CN110823136A - 一种快速估算油菜角果表面积的新方法 - Google Patents

一种快速估算油菜角果表面积的新方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种快速估算油菜角果表面积的新方法，涉及测量方法、图像处理、数值计算等技术领域。包括图像获取、图像处理、表面积估算等步骤。本发明通过拍照的方式批量获取油菜角果图像，基于图像分割算法提取油菜角果单果图像，基于斜圆柱表面积计算方法计算油菜角果表面积，并利用三维扫描获取的油菜角果表面积对本发明估算的油菜角果表面积进行修正。比较分析表明本发明估算和修正后油菜角果表面积与三维扫描的油菜角果表面积有非常显著线性相关性。本发明估算油菜角果表面积通量高、精度高、成本低，可用于油菜角果性状的比较分析。

Description

一种快速估算油菜角果表面积的新方法
技术领域
本发明涉及一种快速估算油菜角果表面积的新方法，涉及测量方法、图像处理、数值计算等技术领域。
背景技术
油菜不同于其它作物，主要光合器官除叶片外还有角果、茎等。油菜终花后，随着角果的进一步生长，叶面积急剧下降，角果表面积不断增长，叶片的功能逐渐被角果取代，角果作为光合产物的“库”，同时发挥着主要“源”的作用。角果皮作为重要的光合器官，它有以下几个特点：①角果表面积大，处于植株的冠层，在果轴上呈螺旋形排列，容易接收阳光；②光合效率与叶片相当或超过叶片；③角果距离种子最近，光合产物供应籽粒极为方便。有研究指出，角果是油菜生育后期主要的光合器官，油菜籽粒中有70-80％的同化物是由角果提供的，油菜角果生长状况对籽粒产量和品质的形成产生重要影响。
研究油菜角果，角果表面积是一个非常重要的指标，它在某种程度上可反映光合作用效能的大小，一般认为角果表面积较大的植株在光合作用效能上占有优势。由于油菜角果外形呈不规则链珠状，不同部位的粗细不同,对角果表面积的测量有一定难度。目前研究油菜角果表面积的方法主要有克拉克公式法、圆柱体表面法、长宽乘积回归法、纸样称重法、鲜重相关法等，由于受当时条件的限制，大多数方法都是通过建模间接得到的结果，与实际大小有一定的偏差，且对于一株油菜少则300-500个角果，多则上1000个角果，能开展大规模精确测量的很少。
本发明公开了一种快速估算油菜角果表面积的新方法。本发明通过拍照的方式批量获取油菜角果图像，基于图像分割算法提取油菜角果单果图像，基于斜圆柱体积计算方法计算油菜角果表面积，并利用三维扫描获取的油菜角果表面积对本发明估算的油菜角果体积进行修正。比较分析表明本发明估算和修正后油菜角果体积与三维扫描的油菜角果体积有非常显著线性相关性。本发明估算油菜角果估算和通量高、精度高、成本低，可用于油菜角果性状的比较分析。
发明内容
本发明目的在于提供一种快速估算油菜角果表面积的新方法，提高测量效率，降低测量成本，同时获得精确度较高的油菜角果表面积，本发明采用的技术方案流程如图1所示。
为解决上述技术问题，本发明采用图2所示的图像采集装置拍摄批量角果照片，利用图3所示的坐标转化点图，图中点与点之间的实际距离为10cm。
为解决上述技术问题，本发明采用图1所示技术方案，其特征在于该方法包括步骤：
S0.准备像素变换方程：使用图像采集装置(如图2)拍摄坐标转化点图(如图3)，计算像素坐标和实际坐标的转化方程，像素点的位置(i,j)与实际坐标(x,y)转化方程使用二元二次函数：x＝a1*i2+b1*i*j+c1*j2+d1*i+e1*j+f1，y＝a2*i2+b2*i*j+c2*j2+d2*i+e2*j+f2，参数通过最小二乘拟合得到，目标为变换后坐标转化图上相邻点之间的距离与实际最接近；
S1图像获取，将油菜角果批量放置在黑色拍照背景布上，使用高清摄像头拍摄照片；
