CN116539606A - 植物健康度评估装置与评估方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种植物健康度评估装置与评估方法，包括紫外线光源、RGB相机与控制器，紫外线光源提供紫外线光照射植物叶面，RGB相机拍摄植物叶面并取得评估图像，控制器连接紫外线光源及RGB相机，控制紫外线光源及RGB相机，其中，控制器将评估图像中的每一像素分离为红光分量R、绿光分量G与蓝光分量B，控制器基于所分离的分量，计算每一像素的紫外线常态化差值植物指标(uNDVI)值并对应生成uNDVI图像以判断植物健康度，uNDVI值为(R‑B)/(R+B)。本发明可用于植物生长实时监控。
Description
技术领域
本发明涉及一种植物健康度评估装置与评估方法，尤其涉及一种通过紫外光照射植物激发叶绿素反应以进行监测的评估装置与评估方法。
背景技术
传统户外植被的健康度是使用卫星或是空拍机分析植物对红外光与红光的反射率，其必须移除相机的电荷耦合元件(charge coupled device,CCD)前方的红外线截止(IR-cut)滤光片以及加上一片蓝色滤镜，以便计算出常态化差异植物指标(Normalizeddifference vegetation index,NDVI)，进而得知植物叶绿素的活性以判定植物的健康度，而室内作物则通过坊间专门的植物检测仪器，为小型手持式装置或大型的设备如光合作用检测仪，以评估植物的健康度，但仪器价格十分昂贵且仅能针对单一叶片进行检测，于实际农业运用并不符合经济效益。
发明内容
为解决上述课题，本发明提供一种成本合理且架构简单的植物健康度评估装置与评估方法，依据植物的反射光谱会随外界的光有所不同进行评估。当对植物被照射紫外光时，植物的叶绿素会激发出红色荧光，因而反射出红色光线。因此当拍摄被紫外光照射的叶面时，相机所接收到的红光会变强，红光较强处即为叶绿素被活化的区域，可借此分析叶绿素的分布与活性并评估植物的健康度，如叶面缺陷或是病虫害。
本发明提供一种植物健康度评估装置与评估方法，植物健康度评估装置包括紫外线光源、红绿蓝相机(RGB相机)与控制器，通过紫外线光源提供紫外线光照射植物叶面，以RGB相机拍摄植物叶面并取得评估图像，控制器连接紫外线光源及RGB相机并控制紫外线光源及RGB相机，其中，通过控制器将评估图像分成多个像素，并将每一像素分离为红光分量R、绿光分量G与蓝光分量B三种分量，控制器基于所分离的分量，计算每一像素的紫外线常态化差值植物指标(uNDVI)值并对应生成uNDVI图像以判断植物健康度，其中uNDVI值为(R-B)/(R+B)。
在本发明的一实施例中，控制器计算uNDVI值大于或等于特定值的所有像素与植物叶面的面积比例，以判定植物健康度。
在本发明的一实施例中，控制器通过映射灰阶处理以转换uNDVI值为灰阶值，转换特定值为灰阶特定值，控制器计算灰阶值大于或等于灰阶特定值的所有像素与植物叶面的灰阶面积比例，以判断植物健康度。
本发明的一实施例中，控制器于取得评估图像之后，通过人工智能(artificialintelligence,AI)影像辨识技术排除评估图像中非植物叶面的部分。
在本发明的一实施例中，上述植物健康度评估装置更包含通讯装置，通讯装置耦接至控制器，用以使控制器通过通讯装置向用户装置显示面积比例的一网页界面，并对应于所评估出的植物健康度发送提示信号，当控制器判定植物健康度为良好，提示灯号为绿色灯号，当控制器判定植物健康度为普通，提示灯号为黄色灯号，当控制器判定植物健康度为异常，提示灯号为红色灯号。
本发明的植物健康度评估装置与评估方法因采用RGB相机搭配可控的紫外线光源，通过RGB相机对植物叶面进行拍摄，可接收大范围面积的叶面反射光谱，分析叶绿素活性与分布，以评估植物健康度，基于uNDVI值了解整体植物健康度趋势，通过uNDVI图像找出缺陷叶面，可用于植物生长实时监控，以随时针对植物健康状态变更环控条件，其中RGB相机可为植物栽培设施现有的监控设备，紫外线光源亦可为设施内既有的植物生长用的补充光源，本发明的植物健康度评估装置与评估方法可使用现有的设备进行检测，因而无须额外购买昂贵的专门仪器设备。
附图说明
图1为本发明一实施例的植物健康度评估装置的架构图；
图2为本发明一实施例的植物健康度评估装置的应用场景示意图；
