CN106468536B - 一种叶面积测量方法 - Google Patents

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    • G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G01B11/28—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring areas

Abstract

本发明公开了一种叶面积测量方法，包括叶片图像获取：设置参照挡板，通过激光笔定位让摄像头镜头与参照挡板平行，保证叶面不变形；叶面积解析：截取有效图像，根据绿色叶面的三基色组成原理将图像二值化并去噪，得到有效叶面积的像素点；叶面积计算：根据步骤(2)得到的像素点，计算叶面积。本发明操作快捷实用，设备成本低，测量精度高。

Description

一种叶面积测量方法
技术领域
本发明属于作物生长信息测量领域,特别是涉及到一种叶面积的测量方法.
背景技术
作物叶面积对于很多涉及到作物的科研项目都是一项重要的作物生长参数，该参数的准确与否对于这些科研项目具有积极的意义。现有技术中测量叶面积精确度较高的方法有称重法、网格法等，但是称重法需要从作物上采集大量的叶片，进行破坏性测量，而且测量步骤非常繁琐，网格法同样属于破坏性测量，影响作物的正常生长，而且速度慢，所需时间长。针对这些情况，现有技术中还出现了使用激光测距、定位、然后采用图像处理来测量叶面积的方法，但是首先激光定位和测距设备较昂贵，不宜普遍适用，其次采用的图像处理方法并非完全符合叶片识别的原理，会造成叶面积计算的误差。
发明内容
有鉴于此，本发明提出一种叶面积测量方法，操作快捷实用，设备成本低，测量精度高。
为达到上述目的，本发明创造的技术方案是这样实现的：一种叶面积测量方法，包括：
(1)叶片图像获取：设置参照挡板，通过激光笔定位让摄像头镜头与参照挡板平行，保证叶面不变形；
(2)叶面积解析：截取有效图像，根据绿色叶面的三基色组成原理将图像二值化并去噪，得到有效叶面积的像素点；
(3)叶面积计算：根据步骤(2)得到的像素点，计算叶面积。
进一步的，步骤(1)的具体步骤为：
(101)采用一个在其上面平铺固定坐标纸的硬挡板一块，作为参照挡板；
(102)采用一个固定有若干只激光笔的固定架，在参照挡板上设置若干参考框，所述参考框与激光笔的射线落点位置一一对应；
(103)将固定架固定在摄像装置上，使激光笔射线均与镜头垂直；
(104)将叶片置于参照挡板坐标纸范围内并压平；
(105)根据所需要的叶面积精度对摄像装置的分辨率进行设置；
(106)图像采集时开启激光笔，所有激光笔在参照挡板上的射点均一一对应在参考框内，保证参照挡板与镜头平行，进行拍照。
更进一步的，所述激光笔为三支，所述参考框为圆框。
进一步的，步骤(2)所述截取有效图像的方法为应用图像处理工具对图像进行截图处理，截取包含叶片的以坐标纸为背景的图像有效部分。
进一步的，步骤(2)所述二值化的具体步骤为：
(201)遍历所截取的有效图像每一个像素点(R,G,B)，获得当前像素值；
(202)判断每一个像素点色彩R、G、B三基色DN值的范围是否符合植被规律，如果符合RGB基色为黑色(0,0,0)，否则为白色(255,255,255)。
更进一步的，所述植被规律判断公式如下：
进一步的，步骤(2)所述去噪的具体步骤为：
(211)设计3*3矩阵，遍历二值化图像中的每一像素点(R,G,B)；
(212)如果某个像素点(R,G，B)为(0，0，0)，则查看其周边8个点是否有6个像素点(R,G，B)为(255,255,255)；
(213)如果是则该像素点视为噪点去除，即设置该像素点(R,G，B)为(255，255，255))；
(214)如果否则视该像素点为有效叶面积的像素点。
进一步的，步骤(3)所述叶面积计算的具体步骤为：
(301)遍历所截取的有效图像的像素点，得到图像总的像素点数Ny；
(302)根据坐标纸坐标计算有效图像的面积Sy；
(303)根据步骤(2)得到的有效叶面积的像素点数Nx，计算叶面积S；
