CN105953776A - 一种基于立体摄影测量获取玉米植株形态参数的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于立体摄影测量获取玉米植株形态参数的方法，该方法包括以下步骤：(1)采用4位典型格雷码，以1cm为码元宽度、1cm为相邻码元的间距、2cm为参考码宽度，构成矩形标记尺；(2)在玉米生长季节，将所述矩形标记尺竖直立于待测玉米植株近旁，利用双目相机进行摄影，获取以上所述矩形标记尺为参考的玉米植株的立体相对；(3)根据所述立体相对，参考从所述矩形标记尺上读取的数值，计算玉米植株的形态参数。本发明提供的方法通过使用普通双目相机对玉米植株进行立体摄影，进而获取玉米植株形态参数，全面提升了外业数据采集、内业数据处理的速度，有效提高了玉米植株形态因子测算的精度和效率。

Description

一种基于立体摄影测量获取玉米植株形态参数的方法

技术领域

本发明涉及玉米的种植及监控领域，具体涉及一种基于立体摄影测量获取玉米植株形态参数的方法。

背景技术

作物的形态结构在很大程度上决定作物的竞争能力和资源获取强度,而茎秆的生长与伸长是作物对光的竞争能力的直接体现。玉米茎能够起到贮藏、运输水肥的作用。株高在很大程度上决定玉米群体冠层对光的截获能力和光能利用率。玉米叶片倾角及方位角等参数是影响植物光合作用的重要因子，因此研究玉米植株形态结构,对合理选择适宜种植密度,降低倒伏率及实现玉米的高产具有重要意义。

传统的玉米植株形态因子计测方法需要运用围尺、角尺等多种测距、测角工具逐个对玉米分枝进行量测，并需要手工记录，工序繁琐；建立在围尺、角尺测量读数等手工作业的基础上，不仅手段落后、效率低、精度差，而且对于玉米种植密度较大区域的枝干参数则难以测量。因此，实现这些数据快速准确获取成为农业工作者亟待解决的问题。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中参数获取周期长、效率低、精度差的缺点，提供了一种基于立体摄影测量获取玉米植株形态参数的方法，以单株玉米植株为研究对象，以普通双目相机为影像获取工具，对玉米植株进行立体摄影，提高效率与精度，实现玉米主干的干径、叶片倾角、叶片方位角等参数的精准量测。

具体而言，本发明提供的方法包括以下步骤：

(1)采用4位典型格雷码，以1cm为码元宽度、1cm为相邻码元的间距、2cm为参考码宽度，构成矩形标记尺；

(2)在玉米生长季节，将所述矩形标记尺竖直立于待测玉米植株近旁，利用双目相机进行摄影，获取以所述矩形标记尺为参考的玉米植株的立体相对；

(3)根据所述立体相对，参考从所述矩形标记尺上读取的数值，计算玉米植株的形态参数。

所述步骤(2)中，应将一把所述矩形标记尺，确认垂直于地面放置在待测玉米植株前，尽量避免改变玉米植株的几何形态。利用双目相机进行摄影时，将相机置于胸前对玉米植株进行正直摄影，拍摄时需将玉米植株与矩形标记尺一起摄入镜头中，在拍摄距离上尽量保证视窗中视眼最清晰时再进行拍摄，从而有效降低人为误差。

本发明所述玉米植株的形态参数可以包括玉米的叶片参数；所述玉米的叶片参数具体包括叶片倾角和叶片方位角。

具体而言，所述叶片倾角由包括以下步骤的方法获得：将所述玉米植株的立体相对分割成分别与玉米植株的茎秆以及每条叶片对应的若干个模拟圆柱体；分别计算每一条叶片对应的模拟圆柱体的中心轴与茎秆主干对应的模拟圆柱体的中心轴之间的夹角，即得第1、2…n-1、n条叶片的各自对应的倾角α₁、α₂……α_n-1、α_n。

所述叶片方位角由包括以下步骤的方法获得：将所述玉米植株的立体相对分割成分别与玉米植株的茎秆以及每条叶片对应的若干个模拟圆柱体；分别将每一条叶片对应的模拟圆柱体的中心轴投影到与垂直于株高方向Z的平面XY上，获得每一条叶片对应的投影直线，计算所述投影直线与平面XY上正北方向的夹角，即得第1、2…n-1、n条叶片的各自对应的方位角β₁、β₂……β_n-1、β_n。

