CN117011706A - 植物组织生长状况的研判系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及植物组织生长状况的研判系统及方法。针对采集植物生长图像中出现的精准性不足而导致技术人员不能第一时间发现植株生长异常，或者做出错误判断的问题，本发明提供的系统包含：检测模块，用于检测植物所处环境的第一光照强度；以及与所述检测模块通讯连接的控制模块，当所述检测模块检测到所述环境的第一光照强度超过或低于能够客观还原植物组织生长状况的预设光照强度范围时，所述控制模块调节所述环境的第一光照强度至预设光照强度范围内并采集所述植物的第一图像，其中，所述控制模块被配置为：判断所述第一图像的清晰度并调节植物所处环境的光照强度，进而获得能够用于特征数据提取的第二图像。

Description

植物组织生长状况的研判系统及方法

技术领域

本发明涉及植物监测技术领域，尤其涉及植物组织生长状况的研判系统及方法。

背景技术

我国是农业大国，在农业生产中，作物病害经常发生，而且病害的发生速度和传播速度非常快，若某地区出现病虫害而未及时采取措施，病虫害将在短时间内大面积传播，导致作物的产量大幅减少甚至颗粒无收，因此，农业生产中植物的生长状况的监测成为必不可少的过程。现有技术中的监测方法通常采用人工辨别和通过遥感技术采集植物的图像以判断植物的生长状况。

一方面，农业种植的作物通常数量多、面积广，人工肉眼辨别植株是否发生病虫害这一方法会耗费大量时间和人力，易产生肉眼疲劳从而辨别效率很低，并且，一些微小病斑或颜色改变很容易被忽略，植物遭遇病虫害的初期若未及时采取相应的措施控制病虫害，由于其蔓延速度快，后期会导致植物大面积感染而产生巨大损失；而通过遥感技术，如卫星或无人机采集植物的图像，判断植物的生长状况虽然简单快捷，但是在不同的天气或者在同一天的不同时刻由于太阳光照射方向、云层散射等因素的影响，采集的图像的明暗、颜色、和清晰度的精确性会发生变化，因此，后期进行图像分析时的准确性不能得到保证。

另一方面，目前采集图像的角度通常是从植物的顶端朝基部进行拍摄的，这种拍摄角度单一，而植物、太阳、测量装置的空间位置是固定的，单一的拍摄角度无法观测到每株植物的生长状况，且当植物的叶片发生弯曲、倾斜、重叠或扭转时会对图像造成干扰，分析时结果不准确。

此外，现有技术中的植物组织生长状况的研判系统主要是基于图像采集植物特征而生成对应的比对结果，通过多维度或多角度的信息采集增加研判系统结果生成的准确性，然而，研判系统的前期采集数据的准确度通常会被忽视，因而对研判结果的影响也未被考虑。例如，当研判系统需要采集植物的叶片大小以确定植物的生长状态时，由于接收到外部的太阳光的光强度过大，部分叶片的边缘在拍摄时产生光晕，而造成叶片的识别面积小于实际面积，或者当研判系统需要采集植物的叶片颜色以判断植物是否发生病虫害时，由于温室内为植物补给的红蓝光的光强度比较低且具有颜色，采集的图像的颜色会受到影响，实际的斑块为黄色而在采集的图像中呈现褐色，使得研判结果不准确。

现有技术对植物生长状况的研判系统的研究通常更关注研判方法，而忽视采集的目标植物图像的精准性，即前期采集数据的准确性不能得到保证，当采集到的植物生长图像颜色受到光照、拍摄角度等因素的影响变得模糊不准确时，会影响系统对植物生长状况研判的精准性，从而导致技术人员不能第一时间发现植株生长异常，或者做出错误判断，因此不利于及时进行有效的干预，最终使得植物产量降低。

随着市场需求的上升，传统的育种规模无法满足当前的需求。为了尽快获得相应需求的作物品种和作物产量，需要尽量减少或避免作物培育过程中的意外，例如，不能及时发现作物感染病害的情况，以提高育种效率，缩短育种年限。因此，本申请提供植物组织生长状况的研判系统及方法，本技术方案适用于育种设备。植物生长过程的精确监测结果有助于管理人员及时发现植物生长过程中的不利因素并采取相应的措施，进而加速育种进程。

