CN112595714B - 一种基于手机图像解析的烟草营养状态判别方法 - Google Patents

一种基于手机图像解析的烟草营养状态判别方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于手机图像解析的烟草营养状态判别方法，包括以下步骤：用手机拍摄烟草植株，拍摄角度包括垂直拍摄、水平拍摄，成图效果；拍摄图像时，在植株附近放置标准尺寸魔方，魔方的正上方粘贴水平气泡，放置魔方时保持魔方水平气泡保持水平；对拍摄的图像进行解析：拍摄时采用的魔方为国际标准的三阶魔方；制定烟草营养判别标准；烟草营养判别。采用本发明的方法，农民仅使用智能手机和小程序便能适时的了解烟草的营养状态。

Description

一种基于手机图像解析的烟草营养状态判别方法
技术领域
本发明属于烟草技术领域，具体地说，涉及一种基于手机图像解析的烟草营养状态判别方法。
背景技术
烟草收获成熟叶片，并要求叶片达到工艺成熟。养分投入多时，不能烘烤出工艺成熟叶片；养分投入少时，烟叶产量过低，农户收益低；烟草生长过程中营养判断非常重要。传统烟草营养状态的判别方法主要依赖植株测试，包括破坏性取样测试和非破坏性原位测试。破坏性取样测试可以测定植株吸收的各种营养元素，如DRIS方法；可以测试叶柄或特定部位的某些成分，如反射仪法测定叶柄硝酸盐含量表征叶片的氮营养。破坏性取样测试的成本相对较高，需要特定的仪器设备，且测试的植株被部分或全部取走从而不能继续观测植株的后续生长发育。非破坏性原位测试方法可以保证植株后续生长，如叶绿素仪法，测定叶片的叶绿素以判断植株的氮素营养状态，但该方法需要特定的仪器，仪器购置成本高，限制了该方法的广泛应用。本专利使用的设备为智能手机，烟草管理与生产的相关人员拥有智能手机，在成本不额外增加的情况下，实现烟草营养状态的判别。
烟草营养状态与株型密切相关，株高和冠层直径是表征烟草株型的核心指标。在特定的生育期，不同营养状态的烟草，其株高和冠层直径有相对稳定的对应关系，即测定株高和冠层直径可以表征烟草的营养状态。设置不同养分投入的田间试验可以构建不同烟草营养状态的株高和冠层直径的对应关系指标。田间测量株高和冠层直径费工费时，难以满足大面积生产的需求。本专利采用标准尺寸的魔方，并在魔方上方粘贴水平气泡，拍摄图像时，在场景中放置水平的魔方。软件处理图像时，利用场景中的魔方，把拍摄的图像调整到烟株直立且地面水平的状态，依据魔方的小方块边长15mm的十五分之一度量植株高度和冠层直径，实现株高和冠层直径的自动测量。用户拍摄烟株图像，软件自动测量株高和冠层直径，并自动匹配该株高和冠层直径对应的烟草营养水平，从而实现烟草营养状态的判别。
随着现代技术的发展，关于使用智能手机作为植株氮素营养诊断的研究越来越受到关注，但是至今可进行实践应用的还较少，尤其是针对能够较好反映烟草氮素水平的株高和冠层直径指标的研究更是少之又少。
因此，有必要提供一种基于手机图像解析的烟草营养状态判别方法。
发明内容
有鉴于此，本发明针对传统烟草营养判别中破坏性取样测试成本高或非破坏性原位测试的设备成本高的问题，提供了一种基于手机图像解析的烟草营养状态判别方法，农民仅使用智能手机和小程序便能适时的了解烟草的营养状态。
为了解决上述技术问题，本发明公开了一种基于手机图像解析的烟草营养状态判别方法，包括以下步骤：
步骤1、用手机拍摄烟草植株，拍摄角度包括垂直拍摄、水平拍摄，成图效果；拍摄图像时，在植株附近放置标准尺寸魔方，魔方的正上方粘贴水平气泡，放置魔方时保持魔方水平气泡保持水平；
步骤2、对拍摄的图像进行解析：拍摄时采用的魔方为国际标准的三阶魔方，外观尺寸为57mm*57mm*57mm，带颜色的小方块边长为15mm；
步骤3、制定烟草营养判别标准；
步骤4、烟草营养判别：普通农户在微信中关注烟草营养判别微信小程序，根据步骤3中所述的烟草营养判别标准，针对自家种植的烟草，依据微信小程序株高拍照和冠层拍照模式进行田间生长拍照，并填写烟草移栽时间，图像和移栽时间数据上传到烟草营养判别服务器，解析烟草株高和冠层直径，比对该生长日期烟草株高和冠层直径的营养水平标准；烟草营养判别服务器把依据解析数据判别的烟草营养水平结果推送给农户；农户依据烟草营养水平判别结果进行施肥决策，实现因苗施肥。
