3)固定于固定架(7)上，集成开关(8)设置于固定架(7)的手把上并分别与数码相机(1)和激光测距仪(3)的开关连接，数码相机(1)通过USB 接口线(6)与计算机(4)相连，激光测距仪(3)通过RS-232 接口线(5)与计算机(4) 相连。

3.根据权力要求2 所述的测量方法，其特征在于所述叶片夹(2)上下为剪刀状，叶片夹(2)的夹子为十字形，叶片夹(2)底部托夹为白色背景底部。

4.根据权力要求3 所述的测量方法，其特征在于所述叶片夹(2)的十字形压片夹的材料采用白色塑料材料。

5.根据权力要求2 所述的测量方法，其特征在于所述数码相机(1)平面与被测叶片平面平行。

6.根据权利要求2所述的测量方法，其特征在于：把像素点n，标准板的长a2、宽b2，数码相机（1）屏幕的长a1、宽b1、公式s=[a1+2d(a2-a1)/d1][b1+2d(b2-b1)/d1]以及叶片面积S=m*s/n预先设置在计算机（4）内，激光测距仪测得的数据信号输入计算机（4）内，即可得出叶片面积。