此外，一方面由于对本领域技术人员的理解存在差异；另一方面由于申请人做出本发明时研究了大量文献和专利，但篇幅所限并未详细罗列所有的细节与内容，然而这绝非本发明不具备这些现有技术的特征，相反本发明已经具备现有技术的所有特征，而且申请人保留在背景技术中增加相关现有技术之权利。

发明内容

现有技术中的植物组织生长状况的研判系统主要是基于图像采集植物特征而生成对应的比对结果，通过多维度或多角度的信息采集增加研判系统结果生成的准确性，目前对植物生长状况的研判系统的研究通常更关注研判方法，而忽视采集的目标植物图像的精准性，前期采集数据的准确性不能得到保证，即研判系统的前期采集数据的准确度通常会被忽视，因而对研判结果的影响也未被考虑。当采集到的植物生长图像颜色受到光照、拍摄角度等因素的影响变得模糊不准确时，会影响系统对植物生长状况研判的精准性，从而导致技术人员不能第一时间发现植株生长异常，或者做出错误判断，因此不利于及时进行有效的干预，最终使得植物产量降低。

针对现有技术之不足，本发明提供了植物组织生长状况的研判系统，包含：

检测模块，用于检测植物所处环境的第一光照强度；

以及与所述检测模块通讯连接的控制模块，

当所述检测模块检测到所述环境的第一光照强度超过或低于能够客观还原植物组织生长状况的预设光照强度范围时，所述控制模块调节所述环境的第一光照强度至预设光照强度范围内并采集所述植物的第一图像，其中，

所述控制模块被配置为：

当所述第一图像中的符合试验需求的用于提取特征数据的部位的清晰度大于标准阈值时，调节所述部位的所处环境的第二光照强度，进而获得能够用于特征数据提取的第二图像。

在植物培育系统中，通常是提取采集模块采集的图像或视频中的特征数据对植物生长状态进行判断，但是，由于植物所处环境的光照条件的影响，采集的图像并不能准确反映植物的实际生长状况，例如，外部环境光照过暗或过亮，导致采集的图像曝光不足或过曝，后续提取的特征的准确性也因此受到影响，如采集的图像边缘不清晰，图像中局部过暗等均会影响后期数据提取。而本发明通过检测模块在第一次采集图像前进行一次环境的光照强度的检测，判断此时的光照强度是否处于预设光强范围内，理论上，在处于预设光强范围的背景下采集的图像清晰、明暗合适，图像能够用于数据提取。当第一光照强度超过或低于预设光强范围时，控制模块控制功能输出模块将植物所处环境的光照强度调整至预设光强范围内，再进行第一图像的采集，减少无用图像的采集。采集第一图像对其可用性进行判断，当第一图像的清晰度为标准阈值时，说明第一图像能够直接用于特征数据提取；当第一图像的清晰度超过标准阈值时，说明采集的图像不能用于特征数据提取。进一步地，对符合试验需求的用于提取特征数据的部位所处的环境进行第二次光照强度的调节，与现有技术相比：本发明通过调整用于提取特征数据的部位的光照强度而保证采集的图像在后续分析中可用性。本发明的目的并不是要求完整图像均能用于特征数据提取，只需要局部的符合试验要求的目标区域能够用达到特征数据提取的要求即可。另一方面，现有技术通过调整整体的环境的光照强度保证拍摄图像的可用性，而实际操作过程方法(直接调整培育植物的空间中补光灯的亮度)并不能保证图像局部区域的清晰度达到标准，可能图像中一部分的清晰度达到要求，而另一部分的清晰度达不到要求。因此调整所述植物的用于特征数据提取的部位的所处环境的第二光照强度以采集能够用于特征数据提取的第二图像，保证用于数据提取的第二图像能够客观反映植物的真实生长状况。

优选地，所述系统包括具有补光单元和遮光单元的功能输出模块，其中，

所述补光单元通过调节其高度以改变向植株的符合试验需求的用于提取特征数据的部位所处环境投放光线的角度和第二光照强度；

所述遮光单元通过调节其相对所述植物高度方向的倾斜度和/或高度的方式改变植物的所述部位所处环境的第二光照强度。

本发明中，调整环境光照强度是通过改变补光单元和遮光单元的高度和倾斜度实现的，与现有技术中直接增加或减少补光单元的光照强度具有显著区别。直接增加或减少补光单元的光照强度只能影响整体环境的亮度，并不能保证采集的图像中的每一部分的亮度均处于合适的范围，例如，采集的图像过暗，增加补光单元的光照强度，再次采集图像后会发现有的部分亮度合适，有的部分过曝，采集的图像仍旧不适合于特征数据提取。而本发明对采集的清晰度超过标准阈值的图像进行原因分析，确认是曝光不足或过曝，再进一步针对图像中的曝光不足或过曝的植物部位所处环境的光照条件进行调节，以解决图像中用于数据提取的区域的曝光不足或过曝问题。