图3为本发明一实施例的植物健康度评估方法的流程图；以及
图4A-4D为本发明一实施例的植物健康度评估方法中各图像的示意图。
具体实施方式
现将参考附图通过示例更详细地描述本发明。
请参照图1的植物健康度评估装置的架构图，植物健康度评估装置10包括紫外线光源11、RGB相机12与控制器13，紫外线光源11用以紫外线光照射植物叶面，RGB相机12用以对植物叶面进行拍摄并取得评估图像，控制器13连接紫外线光源11及RGB相机12，用以控制紫外线光源11及RGB相机12，其中，控制器13将评估图像分成多个像素，并将每一像素分离为红光分量R、绿光分量G与蓝光分量B三种分量，控制器13基于所分离的分量，计算每一像素的紫外线常态化差值植物指标(uNDVI)值并对应生成uNDVI图像以判断植物健康度，uNDVI值为(R-B)/(R+B)。
本发明一实施例的紫外线光源11可为波长320纳米(nm)-400nm的紫外线A(UVA)光源，更佳地为一波长365nm的紫外线光源。
请参照图2植物健康度评估装置法的应用场景示意图，本实施例的植物健康度评估装置10可应用于植物栽培设施内，紫外线光源11与RGB相机12可装设在设施内的天花板，欲进行检测时通过控制器13开启紫外线光源11与RGB相机12即可进行拍摄作业，以对设施内植物进行实时监控，亦可将紫外线光源11、RGB相机12与控制器13装设于活动台车上，以进行特定区域的植物健康度检测。
本发明一实施例中，所述的控制器13计算uNDVI值大于或等于特定值的所有像素与植物叶面的一面积比例，以依据所述的面积比例判断所检测植物的健康度指标，其中uNDVI值与特定值介于-1与1之间。并且，本领域技术人员可依据植物的种类调整特定值的大小，本发明不限制此特定值。
本发明一实施例中，所述的控制器13通过映射灰阶处理以转换所述的uNDVI值为灰阶值，通过映射灰阶处理以转换特定值为灰阶特定值，控制器13计算灰阶值大于或等于灰阶特定值的所有像素与植物叶面的灰阶面积比例，以判断植物健康度，其中灰阶值与灰阶特定值介于0至255之间。并且，本领域技术人员可依据植物的种类调整灰阶特定值的大小，本发明不限制此灰阶特定值。
本发明一实施例中，当所述的控制器13计算uNDVI值大于或等于特定值的所有像素与植物叶面的面积比例大于90％或是灰阶值大于或等于灰阶特定值的所有像素与植物叶面的灰阶面积比例大于90％时，控制器13判定植物健康度为良好，当面积比例或是灰阶面积比例介于70％-90％时，控制器13判定植物健康度为普通，当面积比例或是灰阶面积比例小于70％时，控制器13判定植物健康度为异常。本领域技术人员可依据植物的种类调整控制器13用于判定植物健康度良好、普通及异常的标准，本发明不以上述数值为限。
控制器13还可于取得评估图像之后，先通过AI影像辨识技术判断评估图像中的植物叶面，并排除评估图像中非植物叶面的部分，之后再进行uNDVI值的计算，以使所述的面积比例的计算更为精确。
所述的控制器13对uNDVI图像进行伪彩渲染以显示植物叶面的植物健康度，并导入AI模型以判断uNDVI值小于特定值的像素的病虫害种类。举例来说，可使用绿色标记uNDVI值大于或等于特定值的像素，使用蓝色标记uNDVI值小于特定值的像素，因此，使用者可直观地看出评估图像中何处的叶面为缺陷叶面。另外，AI模型的导入亦可使控制器13可更精确地确认缺陷叶面的区域。
本发明一实施例的植物健康度评估装置10还包括通讯装置14，通讯装置14耦接至控制器13，用以使控制器13通过通讯装置14以提供用户装置可显示所述的面积比例的一网页界面，并对应于所评估出的植物健康度发送提示灯号。举例来说，当控制器13判定植物健康度为良好，提示灯号为绿色灯号，当控制器13判定植物健康度为普通，提示灯号为黄色灯号，当控制器13判定植物健康度为异常，提示灯号为红色灯号。其中，用户装置与通讯装置14为无线连接，用户装置可以为智能型手机、平板电脑、笔记本电脑等可以观看网页界面的电子装置。
本发明一实施例中，当面积比例小于默认值时，控制器13将植物健康度判定为异常且通过通讯装置14向用户装置发出简讯或电子邮件通知，用户可于收到通知后实时进行反应，如提供补充光源或是水分等措施，其中所述的默认值可为70％、50％或30％，本领域技术人员可依据植物的种类调整默认值的大小，本发明不以上述数值为限。