S2图像处理，对油菜角果照片进行二值化图像处理，图像去噪处理，分离背景和角果，进行图像分割，并从批量角果里提取每个角果像素点集合的位置和边界像素点集合的位置；利用S0所述的像素点的位置与实际坐标转化方程，变化角果像素点集合的位置和边界像素点集合的位置为角果像素点集合的实际坐标和边界像素点集合的实际坐标。
S3表面积估算，分别估算每个角果的表面积；单个角果的表面积的估算步骤如下：
S3-1使用直线方程拟合角果像素点集合的实际坐标；
S3-2角果坐标旋转，根据S3-1拟合的直线倾斜角，旋转角果像素点集合实际坐标和边界像素点集合实际坐标，使得角果像素点集合新坐标的拟合直线与水平直线平行，得到角果像素点集合新坐标和边界像素点集合新坐标；
S3-3拟合角果边界曲线(elu(x),eld(x))，使用高次函数拟合S3-2旋转得到的角果边界像素点集合坐标得到两条近似的角果边界曲线(elu(x),eld(x)，x∈[a,b]),其中a,b为x的取值范围；
S3-4计算角果中心曲线(cl(x))，根据S3-3拟合的两条角果边界曲线，计算角果中心曲线；
S3-5计算角果横截面半径曲线(rl(x))，根据S3-3拟合的两条角果边界曲线，计算角果半径曲线；
S3-6估算角果表面积(s)，根据S3-4的角果中心曲线和S3-5计算的角果横截面半径曲线，估算角果表面积；
S3-7角果表面积的修正，参照3D扫描测量的角果表面积构建回归修正模型。
2.根据权利要求1所述的一种快速估算油菜角果表面积的新方法,其特征还在于权利要求1步骤S3-3所述角果边界线方程为
Figure RE-GDA0002327545680000021
其中αi，βi为拟合参数，参数拟合采用最小二乘法，其中n为角果中油菜籽的粒数，为简化，n取批量油菜籽角果的最大粒数；其特征还在于权利要求1步骤S3-4所述的角果中心曲线计算方法为cl(x)＝(elu(x)+eld(x))/2，权利要求1步骤S3-5所述的角果横截面半径曲线计算方法为rl(x)＝|elu(x)-eld(x)|/2。
3.根据权利要求1所述的一种快速估算油菜角果表面积的新方法,其特征还在于权利要求1步骤S3-6估算角果表面积使用的计算算法为
Figure RE-GDA0002327545680000031
其中，rl(x)为权利要求1步骤S3-5所述的角果横截面半径曲线，cl(x)为权利要求1步骤S3-4所的述角果中心曲线，a，b为权利要求1步骤S3-3所述的x的取值范围。
4.根据权利要求1所述的一种快速估算油菜角果表面积的新方法,其特征还在于权利要求7步骤S3-7角果表面积的修正采用无截距的线性回归模型，S修＝r×S，其中，S为权利要求1步骤S3-6估算的角果表面积，r＝0.8173。
附图说明
图1本发明采用的技术方案流程图；
图2本发明使用的图像采集装置；
图3本发明用于坐标转化的点图；
图4本发明步骤S1拍摄的角果批量照片；
图5本发明步骤S2处理后的角果批量二值图像；
图6本发明步骤S3-3、S3-4、S3-5处理后的角果描述说明图；
图7本发明步骤S3-6角果面积计算示意图；
图8本发明步骤S3-7计算角果面积修正；
具体实施方式
本发明目的在于提供一种快速估算油菜角果表面积的新方法，提高测量效率，降低测量成本，同时获得精确度较高的油菜角果表面积。
为解决上述技术问题，本发明采用图2所示的图像采集装置拍摄批量角果照片，利用图3所示的坐标转化图，图中点与点之间的实际距离为10cm。
为解决上述技术问题，本发明采用图1所示技术方案，其特征在于该方法包括步骤：