对于现有技术，本发明所述的一种叶面积测量方法具有以下优势：
(1)通过激光笔在参照挡板上的射点均在参照圆框内来保证挡板与镜头平行这种方法，将减少因人为观测不当，导致叶面积变形而带来的误差，同时设备成本低，操作方便，普遍适用；
(2)通过绿色叶面的三基色组成原理将图像二值化并去噪，得到有效叶面积的像素点；这种方法符合科学客观规律，测量精度高。
附图说明
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是本发明实施例的示意图。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
一：叶片解析方法原理：
1.变形矫正原理
首先通过参照激光笔固定架中激光笔的位置用笔在参照挡板设置三个5mm*5mm的参考圆框。进行叶面积采集之前，将激光笔固定架固定于数码相机，使激光笔射线均与镜头垂直。当进行叶面积采集时，如图1所示，开启激光笔，只要三支激光笔在参照挡板上的射点均在参照圆框内，说明挡板与镜头平行。通过这种方法，将减少因人为观测不当，导致叶面积变形而带来的误差。
2.叶片识别原理
根据数码图像色彩构成原理,数码照片颜色由红(R)、绿(G)、蓝(B)三基色组成,三基色的范围都在0～255之间。不同的地物,通过数码相机拍照生成的图片色彩也不同，其颜色不同的原因正是因为构成各种地物的R、G、B三基色不同。
二值化原理：绿色叶面的三基色组成分别符合G>R>B、G>B>R和B>R>G 3种规律,而非绿色叶面的三基色构成遵循R>G>B的规律。因此根据数码照片三基色值分布规律,可将图像进行二值化处理。
噪点去除原理：数字图像可以看作是像素的集合，像素间存在相互邻接或相互连通的关系。对于二值化数字图像，连接两点的路径上,像素的值不变,则称这两点是连通的。而二值化的叶片图像就是一个大的联通集合，在此通过分析某个像素周围多个点的像素值来分析该点是否包含于叶片范围内。根据不同作物及照片分辨率的大小可设置不同的矩阵。本试验设置3*3矩阵，即分析某个像素周边8个点的像素值，如果大于6个点位连通，则计为噪点，否则视为有效叶面积。
二、测定注意事项：
通过数码相机采集叶面照片后，应用叶面积解析原理，通过编程的方法实现叶面积识别。测定注意事项主要包括：
参照挡板的设置，叶面积的采集和叶面积解析计算。
(1)参照挡板的设置，需要上面平铺固定100mm*100mm坐标纸的塑料硬挡板一块，包含三个参照5mm*5mm方框。
(2)叶面积的采集，需注意2点
1.叶片需置于100mm*100mm参照挡板范围内并压平；
2.需保证激光笔射线置于参照挡板的参照圆框内，以保证叶面积不变形或少变形，减少测量误差。当三个点位均在圆圈内说明镜头与参考挡板平行,具体见后面“1、变型矫正原理”(注：激光笔的作用只是为了让摄像头镜头与参考挡板平行，保证叶面不变形，与现有专利不同)
(3)叶面积解析,将叶面积照片以坐标纸为边界截取为100mm*100mm有效照片，根据叶面积解析原理首先进行叶面积图像二值化，然后进行噪点去除。
照片的分辨率应根据自己对叶面积精度进行设置，如果需要精度为0.5mm，则100mm*100mm的照片分辨率应设置为200*200像素(100mm/0.5mm＝200)。
三、测定步骤：
(1)图像获取：将叶片置于包含有100mm*100mm标尺的参照挡板范围内并压平，开启激光笔，使激光笔三个射点均处于参照圆框范围内的前提下进行拍照。
(2)图像处理：(如基于安卓版本，则在手机直接进行图像处理，如基础windows PC版本，则将获取照片导入电脑进行处理)
应用图像处理工具对图像进行截图处理，截取包含叶片的以坐标纸为背景的10cm*10cm图像有效部分并将其设置为200*200像素图片。
(3)二值化处理：从左到右从上到下扫描照片每一个像素点(R,G,B)，获得当前像素值，然后根据色彩R、G、B三基色DN值的范围是否符合植被规律，如果符合RGB基色为黑色(0,0,0)，否则为白色(255,255,255)