优选地，当所述第一图像中的所述植物的符合试验需求的用于提取特征数据的部位所处的目标区域的清晰度大于所述标准阈值时，所述控制模块控制所述功能输出模块的高度或倾斜度以获取所述第二图像。当第一图像的清晰度超过标准阈值时，说明采集的图像不能用于特征数据提取，进一步地，调整功能输出模块的高度或倾斜度以调整符合试验需求的用于提取特征数据的部位所处的目标区域的光照强度，有针对性地改变所述目标区域对应地植物的部位的光照条件，避免出现所述目标区域中局部仍旧处于曝光不足或过曝的情况。

优选地，所述控制模块包括获取所述目标区域的清晰度的第一判断单元和获取所述目标区域的亮度值的第二判断单元，其中，当所述第一判断单元获取的所述目标区域的清晰度大于所述标准阈值时，所述第二判断单元获取所述目标区域的亮度值。当第一图像的清晰度为标准阈值时，说明第一图像能够直接用于特征数据提取，当第一图像的清晰度超过标准阈值时，说明采集的图像不能用于特征数据提取，需要判断引起清晰度超过标准阈值的原因，因此开启第二判断单元以获取所述目标区域的亮度值，该设置的好处在于只有当清晰度超过标准阈值时才开启第二判断单元，减小控制模块的运行压力。

优选地，基于所述第一图像中的目标区域的清晰度大于所述标准阈值，所述控制模块获取所述目标区域的亮度值以获得所述目标区域处于曝光过度或曝光不足的结果。本发明通过获取目标区域的亮度值来判断目标区域处于曝光过度或曝光不足，亮度值能够反映图像画面的明亮程度，在曝光程度方面的判断具有准确性高的优点。

优选地，当所述目标区域的亮度值超过能够反映植物生长状态的有效范围的最大值时，所述控制模块通过降低所述补光单元的高度、降低所述遮光单元的高度或减小所述遮光单元的倾斜度的方式减小所述目标区域的亮度值，进而获得用于特征数据提取的第二图像。亮度值超过有效范围的最大值，说明图像过暗，通过减小亮度值提高图像的明亮程度，本发明通过对所述目标区域对应的植物部位的光照条件进行调节以提高图像的明亮程度。具体地，降低所述补光单元的高度，使得光源与目标区域对应的植物部位的距离减小，增加了所述植物部位所处环境的光照强度。降低所述遮光单元的高度能够减少对光源的遮挡，使得光源投射至所述植物部位的光线更充足。由于所述植物部位所处环境的光照不足，减小遮光单元的倾斜度能够使得投射至所述植物部位的光线更充足。

优选地，当所述目标区域的亮度值低于能够反映植物生长状态的有效范围的最小值时，所述控制模块通过增加所述补光单元的高度、增加所述遮光单元的高度或增大所述遮光单元的倾斜度的方式增加所述目标区域的亮度值，进而获得用于特征数据提取的第二图像。亮度值小于有效范围的最小值，说明图像过亮，通过增加亮度值降低图像的明亮程度，本发明通过对所述目标区域对应的植物部位的光照条件进行调节以降低图像的明亮程度。具体地，增加所述补光单元的高度，使得光源与目标区域对应的植物部位的距离增大，进而减小所述植物部位所处环境的光照强度。增加所述遮光单元的高度能够增加对光源的遮挡，使得光源投射至所述植物部位的光线减少。由于所述植物部位所处环境的光照过强，增加遮光单元的倾斜度能够使得投射至所述植物部位的光线减少，进而降低所处环境的光照。

优选地，所述系统还包括用于所述特征数据提取的数据处理模块，其中，

当获得所述第二图像时，所述数据处理模块提取所述目标区域中的特征数据。本发明中，只有当获取的图像能够用于特征数据提取时，数据处理模块才开启工作，而非每次采集图像均会启动数据处理模块，减少无用数据的产生，尽量降低数据处理模块的运行负荷。