S0.准备像素变换方程：使用图像采集装置(如图2)拍摄坐标转化图(如图3)，计算像素坐标和实际坐标的转化方程，像素点的位置(i,j)与实际坐标(x,y)转化方程使用二元二次函数：x＝-7.3314e-006*i^2+6.7344e-007i*j-2.2592e-007j^2+0.090528*i-0.0089604*j,y＝- 1.4521e-006*i^2+-7.2268e-006*i*j+7.7158e-008*j^2+.014176*i+0.09199*j+0；
S1图像获取，将油菜角果批量放置在黑色拍照背景布上，使用高清摄像头拍摄照片(如图 4)；
S2图像处理，对油菜角果照片进行二值化图像处理，图像去噪处理，分离背景和角果(如图5)，进行图像分割，并从批量角果里提取每个角果像素点集合的位置和边界像素点集合的位置；利用S0所述的像素点的位置与实际坐标转化方程，变化角果像素点集合的位置和边界像素点集合的位置为角果像素点集合的实际坐标和边界像素点集合的实际坐标。
S3表面积估算，分别估算每个角果的表面积；单个角果的表面积的估算步骤如下：
S3-1使用直线方程拟合角果像素点集合的实际坐标；
S3-2角果坐标旋转，根据S3-1拟合的直线倾斜角，旋转角果像素点集合坐标和边界像素点集合坐标，使得角果像素点集合新坐标的拟合直线与水平直线平行，得到角果像素点集合新坐标和边界像素点集合新坐标；
S3-3拟合角果边界曲线，使用高次函数拟合S3-2旋转得到的角果边界像素点集合坐标得到两条近似的角果边界曲线(elu(x),eld(x)，x∈[a,b]),其中a,b为x的取值范围(如图6)；角果边界线方程为
Figure RE-GDA0002327545680000041
其中αi，βi为拟合参数，参数拟合采用最小二乘法，其中n为角果中油菜籽的粒数，为简化，n取批量油菜籽角果的最大粒数；
S3-4计算角果中心曲线，根据S3-3拟合的两条角果边界曲线，计算角果中心曲线(如图6)；角果中心曲线计算方法为cl(x)＝(elu(x)+eld(x))/2。
S3-5计算角果横截面半径曲线，根据S3-3拟合的两条角果边界曲线，计算角果半径曲线(如图6)；角果横截面半径曲线计算方法为rl(x)＝|elu(x)-eld(x)|/2。
S3-6估算角果表面积，根据S3-4的角果中心曲线和S3-5计算的角果横截面半径曲线，估算角果表面积，角果面积计算示意图(如图7)；角果表面积使用的计算算法为其中，rl(x)为权利要求1步骤S3-5所述的角果横截面半径曲线， cl(x)为权利要求1步骤S3-4所的述角果中心曲线，a，b为权利要求1步骤S3-3所述的x 的取值范围。
S3-7角果表面积的修正，参照3D扫描测量的角果表面积构建回归修正模型。角果表面积的修正采用无截距的线性回归模型，S修＝r×S，其中，S为权利要求1步骤S3-6估算的角果表面积。
2.根据权利要求1所述的一种快速估算油菜角果表面积的新方法,其特征还在于权利要求1步骤S3-3所述角果边界线方程为
Figure RE-GDA0002327545680000051
其中αi，βi为拟合参数，参数拟合采用最小二乘法，其中n为角果中油菜籽的粒数，为简化，n取批量油菜籽角果的最大粒数；其特征还在于权利要求1步骤S3-4所述的角果中心曲线计算方法为cl(x)＝(elu(x)+eld(x))/2，权利要求1步骤S3-5所述的角果横截面半径曲线计算方法为rl(x)＝|elu(x)-eld(x)|/2。
3.根据权利要求1所述的一种快速估算油菜角果表面积的新方法,其特征还在于权利要求1步骤S3-6估算角果表面积使用的计算算法为
Figure RE-GDA0002327545680000052
其中，rl(x)为权利要求1步骤S3-5所述的角果横截面半径曲线，cl(x)为权利要求1步骤S3-4所的述角果中心曲线，a，b为权利要求1步骤S3-3所述的x的取值范围。