(4)噪点去除：设计3*3矩阵，遍历二值化图像中的每一像素点(R,G,B)，如果某个像素X的(R,G，B)＝(0，0，0)，则查看其周边8个点是否有6个像素点(R,G，B)为(255,255,255)，如果是则像素点X视为噪点去除(即设置X的(R,G，B)＝(255，255，255))，否则视为有效叶面积。
(5)叶面积计算：从左到右从上到下扫描照片的像素点，设图像总的像素个数(Sy)，噪点去除后的有效叶面积像素点个数(Sx)，从而得出该叶面叶面积(S)。
四、案例与验证：
为测试本研究叶面积测定效果，与常规坐标纸叶面积测定法(农业用常规标准方法)对同一叶片面积进行测定，通过配对检验来分析2种叶面积测定方法的稳定性与可用性。
坐标纸叶面积测定法：坐标纸法为传统标准方法，是将测定叶片平铺于坐标纸上，然后以铅笔在坐标纸上画出叶的边缘，然后通过数格点的个数来确定叶片面积。
试验材料：试验材料为黄瓜，供试品种为‘津优38号’，是天津市黄瓜主栽品种之一，叶面积测定时间为黄瓜花果期叶片，共选取30片。
本发明叶面积测定方法与常规叶面积测量方法比较结果：
1、本发明方法与标准的坐标纸法对30片叶片的测定均值分别为36.18cm2、36.23cm2(见表1)，两者测定结果的相关系数较高，达到0.972，线性相关系数可通过显著性检验
表1 2种方法测定同一样本的基本统计
2、本研究方法与坐标纸法测定结果进行配对检验，结果表明：本研究方法与坐标纸法测定结果无显著差异，P(p>|t|)＝0.872>0.05(见表2)，因此本研究方法可作为叶片测定一种新方法。
表2本研究方法与坐标纸法测定结果进行配对检验
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种叶面积测量方法，其特征在于，包括：
(1)叶片图像获取：设置参照挡板，通过激光笔定位让摄像头镜头与参照挡板平行，保证叶面不变形；
(2)叶面积解析：截取有效图像，根据绿色叶面的三基色组成原理将图像二值化并去噪，得到有效叶面积的像素点；
(3)叶面积计算：根据步骤(2)得到的像素点，计算叶面积；
步骤(1)的具体步骤为：
(101)采用一个在其上面平铺固定坐标纸的硬挡板一块，作为参照挡板；
(102)采用一个固定有若干只激光笔的固定架，在参照挡板上设置若干参考框，所述参考框与激光笔的射线落点位置一一对应；
(103)将固定架固定在摄像装置上，使激光笔射线均与镜头垂直；
(104)将叶片置于参照挡板坐标纸范围内并压平；
(105)根据所需要的叶面积精度对摄像装置的分辨率进行设置；
(106)图像采集时开启激光笔，所有激光笔在参照挡板上的射点均一一对应在参考框内，保证参照挡板与镜头平行，进行拍照；
步骤(2)所述二值化的具体步骤为：
(201)遍历所截取的有效图像每一个像素点(R,G,B)，获得当前像素值；
(202)判断每一个像素点色彩R、G、B三基色DN值的范围是否符合植被规律，如果符合RGB基色为黑色(0,0,0)，否则为白色(255,255,255)；
所述植被规律判断公式如下：
步骤(2)所述去噪的具体步骤为：
(211)设计3*3矩阵，遍历二值化图像中的每一像素点(R,G,B)；
(212)如果某个像素点(R,G，B)为(0，0，0)，则查看其周边8个点是否有6个像素点(R,G，B)为(255,255,255)；
(213)如果是则该像素点视为噪点去除，即设置该像素点(R,G，B)为(255，255，255)；
(214)如果否则视该像素点为有效叶面积的像素点；
步骤(3)所述叶面积计算的具体步骤为：
(301)遍历所截取的有效图像的像素点，得到图像总的像素点数Ny；
(302)根据坐标纸坐标计算有效图像的面积Sy；
(303)根据步骤(2)得到的有效叶面积的像素点数Nx，计算叶面积S；
2.根据权利要求1所述的一种叶面积测量方法，其特征在于，所述激光笔为三支，所述参考框为圆框。
3.根据权利要求1所述的一种叶面积测量方法，其特征在于，步骤(2)所述截取有效图像的方法为应用图像处理工具对图像进行截图处理，截取包含叶片的以坐标纸为背景的图像有效部分。
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