优选地，所述数据处理模块获取的所述植物的特征数据包括：植株高度、叶面积、叶片颜色、茎颜色、花朵形态、花朵颜色、果实颜色、叶绿素水平、叶片氮素水平中的一种或多种。由于采集的用于特征数据提取的图像的清晰度能够客观还原植物的真实状况，因此特征数据至少能够包括株高方面、颜色方面、外部形态方面的数据，而通过对叶片颜色的分析能够进一步获得叶绿素、氮素水平。

本发明还提供植物组织生长状况的研判方法，包括以下步骤：

检测植物所处环境的第一光照强度；

调节所述环境的第一光照强度至能够客观反映植物组织生长状况的预设光照强度范围；

采集所述植物的第一图像；

判断所述第一图像的符合试验需求的用于提取特征数据的部位所处的目标区域的清晰度；

当所述目标区域的清晰度大于标准范围时，控制植物的所述部位所处环境的光照强度以获得能够用于特征数据提取的第二图像；

提取所述植物的特征数据。

本发明的有益效果：

1.现有的温室中会根据植物的生长需求选择红外、红色、橙色、黄色、蓝色、绿色等光谱组合为植物提供合适的光源，由各种不同比例的光谱组合形成特定的光色成分，光色决定了图像总色调的倾向，当在蓝光比例大的背景下进行拍摄时，图像会显得灰暗，不利于后续数据提取的准确性，而本发明通过设置补光单元调整环境光强，能够减小光色成分对图像色调的影响。

在一些情况下，为了促进植物生长，夜间也会为植物提供光照，但是夜间对植物进行光源供应的光照强度会低于日间提供的光照强度，以尽量减少对植物的生物节律的影响，因此在夜间采集图像进行分析，由于环境光照强度较低，采集的图像会影响特征数据提取的准确性；另一些情况下，针对不同的植物温室中供光策略不同，例如交替供光、间歇供光、渐变供光等策略，以间歇供光策略为例，在一段时间内开启光源进行供光，在一段时间内停止供光，当图像采集时段在停止供光阶段，则此时采集的图像过暗，不能提取出准确的数据用于后续分析；此外，在一些大棚种植中，为节约能耗，当天气晴朗阳光充足时，管理人员利用透镜聚集光线以提高栽培区域内的光照强度，此时栽培区域的光照强度能够达到90000Lux，在该条件下采集的图像也会影响分析结果的准确性。

本发明的光检测单元、补光单元、遮光单元能够很好地解决上述问题，光检测单元在第一次采集图像前会进行一次环境的光照强度的检测，判断此时的光照强度是否处于预设光强范围内，理论上，在处于预设光强范围的背景下采集的图像清晰、明暗合适，图像能够用于数据提取，当检测到环境的光照强度低于预设光强范围的下限，补光单元能够对植物所处的环境进行补光以使得光照强度处于预设光强范围内；当检测到环境的光照强度超过预设光强范围的上限，遮光单元能够对植物所处的环境进行遮光以使得光照强度处于预设光强范围内。当植物所处环境的光照强度处于预设光强范围内时，进行第一图像的采集。

2.当外部环境的光照强度处于理论上能够采集到明暗适中的图像的预设光强范围时，图像采集模块采集第一张图像，控制模块判断该图像实际是否清晰并可用于特征数据提取，当控制模块的第一判断单元判断该图像的清晰度大于标准阈值，其不能用于特征数据提取时，第二判断单元启动，对模糊的图像进行判断分析，判断该模糊图像是由曝光不足或过度曝光引起的，针对引起模糊的原因，控制模块控制补光单元的高度和角度、遮光单元的倾斜度和高度以调整环境的光强，当调整后的环境的光照强度仍然过高或过低，控制模块继续控制补光单元和遮光单元，直到采集的图像清晰自然、能够用于特征数据的提取。该设置的好处在于首先将环境光照强度调整至预设光强范围后再进行第一次图像采集，减少无用图像的采集，并且，在采集图像后对图像的可用性进行判断，相比于传统的直接将采集的图像用于数据提取，该设置能够判断出不可用于数据提取的图像，并调整环境因素，使得最终采集的图像清晰自然，基于采集图像的准确性，后续通过该图像提取的特征数据的可靠性得到保证。