本发明一实施例的植物健康度评估装置10还包括一基本光源15，于拍摄评估图像时作为照明用光源，或用以提供平时植物生长用的光源，所述的基本光源15可为全光谱光源，且其作为拍摄时的照明用光源时，强度为提供植物生长用的光源的十分之一。
请参考图3本发明一实施例的植物健康度评估方法的流程图与图4A-4D本发明一实施例的植物健康度评估方法中各图像的示意图，本实施例的植物健康度评估方法，适用于植物健康度评估装置10。植物健康度评估方法包括以下步骤:
S12：紫外线光源11提供一紫外线光给植物叶面；
S13：RGB相机12拍摄植物叶面，以取得评估图像(如图4A)；
S14：控制器13将评估图像分成多个像素(如图4B)，并将每一像素分离为红光分量R、绿光分量G与蓝光分量B；
S15：控制器13基于所分离的分量，计算每一像素的紫外线常态化差值植物指标(uNDVI)值，uNDVI值为(R-B)/(R+B)；以及
S16：控制器13基于每一像素计算出的uNDVI值生成uNDVI图像以评估植物健康度(如图4C)。
更优地，本发明一实施例的紫外线光源11可为波长320nm-400nm的UVA光源，更佳地为一波长365nm的紫外线光源11。
更优地，本发明一实施例的植物健康度评估方法，更包括步骤S17：控制器13计算uNDVI值大于或等于特定值的所有像素与植物叶面的面积比例。依据所述的面积比例判断所述的植物健康度，其中uNDVI值与特定值介于-1与1之间。并且，本领域技术人员可依据植物的种类调整特定值的大小，本发明不限制此特定值。
更优地，步骤S17更包括映射灰阶处理，控制器13通过映射灰阶处理以转换所述的uNDVI值为灰阶值，转换所述的特定值为灰阶特定值，并且控制器13计算灰阶值大于等于灰阶特定值的灰阶面积比例，以判定植物健康度，其中灰阶值与灰阶特定值介于灰阶0至255之间。并且，本领域技术人员可依据植物的种类调整灰阶特定值的大小，本发明不限制此灰阶特定值。
本发明一实施例的植物健康度评估方法，当控制器13计算uNDVI值大于或等于特定值的所有像素与植物叶面的面积比例大于90％或是灰阶值大于或等于灰阶特定值的所有像素与植物叶面的灰阶面积比例大于90％时，控制器13判定植物健康度为良好，当面积比例或是灰阶面积比例介于70％-90％时，控制器13判定植物健康度为普通，当面积比例或是灰阶面积比例小于70％时，控制器13判定植物健康度为异常。本领域技术人员可依据植物的种类调整控制器13用于判定植物健康度良好、普通及异常的标准，本发明不以上述数值为限。
更优地，本发明一实施例的植物健康度评估方法，其中步骤S13更包括:控制器13于取得评估图像之后，先通过AI影像辨识技术判断评估图像中的植物叶面，并排除评估图像中非植物叶面的部分，之后再进行uNDVI值的计算(即步骤S14与S15)，以使所述的面积比例的计算更为精确。
更优地，本发明一实施例的植物健康度评估方法，更包括步骤S18：控制器13对uNDVI图像进行伪彩渲染以显示植物叶面的植物健康度(如图4D)，并导入AI模型以判断uNDVI值小于特定值的像素的病虫害种类。举例来说，可使用绿色标记uNDVI值大于或等于特定值的像素，使用蓝色标记uNDVI值小于特定值的像素，因此，使用者可直观地看出评估图像中何处的叶面为缺陷叶面。另外，AI模型的导入亦可使控制器13可更精确地确认缺陷叶面的区域。
更优地，本发明一实施例的植物健康度评估方法，更包括步骤S19：通过通讯装置14提供用户装置显示面积比例的网页接口，并对应于植物健康度发送提示灯号。当控制器13判定植物健康度为良好，提示灯号为绿色灯号，当控制器13判定植物健康度为普通，提示灯号为黄色灯号，当控制器13判定植物健康度为异常，提示灯号为红色灯号。
更优地，本发明一实施例的植物健康度评估方法，更包括步骤S20：当所述的面积比例小于默认值时，控制器13将植物健康度判定为异常且通过通讯装置14向用户装置发出简讯或电子邮件通知。通过实时监控并于异常时发出通知，让用户可随时针对植物的异常状况作出反应，其中所述的默认值可为70％、50％或30％。
更优地，本发明一实施例的植物健康度评估方法，更包括步骤S11：基本光源15提供照明用的光线。夜间或室内的植物栽培设施其光线极度昏暗无法使RGB相机12拍摄清楚的评估图像时，基本光源15可用以提供照明，所述的基本光源15亦可作为平时植物生长用的光线，其用作拍摄照明用时的光线强度为用作植物生长时的光线强度的十分之一。