上述方法中，所述模拟圆柱体以所述玉米植株的立体相对为基础，依据点云密度和距离分割得到。

本发明所述玉米植株的形态参数还可以包括玉米的茎秆参数；所述玉米的茎秆参数包括茎秆任意位置对应的直径、高度和/或相对于植株整体的坐标。

具体而言，所述茎秆参数由包括以下步骤的方法获得：

从所述立体相对上任选至少两个参考点，量取每个参考点的影像坐标值u和v，并通过所述矩形标记尺读取每个参考点对应的真实坐标值x、y和z；将全部参考点的u、v、x、y以及z值代入回归方程求解回归方程中的常数项a₁、a₂、a₃、b₁、b₂、b₃、d₁、d₂、d₃、e₁、e₂、e₃以及f₁、f₂、f₃，获得以u、v、x、y以及z为变量的测量方程；

从所述立体相对中，参考像素值确定待测玉米植株的茎秆边缘，选取所述茎秆边缘上的任意位置为测量点M，量取所述测量点M的影像坐标值u_m和v_m，代入所述测量方程中，解出所述测量点的真实坐标值x_m、y_m和z_m，进一步解出所述测量点M对应的植株直径、高度和相对于植株整体的坐标。

本项发明与现有方法相比，提高了玉米植株形态因子计测工作效率，通过使用普通双目相机对玉米植株进行立体摄影，进而通过对立体像对的判读来获取玉米植株形态因子，简化外业测量，减轻了测量作业强度；采用本发明提供的方法可以实现对玉米枝径、叶片倾角、叶片方位角的快速高精度测量，相对传统方法量测较为简单。

附图说明

图1为矩形标记尺刻度示意图；

图2为以圆柱体分段模拟还原玉米形态示意图；

图中，d表示玉米茎秆的直径，α表示叶片倾角，β表示叶片方位角，L表示圆柱体中心轴的长度。

具体实施方式

以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

实施例1

本实施例采用以下方法测量玉米植株形态参数，具体步骤为：

(1)采用4位典型格雷码，以1cm为码元宽度、1cm为相邻码元的间距、2cm为参考码宽度，构成矩形标记尺(如图1所示)；

(2)在玉米生长季节，将所述矩形标记尺竖直立于待测玉米植株近旁，利用双目相机进行摄影，获取以所述矩形标记尺为参考的玉米植株的立体相对；

(3)根据所述立体相对，参考从所述矩形标记尺上读取的数值，计算玉米植株的叶片倾角、叶片方位角、以及茎秆直径、高度等参数。

其中，所述叶片倾角由包括以下步骤的方法获得：

将所述玉米植株的立体相对分割成分别与玉米植株的茎秆以及每条叶片对应的若干个模拟圆柱体(由圆柱体分段模拟还原玉米形态示意图如图2所示)；分别计算每一条叶片对应的模拟圆柱体的中心轴与茎秆主干对应的模拟圆柱体的中心轴之间的夹角，即得第1、2…n-1、n条叶片的各自对应的倾角α₁、α₂……α_n-1、α_n；

为了验证所述方法的准确性，在田间随机选取5株玉米,在自然状态下由5个不同的实验人员以量角器测量叶片倾角,取平均值；然后用所述方法测量5次后取均值,测量单个样品需时150～180s，结果如下表1所示。在显著水平α＝0.05下,经t检验,可知两种测量结果没有显著性差异，且误差在2％之内，这样的精度足以满足玉米植株形态测量的需要。

表1：叶片倾角测量结果

方法	1	2	3	4	5
						人工测量	22.1	27.5	41.3	34.6	28.7
立体摄影测量	20.25	28.33	40.25	32.93	29.51

所述叶片方位角由包括以下步骤的方法获得：

将所述玉米植株的立体相对分割成分别与玉米植株的茎秆以及每条叶片对应的若干个模拟圆柱体；分别将每一条叶片对应的模拟圆柱体的中心轴投影到与垂直于株高方向Z的平面XY上，获得每一条叶片对应的投影直线，计算所述投影直线与平面XY上正北方向的夹角，即得第1、2…n-1、n条叶片的各自对应的方位角β₁、β₂……β_n-1、β_n。为了验证所述方法的准确性，在田间随机选取5株玉米,在自然状态下由5个不同的实验人员以量角器测量叶片方位角,取平均值。然后用所述方法测量5次后取均值,测量单个样品需时150～180s，结果如下表2所示。在显著水平α＝0.05下，由t检验，两种测量方法不存在显著性差异。即所述方法完全能够满足玉米叶片形态测量的需求。

表2：叶片方位角测量结果

方法	1	2	3	4	5
						人工测量	25.6	32.8	23.3	19.5	35.2
立体摄影测量	27.19	34.51	21.26	20.73	34.07