3.本发明通过检测采集的图像中的目标区域的清晰度和亮度值判断图像的可用性，这样设置的原因是，根据不同的试验需要，例如，提取叶片面积、提取叶片病斑、提取果实颜色等不同的试验目的，图像的可用性的标准不同，当试验目的为提取果实颜色时，若采集的图像中的果实所在的目标区域的清晰度和/或亮度值处于预设范围，而图像中的其他部位所在区域无论清晰与否，均不会影响数据提取，因此，只需要目标区域的清晰度和/或亮度值处于预设范围即可达到目的。与现有技术相比，本发明利用补光单元和遮光单元的高度和/或倾斜度的调节对图像中的目标区域所对应的植物部位所处环境的光照强度进行调节，有针对性地调节植物特定部位的光照强度，有效减少了无用图像采集的次数，现有技术中通常是整体调节补光单元的亮度来采集图像，例如，采集的图像显示为曝光不足，增加补光单元的光照强度，由于补光单元的投射距离或投射角度的影响，采集图像中的部分区域可能呈现出一部分为正常亮度，另一部分曝光过度，图像的可靠度不高，增加采集图像的次数，浪费科研资源。

4.本发明的技术方案适用于育种设备。在作物的生长阶段，需要持续监测其生长情况。现有技术通常利用图像采集设备获取作物的生长状况，但是由于外部环境的影响，采集的图像在一些情况下并不能反映作物真实的生长情况，进而错过采取相应措施的最佳时间。例如，植物感染病害初期未对其采取相应措施时，后期作物生长速度减缓，甚至出现死亡，即使作物长出果实，果实的品质也是比较差的，不满足市场需求。而本发明提供的技术方案能够获得作物生长过程中的精确监测结果以及时发现不良状况，减少了作物发育途中的意外情况的发生，育种效率提高且育种周期缩短。

在当前农业背景下，食物系统转型升级，粮食需求强劲，加速育种尤其重要。在保证育种设备中的作物的各生长阶段均处于最适条件的基础上，可获得作物最快成熟的极限。加速育种在保障国家粮食安全具有巨大的发展潜力。此外，在非可耕地、荒漠、戈壁甚至在太空等特殊空间中，将本发明提供的技术方案应用于育种设备能够在育种中发挥巨大作用。

附图说明

图1是本发明提供的一种优选实施方式的研判系统的简化模块连接关系示意图；

图2是本发明提供的一种优选实施方式的研判系统的结构示意图。

附图标记列表

100：检测模块；110：光检测单元；120：高度检测单元；200：控制模块；210：第一判断单元；220：第二判断单元；300：功能输出模块；310：补光单元；320：遮光单元；400：图像采集模块。

具体实施方式

下面结合附图1～2进行详细说明。

预设光照强度范围指采集图像时能够客观反映植物组织生长状况的光照强度范围，即在预设光照强度范围的背景下，采集的植物的图像能够客观还原植物的生长状况。客观还原植物组织生长状况指采集的图像所反映的植物组织生长状况与植物实际生长状况相一致，不会因为外部环境(光照强度、光照角度等)的影响使得提取特征数据时产生与植物实际生长状况不相符的结果。特征数据指能够反映植物的生长状况和组织特征的表型数据信息。标准阈值指判断图像中的目标区域为模糊或是清晰的参考值。

实施例1

如图1～2所示的植物组织生长状况的研判系统，包含：检测模块100，用于检测植物所处环境的光照强度；功能输出模块300，用于调节环境的光照强度；图像采集模块400，用于采集植物的图像；以及控制模块200，其分别与检测模块100、功能输出模块300和图像采集模块400通讯连接。优选地，控制模块200与检测模块100、功能输出模块300和图像采集模块400的连接方式为无线连接、蓝牙连接。当所述检测模块100检测到所述环境的光照强度超过或低于能够真实反映植物组织生长状况的预设光照强度范围，所述控制模块200控制所述功能输出模块300调节所述环境的光照强度至预设光照强度范围内并控制所述图像采集模块400开启工作，其中，所述控制模块200被配置为：判断所述图像的质量等级，控制所述功能输出模块300调节所述环境的光照强度以使得所述图像采集模块400获取到清晰的图像。

优选地，图像采集模块400启动前，当所述光照强度低于所述预设光照强度范围的下限时，所述控制模块200生成第一判断结果并输出第一控制信号，基于所述第一控制信号，所述功能输出模块300增加光照强度至植物所处环境的光照强度处于预设光照强度范围；

当所述光照强度超过所述预设光照强度范围的上限时，所述控制模块200生成第二判断结果并输出第二控制信号，基于所述第二控制信号，所述功能调节模块减少光照强度至植物所处环境的光照强度处于预设光照强度范围；