综上所述，本发明的植物健康度评估装置与评估方法因采用RGB相机搭配可控的紫外线光源，通过RGB相机对植物叶面进行拍摄，可接收大范围面积的叶面反射光谱，分析叶绿素活性与分布，以评估植物健康度，基于uNDVI值了解整体植物健康度趋势，通过uNDVI图像找出缺陷叶面，可用于植物生长实时监控，以随时针对植物健康状态变更环控条件。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明,任何熟悉本专业的技术人员,在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的方法及技术内容作出些许的更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。
Claims (10)
1.一种植物健康度评估装置，其特征在于，包括:
一紫外线光源，用以提供一紫外线光照射一植物叶面；
一RGB相机，用以对所述植物叶面进行拍摄，并取得一评估图像；
一控制器，连接所述紫外线光源及所述RGB相机，用以控制所述紫外线光源及所述RGB相机，
其中，所述控制器将所述评估图像分成多个像素，并将所述像素分离各自为一红光分量R、一绿光分量G与一蓝光分量B，所述控制器基于所分离的所述分量，计算每一像素的一紫外线常态化差值植物指标(uNDVI)值并对应生成一uNDVI图像以判断所述植物健康度，所述uNDVI值为(R-B)/(R+B)。
2.如权利要求1所述的植物健康度评估装置，其特征在于，所述控制器计算所述uNDVI值大于或等于一特定值的所有像素与所述植物叶面的一面积比例，以判断所述植物健康度。
3.如权利要求2所述的植物健康度评估装置，其特征在于，所述控制器通过一映射灰阶处理以转换所述uNDVI值为一灰阶值，通过所述映射灰阶处理以转换所述特定值为一灰阶特定值，所述控制器计算所述灰阶值大于或等于所述灰阶特定值的所有像素与所述植物叶面的一灰阶面积比例，以判断所述植物健康度。
4.如权利要求1所述的植物健康度评估装置，其特征在于，所述控制器于取得所述评估图像之后，通过一AI影像辨识技术排除所述评估图像中非所述植物叶面的部分。
5.如权利要求2所述的植物健康度评估装置，其特征在于，所述植物健康度评估装置更包括一通讯装置，所述通讯装置耦接至所述控制器，所述控制器通过所述通讯装置以提供一用户装置显示所述面积比例的一网页界面，并对应于所述植物健康度以发送一提示信号。
6.一种植物健康度评估方法，适用于一植物健康度评估装置，其特征在于，所述植物健康度评估装置包括一紫外线光源、一RGB相机与一连接所述紫外线光源及所述RGB相机的控制器，所述植物健康度评估方法包括：
所述紫外线光源提供一紫外线光给一植物叶面；
所述RGB相机拍摄所述植物叶面，以取得一评估图像；
所述控制器将所述评估图像分成多个像素，并将所述像素各自分离为一红光分量R、一绿光分量G与一蓝光分量B，所述控制器基于所分离的所述分量，计算每一像素的一紫外线常态化差值植物指标(uNDVI)值并对应生成一uNDVI图像以判断所述植物健康度，所述uNDVI值为(R-B)/(R+B)。
7.如权利要求6所述的植物健康度评估方法，其特征在于，所述植物健康度评估方法更包括：
所述控制器计算所述uNDVI值大于或等于一特定值的所有像素与所述植物叶面的一面积比例以判断所述植物健康度。
8.如权利要求7所述的植物健康度评估方法，其特征在于，所述控制器通过一映射灰阶处理以转换所述uNDVI值为一灰阶值，通过所述映射灰阶处理以转换所述特定值为一灰阶特定值，所述控制器计算所述灰阶值大于或等于所述灰阶特定值的所有像素与所述植物叶面的一灰阶面积比例，以判断所述植物健康度。
9.如权利要求6所述的植物健康度评估方法，其特征在于，所述植物健康度评估方法更包括：
所述控制器通过一AI影像辨识技术排除所述评估图像中非所述植物叶面的部分。
10.如权利要求7所述的植物健康度评估方法，其特征在于，所述植物健康度评估装置更包括一通讯装置，所述通讯装置耦接至所述控制器，所述控制器通过所述通讯装置提供一用户装置显示所述面积比例的一网页界面，并对应于所述植物健康度以发送一提示信号。
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