所述茎秆参数由包括以下步骤的方法获得：

从所述立体相对上任选至少两个参考点，量取每个参考点的影像坐标值u和v，并通过所述矩形标记尺读取每个参考点对应的真实坐标值x、y和z；将全部参考点的u、v、x、y以及z值代入回归方程求解回归方程中的常数项a₁、a₂、a₃、b₁、b₂、b₃、d₁、d₂、d₃、e₁、e₂、e₃以及f₁、f₂、f₃，获得以u、v、x、y以及z为变量的测量方程；

从所述立体相对中确定待测玉米植株的茎秆边缘，选取所述茎秆边缘上的任意位置为测量点M，量取所述测量点M的影像坐标值u_m和v_m，代入所述测量方程中，解出所述测量点的真实坐标值x_m、y_m和z_m，进一步解出所述测量点M对应的植株直径、高度和/或相对于植株整体的坐标。

为了验证所述方法的准确性，在田间随机选取5株玉米,在自然状态下由5个不同的实验人员以软尺测量株高,取平均值。然后用所述方法测量5次后取均值,测量单个样品需时150～180s,结果如下表3所示。在显著水平α＝0.05下，由t检验，两种测量方法不存在显著性差异。即所述方法完全能够满足玉米叶片形态测量的需求。

表3：玉米高度测量结果

方法	1	2	3	4	5
						人工测量	69.8	73.8	62.7	65	60.9
立体摄影测量	68.9	74.6	63.8	64.1	60.2

虽然，上文中已经用一般性说明、具体实施方式及试验，对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (8)

1.一种基于立体摄影测量获取玉米植株形态参数的方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)采用4位典型格雷码，以1cm为码元宽度、1cm为相邻码元的间距、2cm为参考码宽度，构成矩形标记尺；

(2)在玉米生长季节，将所述矩形标记尺竖直立于待测玉米植株近旁，利用双目相机进行摄影，获取以所述矩形标记尺为参考的玉米植株的立体相对；

(3)根据所述立体相对，参考从所述矩形标记尺上读取的数值，计算玉米植株的形态参数。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，利用双目相机进行摄影时对玉米植株进行正直摄影；摄影时将玉米植株与矩形标记尺共同摄入镜头中。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述玉米植株的形态参数包括玉米的叶片参数；

所述玉米的叶片参数包括叶片倾角和/或叶片方位角。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述叶片倾角由包括以下步骤的方法获得：

将所述玉米植株的立体相对分割成分别与玉米植株的茎秆以及每条叶片对应的若干个模拟圆柱体；分别计算每一条叶片对应的模拟圆柱体的中心轴与茎秆主干对应的模拟圆柱体的中心轴之间的夹角，即得第1、2…n-1、n条叶片的各自对应的倾角α₁、α₂……α_n-1、α_n。

5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述叶片方位角由包括以下步骤的方法获得：

将所述玉米植株的立体相对分割成分别与玉米植株的茎秆以及每条叶片对应的若干个模拟圆柱体；分别将每一条叶片对应的模拟圆柱体的中心轴投影到与垂直于株高方向Z的平面XY上，获得每一条叶片对应的投影直线，计算所述投影直线与平面XY上正北方向的夹角，即得第1、2…n-1、n条叶片的各自对应的方位角β₁、β₂……β_n-1、β_n。

6.根据权利要求4或5所述的方法，其特征在于，所述模拟圆柱体以所述玉米植株的立体相对为基础，依据点云密度和距离分割得到。

7.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述玉米植株的形态参数包括玉米的茎秆参数；

所述玉米的茎秆参数包括茎秆任意位置对应的直径、高度和/或相对于植株整体的坐标。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述茎秆参数由包括以下步骤的方法获得：

从所述立体相对上任选至少两个参考点，量取每个参考点的影像坐标值u和v，并通过所述矩形标记尺读取每个参考点对应的真实坐标值x、y和z；将全部参考点的u、v、x、y以及z值代入回归方程求解回归方程中的常数项a₁、a₂、a₃、b₁、b₂、b₃、d₁、d₂、d₃、e₁、e₂、e₃以及f₁、f₂、f₃，获得以u、v、x、y以及z为变量的测量方程；

从所述立体相对中确定待测玉米植株的茎秆边缘，选取所述茎秆边缘上的任意位置为测量点M，量取所述测量点M的影像坐标值u_m和v_m，代入所述测量方程中，解出所述测量点的真实坐标值x_m、y_m和z_m，进一步解出所述测量点M对应的植株直径、高度和/或相对于植株整体的坐标。