当所述光照强度处于预设光照强度范围内时，所述控制模块200生成第三判断结果，并输出第三控制信号以控制所述图像采集模块400开启工作。

优选地，所述控制模块200设置有用于对采集的图像进行模糊判断的第一判断单元210和判断图像质量等级的第二判断单元220，其中，

当所述图像被判断为模糊时，所述第二判断单元220开启工作。

优选地，所述系统还包括用于获取反映所述植物生长状况的特征数据的数据处理模块，所述控制模块200被配置为：

当所述图像被判断为第一质量等级，控制所述数据处理模块开启工作以提取所述植物的特征数据；

当所述图像被判断为第二质量等级，控制所述功能输出模块300增加光照强度至所述图像的亮度值达到第一质量等级，数据处理模块开启工作；

当所述图像被判断为第三质量等级，控制所述功能输出模块300降低光照强度至所述图像的亮度值达到第一质量等级，数据处理模块开启工作。

优选地，所述功能输出模块300包括增加所述环境的光照强度的补光单元310和减少所述环境的光照强度的遮光单元320，其中，

所述补光单元310通过调节其高度以改变其向植株投放光线的角度和光照强度；

所述遮光单元320通过调节其相对所述植物高度方向的倾斜度和/或高度的方式使植物所处环境的光照强度处于预设光照强度范围内。

优选地，所述检测模块100包括检测所述环境的光照强度的光检测单元110和检测高度的高度检测单元120，其中，

当所述补光单元310低于补光植物的高度时，所述补光单元310升高至高于所述补光植物的第一位置，以满足所述补光植物的补光要求。

优选地，所述第一判断单元210设置为判断所述目标区域为模糊或清晰。

优选地，所述第二判断单元220通过提取所述目标区域的亮度值以判断所述图像的质量等级。

优选地，控制模块200能够为处理器、单片机。

优选地，所述光检测单元110为环境光探测器或环境光传感器。例如，光检测单元110能够为NHZD203T光照度传感器探头、YG-SR1型无线环境光探测器。

优选地，高度检测单元120为高度检测传感器或激光测距仪。例如，高度检测单元120能够为MSE-D150型激光测距传感器。

优选地，图像采集模块400、补光单元310、遮光单元320、光检测单元110、高度检测单元120通过导轨安装在植物周围的合适位置。优选地，图像采集模块400能够在导轨上改变其采集位点以采集不同角度的植物的图像，减少前期采集数据的误差。根据一种优选实施方式，图像采集单元能够环绕植物进行图像采集。

通常补光单元310安装于植物顶部以使灯光能够均匀地照射到植物的各个部位。因此，本实施例将光检测单元110设置在植物顶部的正中部，保证光检测单元110测量结果的可靠性。优选地，高度检测单元120与控制模块200通讯连接。高度检测单元120检测植物的生长高度，并将生成的高度数据发送至控制模块200，基于植物的高度，控制模块200控制光检测单元110处于植物的正上方的中心并距离植物顶部α的位置。补光单元310与植物顶部之间保持适当的距离以避免照射过度，通常距离为50～100cm。优选地，α能够为10cm、15cm、20cm。光检测单元110距离植物顶部α太大或太小均会影响检测结果，进而导致控制模块200的判断结果不准确，合适的α能够保证光检测单元110检测结果的可用性。优选地，补光单元310通过调节其高度以改变其向植株投放光线的角度和光照强度。以番茄的生长为例，当高度检测单元120检测到番茄株高为50cm，高度检测单元120将该数据发送至控制模块200，控制模块200调整光检测单元110至番茄植株的正上方的中心并距离植物顶部10cm的位置。当光检测单元110处于该位置时，其能够均匀地接收番茄所处环境中来自各个方向的光照强度。优选地，所述补光单元310能够为补光灯。如LED补光灯。

优选地，高度检测单元120与补光单元310配合以获得补光单元310的高度，进而控制补光单元310与植株顶部之间的距离。优选地，高度检测单元120与遮光单元320配合以获得遮光单元320的高度，进而控制遮光单元320与光源之间的距离。优选地，高度检测单元120与图像采集模块400配合以控制图像采集模块400与植物之间的距离。优选地，图像采集模块400设置于植物的正上方。优选地，图像采集模块400与植物顶部之间的距离设置为β。优选地，β能够为10cm、15cm、20cm、25cm。