4.根据权利要求1所述的一种快速估算油菜角果表面积的新方法,其特征还在于权利要求7步骤S3-7角果表面积的修正采用无截距的线性回归模型，S修＝r×S，其中，S为权利要求1步骤S3-6估算的角果表面积，r＝0.8173。
基于本发明快速估算油菜角果表面积的新方法估算角果的表面积和3D扫描法测量值的表面积，构建回归模型如附图8所示，修正本发明快速估算油菜角果表面积的精确度和准确度，并进行验证。对两组数据进行修正和检验，结果表明本发明快速估算油菜角果表面积的新方法估算角果的表面积和3D扫描法测量值的表面积的无截距回归模型分别为：S修＝ 0.8112S，S修＝0.8235S，方程确定性系数分别为：R2＝0.9242，R2＝0.8718。一次项系数接近，方程确定性系数均大于0.87，在实际测量中采用公式S修＝0.8235S修正测量角果表面积。本发明通过照片拍摄，图像处理，进而估测和修正角果表面积，通量高、精度高、成本低，因此本发明估算油菜角果表面积可用于油菜角果性状的比较分析。

Claims (4)

1.一种快速估算油菜角果表面积的新方法，其特征在于该方法包括步骤：
S1.图像获取，将油菜角果批量放置在黑色拍照背景布上，使用高清摄像头拍摄照片；
S2.图像处理，对油菜角果照片进行二值化图像处理，图像去噪处理，分离背景和角果，进行图像分割，并从批量角果里提取每个角果像素点集合坐标和边界像素点集合坐标；
S3.表面积估算，分别估算每个角果的表面积；单个角果的表面积的估算步骤如下：
S3-1使用直线方程拟合角果像素点集合坐标；
S3-2角果坐标旋转，根据S3-1拟合的直线倾斜角，旋转角果像素点集合坐标和边界像素点集合坐标，使得角果像素点集合新坐标的拟合直线与水平直线平行，得到角果像素点集合新坐标和边界像素点集合新坐标；
S3-3拟合角果边界曲线(elu(x),eld(x))，使用高次函数拟合S3-2旋转得到的角果边界像素点集合坐标得到两条近似的角果边界曲线(elu(x),eld(x)，x∈[a,b]),其中a,b为x的取值范围；
S3-4计算角果中心曲线(cl(x))，根据S3-3拟合的两条角果边界曲线，计算角果中心曲线；
S3-5计算角果横截面半径曲线(rl(x))，根据S3-3拟合的两条角果边界曲线，计算角果半径曲线；
S3-6估算角果表面积(s)，根据S3-4的角果中心曲线和S3-5计算的角果横截面半径曲线，估算角果表面积；
S3-7角果表面积的修正，参照3D扫描测量的角果表面积构建回归修正模型。
2.根据权利要求1所述的一种快速估算油菜角果表面积的新方法,其特征还在于权利要求1步骤S3-3所述角果边界线方程为
Figure RE-FDA0002327545670000011
其中αi，βi为拟合参数，参数拟合采用最小二乘法，其中n为角果中油菜籽的粒数，为简化，n取批量油菜籽角果的最大粒数；其特征还在于权利要求1步骤S3-4所述的角果中心曲线计算方法为cl(x)＝(elu(x)+eld(x))/2，权利要求1步骤S3-5所述的角果横截面半径曲线计算方法为rl(x)＝|elu(x)-eld(x)|。
3.根据权利要求1所述的一种快速估算油菜角果表面积的新方法,其特征还在于权利要求1步骤S3-6估算角果表面积使用的计算算法为
Figure RE-FDA0002327545670000012
其中，rl(x)为权利要求1步骤S3-5所述的角果横截面半径曲线，cl(x)为权利要求1步骤S3-4所的述角果中心曲线，a，b为权利要求1步骤S3-3所述的x的取值范围。
4.根据权利要求1所述的一种快速估算油菜角果表面积的新方法,其特征还在于权利要求7 步骤S3-7角果表面积的修正采用无截距的线性回归模型，S修＝r×S，其中，S为权利要求1步骤S3-6估算的角果表面积，r＝0.8173。
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