可选地，图片文件命名原则为：Uid-yyyy-mm-dd-Z-N，其中，Uid指拍摄照片的用户编码；yyyy为年份，mm为月份，dd为日期，Z为照片姿态类型，数字1为垂直拍照，2为水平拍照，3为其它角度拍照，N为顺序。
可选地，步骤2中的对拍摄的图像进行解析，具体为：采用计算机程序解析图像，主要过程包括：①采用机器学习方法识别图像中的魔方及水平气泡位置；②根据魔方水平气泡确定上表面及水平线；③根据魔方上表面水平线旋转图像至真实水平状态；④根据烟叶绿色RGB值选择图像，并去掉图像背景保留绿色部分；⑤根据魔方颜色小方块尺寸采用等比方法计算植株高；⑥植株冠层直径依据上述5个步骤进行解析。
可选地，步骤3中的烟草营养判别标准具体为：
步骤3.1、选择中等地力农田，设置5个处理，分别为：正常用肥*50％、正常用肥*75％、正常用肥、正常用肥*125％、正常用肥*150％，其中，50％、75％、125％、150％为正常用肥的倍率，分别对应烟草营养的1～5个水平；试验设置3个重复，其它农艺措施以当地管理措施执行；
步骤3.2、定期进行手机图像拍摄，采集频率为1次/周，起始时间为移栽后的下一天，结束时间为采烤结束下一天；
步骤3.3、针对每个烟草生长阶段，解析1～5水平烟草营养水平的植株图像的株高和冠层直径，构建该生长阶段的烟草营养水平对应的株高和冠层直径标准；烟草移栽第七天时，表征烟草营养水平分为弱、较弱、正常、较旺、旺5个标准的株高分别为<105.8mm、105.8-118.2mm、118.2-127.2mm、127.2-139.3mm、>＝139.3mm；冠层直径标准分别为<282.5mm、282.5-303.6mm、303.6-318.0mm、318.0-339.8mm、>＝339.8mm；
步骤3.4、同一烟草营养水平，把不同生长阶段的株高和冠层直径数据，以天为单位进行插值，获得烟草移栽后该烟草营养水平每天的株高和冠层直径标准；采用相同方法获得不同营养水平以天为单位的烟草株高和冠层直径标准；
冠层直径标准依据公式：f＝a/(1+exp(-(x-x0)/b)) (1)，
其中x为移栽后的天数，a、b、x0为公式参数；
烟草移栽后某天的营养水平为弱、较弱、正常、较旺、旺5个冠层直径标准值分别为：<f1、f1～f2、f2～f3、f3～f4、>＝f4；
冠层株高标准计算和判别方法与冠层直径相同，a、b、x0为公式参数。
可选地，所述步骤3.4中的冠层直径判别标准的公式参数为：
Figure BDA0002802563810000041
可选地，所述步骤3.4中的冠层株高标准判别标准的公式参数为：
Figure BDA0002802563810000042
与现有技术相比，本发明可以获得包括以下技术效果：
1)本发明的成本低。没有测试成本及特定指标测试的设备成本。
2)本发明操作简单。株高和冠层直径的测量、营养状态判别由软件实现。
3)本发明便捷，可广泛应用。判别工具为智能手机软件。
当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有技术效果。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，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是本发明手机不同拍照角度成图效果；其中，a为垂直角度拍摄，b为水平角度拍摄；
图2是本发明拍照背景中添加标准魔方作为参考；其中，a为魔方的正上方粘贴水平气泡图；b为拍照背景中添加标准魔方作为参考拍摄图；
图3是本发明图像植株提取方法；
图4是本发明不同生长阶段的图像判别标准；
图5是本发明烟草营养判别标准，其中，a为根据株高判别烟草营养状态，其中，横线高度表示不同烟草营养状态的株高标准；b为根据冠层直径判别烟草营养状态，其中，圆的直径表示不同烟草营养状态的冠层直径标准。
具体实施方式
以下将配合实施例来详细说明本发明的实施方式，藉此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题并达成技术功效的实现过程能充分理解并据以实施。
本发明公开了一种基于手机图像解析的烟草营养状态判别方法，包括以下步骤：