根据一种优选实施方式，图像采集模块400在导轨上是可移动的。优选地，图像采集模块400为单株采集模式，即对每一植株单独采集。优选地，图像采集模块400为区域采集模式，即对每一区域种植的植株进行采集，该图像包括一个区域中的植株。本实施例设置的高度检测单元120能够检测植株高度、补光单元310高度、遮光单元320、图像采集模块400高度，将图像采集模块400的高度控制在距离植株顶部β的位置，即图像采集模块400从一个植株/一个区域的顶部移动到下一个植株/下一个区域的顶部后，图像采集模块400距离植株顶部的距离β保持一致。

当图像采集模块400进行单株采集时，由于个体差异，不同植株的高度不同，例如，栽种区域中有的水稻40cm，有的水稻30cm、有的水稻50cm，在进行图像采集时，需要保证图像采集模块400与植株顶部之间的距离相等，因此，通过高度检测单元120检测植株的高度后，图像采集模块400距离植株顶部的距离β保持一致。即在第一株株高为40cm的水稻拍摄完成后，此时图像采集模块400的高度为50cm，当图像采集模块400移动至另一株株高为30cm的水稻后，图像采集模块400的高度调整至40cm。

当环境中光照不足时，自植物的顶部位置进行补光是图像采集模块400采集植物图像的较好位置。由于光照的距离的影响，不同植物高度需要适应不同的光照距离，例如，成熟期水稻高60cm，为了能够使补光灯能够照射植物的全貌，在补光灯的光照强度为300Lux时，补光灯高度需要在70cm，使得其与60cm高的水稻顶部之间相差10cm，从而保证该流明下的补光灯能够满足补光需求。

优选地，光检测单元110与控制模块200通讯连接。光检测单元110调整至合适位置后开启工作。光检测单元110采集植物所处的环境的光照强度并生成相应的光照强度数据。光检测单元110将光照强度数据发送至控制模块200。控制模块200将接收的光照强度数据与预设光照强度范围进行比较分析。

以番茄生长为例进行说明。优选地，预设光强范围设置为40000～50000Lux。在该光照强度范围条件下，理论上采集的图像能够客观反映番茄植株的真实生长状况，如番茄植株的叶片大小、叶片颜色、果实大小、果实颜色等。当光检测单元110检测到环境中的光照强度为20000Lux，控制模块200生成光照强度小于预设光照强度范围的下限40000Lux的第一判断结果并生成第一控制信号，第一控制信号为进行补光以增加环境的光照强度的相关操作。根据一种优选实施方式，功能输出模块300包括增加环境的光照强度的补光单元310和减少环境的光照强度的遮光单元320。

优选地，补光单元310的高度和角度设置为可调节的，以控制环境中的光照强度。

控制模块200将第一控制信号发送至功能输出模块300。优选地，控制模块200与补光单元310通讯连接。控制模块200将第一控制信号发送至补光单元310。补光单元310接收第一控制信号后增加其光照强度，使得环境的光照强度处于预设光照强度范围。

当控制模块200生成光照强度超过预设光照强度范围的上限的第二判断结果时，控制模块200输出第二控制信号，基于第二控制信号，功能调节模块减少光照强度至植物所处环境的光照强度处于预设光照强度范围。高度检测单元120开启工作。控制模块200接收高度检测单元120的检测结果后控制遮光单元320进行高度调节。优选地，遮光单元320的高度调节至高于所述植物的第二位置。例如，当光检测单元110检测到环境中的光照强度为90000Lux，控制模块200生成光照强度超过预设光照强度范围的上限50000Lux的第二判断结果并生成第二控制信号，第二控制信号为进行遮光以降低环境的光照强度的相关操作。优选地，控制模块200与遮光单元320通讯连接。控制模块200将第二控制信号发送至遮光单元320。优选地，所述遮光单元320至少包括遮光板和角度调节机构。

优选地，所述遮光单元320通过调节其相对所述植物高度方向的倾斜度和/或高度的方式使植物所处环境的光照强度处于预设光照强度范围内。遮光单元320接收第二控制信号后首先通过调节角度调节机构来改变遮光板的倾斜度。例如，遮光板的初始倾斜度为20°，由于光照强度过大，在该光照强度条件下采集的图像不能反映植物组织生长的真实状况，将遮光板由初始倾斜度20°调整为45°，环境光照强度处于预设光照强度范围40000～50000Lux。