步骤1、用手机拍摄烟草植株，拍摄角度包括垂直拍摄、水平拍摄，成图效果如图1；拍摄图像时，在植株附近放置标准尺寸魔方，魔方的正上方粘贴水平气泡，放置魔方时保持魔方水平气泡保持水平，如图2。
图片文件命名原则为：Uid-yyyy-mm-dd-Z-N，其中，Uid指拍摄照片的用户编码；yyyy为年份(如：2020)，mm为月份(如：06)，dd为日期(如：03)，Z为照片姿态类型(数字1为垂直拍照，2为水平拍照，3为其它角度拍照)，N为顺序(数字1、2、3等)。
步骤2、对拍摄的图像进行解析：拍摄时采用的魔方为国际标准的三阶魔方，外观尺寸为57mm*57mm*57mm，带颜色的小方块边长为15mm；
采用计算机程序解析图像，主要过程包括：①采用机器学习方法识别图像中的魔方及水平气泡位置；②根据魔方水平气泡确定上表面及水平线；③根据魔方上表面水平线旋转图像至真实水平状态；④根据烟叶绿色RGB值选择图像，并去掉图像背景保留绿色部分；⑤根据魔方颜色小方块尺寸采用等比方法计算植株高；⑥植株冠层直径依据上述5个步骤进行解析；
步骤3、烟草营养判别标准：选择中等地力农田，设置5个处理，分别为：正常用肥*50％、正常用肥*75％、正常用肥、正常用肥*125％、正常用肥*150％(其中，50％、75％、125％、150％为正常用肥的倍率)，分别对应烟草营养的1～5个水平。试验设置3个重复，其它农艺措施以当地最优管理措施执行。
定期进行手机图像拍摄，采集频率为1次/周，起始时间为移栽后的下一天，结束时间为采烤结束下一天。
针对每个烟草生长阶段，解析不同烟草营养水平(1～5水平)的植株图像的株高和冠层直径，构建该生长阶段的烟草营养水平对应的株高和冠层直径标准；烟草移栽第七天时，如烟草移栽时间为4月25日，5月31日时，表征烟草营养水平分为弱、较弱、正常、较旺、旺5个标准的株高分别为<105.8mm、105.8-118.2mm、118.2-127.2mm、127.2-139.3mm、>＝139.3mm；冠层直径标准分别为<282.5mm、282.5-303.6mm、303.6-318.0mm、318.0-339.8mm、>＝339.8mm。
同一烟草营养水平，把不同生长阶段的株高(冠层直径)数据，以天为单位进行插值，获得烟草移栽后该烟草营养水平每天的株高(冠层直径)标准。采用相同方法获得不同营养水平以天为单位的烟草株高(冠层直径)标准。
冠层直径标准依据公式：f＝a/(1+exp(-(x-x0)/b))，其中x为移栽后的天数，a、b、x0为公式参数(表1)。
表1冠层直径判别标准的公式参数
Figure BDA0002802563810000061
烟草移栽后某天的营养水平为弱、较弱、正常、较旺、旺5个冠层直径标准值分别为：<f1、f1～f2、f2～f3、f3～f4、>＝f4。
冠层株高标准计算和判别方法与冠层直径相同，a、b、x0为公式参数(表2)。
表2.株高判别标准的公式参数
Figure BDA0002802563810000071
步骤4、烟草营养判别
普通农户在微信中关注烟草营养判别微信小程序，具体的烟草营养判别如步骤3所示。针对自家种植的烟草，依据微信小程序株高拍照和冠层拍照模式进行田间生长拍照，并填写烟草移栽时间，图像和移栽时间数据上传到烟草营养判别服务器，解析烟草株高和冠层直径，比对该生长日期烟草株高和冠层直径的营养水平标准(图5)，烟草移栽时间为4月25日，5月31日拍摄图像的判别为：株高137.3mm，冠层直径332.2mm，综合判别为营养状态较旺。烟草营养判别服务器把依据解析数据判别的烟草营养水平结果推送给农户。农户可以依据烟草营养水平判别结果进行施肥决策，实现因苗施肥，如图5的地块烟草生长较旺，不需要施肥。
实施例1
采用本发明方法，于2020年4月在四川省凉山彝族自治州冕宁县回坪乡横路村进行了对烟草的手机拍照。烤烟品种为云烟100，共设置6个不同氮肥施用水平，分别为0、2.5、5、7.5、10、12.5Kg/亩(N)。手机拍照步骤严格按照上文中步骤一和步骤二来执行，从2020.05.03一2020.08.13期间手机拍摄共14次，贯穿整个生育期，构建了冠层直径和株高的标准。从不同处理间的株高和冠层直径动态图可以看出，株高和冠层直径都随着施氮水平的增加而增加。
该发明的结果与干物质量，农艺性状调查等结果相吻合，并且比其他测试方法省时又省力，节约时间和测试开支，操作简便，具有大范围可推广性。
上述说明示出并描述了发明的若干优选实施例，但如前所述，应当理解发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述发明构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离发明的精神和范围，则都应在发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (3)

1.一种基于手机图像解析的烟草营养状态判别方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、用手机拍摄烟草植株，拍摄角度包括垂直拍摄、水平拍摄；拍摄图像时，在植株附近放置标准尺寸魔方，魔方的正上方粘贴水平气泡，放置魔方时保持魔方水平气泡水平；
步骤2、对拍摄的图像进行解析：拍摄时采用的魔方为国际标准的三阶魔方，外观尺寸为57mm*57mm*57mm，带颜色的小方块边长为15mm；
步骤3、制定烟草营养判别标准，步骤3.1、选择中等地力农田，设置5个处理，分别为：正常用肥*50％、正常用肥*75％、正常用肥、正常用肥*125％、正常用肥*150％，其中，50％、75％、125％、150％为正常用肥的倍率，分别对应烟草营养的1～5个水平；试验设置3个重复，其它农艺措施以当地管理措施执行；
步骤3.2、定期进行手机图像拍摄，采集频率为1次/周，起始时间为移栽后的下一天，结束时间为采烤结束下一天；
步骤3.3、针对每个烟草生长阶段，解析1～5烟草营养水平的植株图像的株高和冠层直径，构建该生长阶段的烟草营养水平对应的株高和冠层直径标准；烟草移栽第七天时，表征烟草营养水平分为弱、较弱、正常、较旺、旺5个标准的株高分别为<105.8mm、105.8-118.2mm、118.2-127.2mm、127.2-139.3mm、>＝139.3mm；冠层直径标准分别为<282.5mm、282.5-303.6mm、303.6-318.0mm、318.0-339.8mm、>＝339.8mm；
步骤3.4、同一烟草营养水平，把不同生长阶段的株高和冠层直径数据，以天为单位进行插值，获得烟草移栽后该烟草营养水平每天的株高和冠层直径标准；采用相同方法获得不同营养水平以天为单位的烟草株高和冠层直径标准；
冠层直径标准依据公式：f＝a/(1+exp(-(x-x0)/b))(1)，
其中x为移栽后的天数，a、b、x0为公式参数；
烟草移栽后某天的营养水平为弱、较弱、正常、较旺、旺5个冠层直径标准值分别为：<f1、f1～f2、f2～f3、f3～f4、>＝f4；
冠层株高标准计算和判别方法与冠层直径相同，a、b、x0为公式参数；
步骤4、烟草营养判别：普通农户在微信中关注烟草营养判别微信小程序，根据步骤3中所述的烟草营养判别标准，针对自家种植的烟草，依据微信小程序株高拍照和冠层拍照模式进行田间生长拍照，并填写烟草移栽时间，图像和移栽时间数据上传到烟草营养判别服务器，解析烟草株高和冠层直径，比对该生长日期烟草株高和冠层直径的营养水平标准；烟草营养判别服务器把依据解析数据判别的烟草营养水平结果推送给农户；农户依据烟草营养水平判别结果进行施肥决策，实现因苗施肥。
2.根据权利要求1所述的烟草营养状态判别方法，其特征在于，图片文件命名原则为：Uid-yyyy-mm-dd-Z-N，其中，Uid指拍摄照片的用户编码；yyyy为年份，mm为月份，dd为日期，Z为照片姿态类型，数字1为垂直拍照，2为水平拍照，3为其它角度拍照，N为顺序。
3.根据权利要求1所述的烟草营养状态判别方法，其特征在于，步骤2中的对拍摄的图像进行解析，具体为：采用计算机程序解析图像，主要过程包括：①采用机器学习方法识别图像中的魔方及水平气泡位置；②根据魔方水平气泡确定上表面及水平线；③根据魔方上表面水平线旋转图像至真实水平状态；④根据烟叶绿色RGB值选择图像，并去掉图像背景保留绿色部分；⑤根据魔方颜色小方块尺寸采用等比方法计算植株高；⑥植株冠层直径依据上述5个步骤进行解析。
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