优选地，当遮光单元320调节至其最大倾斜度而环境光照强度仍超过预设光照强度范围的上限时，遮光单元320能够增加高度以增加遮光范围，从而使得环境光照强度处于预设光照强度范围。当遮光板由初始倾斜度20°调整至90°，即遮光板所在平面与植物主体的横截面平行，环境的光照强度仍超过预设光照强度范围40000～50000Lux，则增加遮光板的高度，使得遮光板朝向光源的方向移动，以增加其遮光范围，进而将环境光照强度控制在预设光照强度范围内。例如，遮光板的倾斜度达到最大后，环境的光照强度为55000Lux，仍超过预设光照强度范围的上限50000Lux，此时增加遮光板的高度，使其朝向光源的方向移动15cm后，环境的光照强度处于预设光照强度范围内。

随着植物的生长进程，植株的高度会增加。优选地，当补光单元310低于补光植物的高度时，补光单元310升高至高于所述补光植物的第一位置，以满足所述补光植物的补光要求。例如，番茄植株在30cm时，补光单元310设置在距离番茄植株顶部50cm的位置，当番茄植株成长至60cm，此时补光单元310距离植株的顶部20cm，补光单元310对植株的光线强度增加，可能会灼伤植株，因此，需要将补光单元310升高至高于植物的第一位置。第一位置为补光单元310能够提供适合于植物生长的光照强度的位置。

优选地，遮光单元320的高度高于图像采集模块400的高度。

当控制模块200生成光照强度处于预设光照强度范围内的第三判断结果时，控制模块200输出第三控制信号以控制图像采集模块400开启工作。优选地，图像采集模块400能够为相机、图像传感器。

优选地，图像采集模块400在导轨上具有至少一个采集位点。优选地，所述控制模块200基于图像分辨率以判断图像的质量等级。优选地，图像的质量等级通过图像的曝光程度来划分。具体地，本实施例中曝光程度指采集的图像的明暗程度。优选地，图像的质量等级通过图像的亮度值来划分。

优选地，质量等级包括第一质量等级、第二质量等级和第三质量等级。

优选地，第一质量等级指采集的图像中的目标植物清晰，即第一质量等级为适度曝光，第一质量等级的图像能够客观还原目标植物的真实的生长状况及组织特征，能够通过该图像提取目标植物的准确的特征数据。

优选地，第二质量等级指采集的图像中的目标植物太暗，即第二质量等级为曝光不足，无法提取目标植物的准确的特征数据。

优选地，第三质量等级指采集的图像中的目标植物太亮，即第三质量等级为曝光过度，无法提取目标植物的准确的特征数据。

研判系统还包括用于获取反映所述植物生长状况的特征数据的数据处理模块，所述控制模块200被配置为：

当所述图像被判断为第一质量等级，控制所述数据处理模块开启工作以提取所述植物的特征数据；

当所述图像被判断为第二质量等级，控制所述补光单元310的光照强度至所述图像的亮度值达到第一质量等级，数据处理模块开启工作；

当所述图像被判断为第三质量等级，控制所述遮光单元320的倾斜度和/或高度以调整光照强度至所述图像的亮度值达到第一质量等级，数据处理模块开启工作。

优选地，控制模块200与数据处理模块通讯连接。在环境的光照强度处于预设光强范围的条件下，图像采集模块400采集植物的第一张图像并发送至所述控制模块200。优选地，控制模块200设置有第一判断单元210。第一判断单元210用于对采集的图像中的目标区域进行模糊判断。由于本实施例中需要提取的是图像中的目标植物中符合试验需求的植物部位所处的目标区域的特征数据，因此只需要判断图像中的目标区域是否为清晰即可，优选地，所述目标区域为用于特征数据提取的区域。

优选地，第一判断单元210对采集的图像中的目标区域进行清晰度判断的方法包括以下步骤：提取图像中的目标区域的边缘区域的特征；检测目标区域的边缘区域特征进行水平方向和垂直方向分组；将边缘线段划分为特定的长度的线段；进行边缘宽度的计算并获取边缘的平均宽度；根据设定的标准阈值来判断图像中的目标区域为模糊或是清晰。当边缘宽度大于标准阈值，则目标区域为模糊；当边缘宽度为标准阈值，则目标区域为清晰，当图像中的目标区域为清晰时，可使用该图像进行特征数据提取。优选地，清晰度由边缘宽度表征。

优选地，控制模块200设置有第二判断单元220以采集目标区域的亮度值，进而判断图像的质量等级。

当图像的目标区域被判断为模糊时，第二判断单元220通过采集图像的目标区域的亮度值以分析图像的质量等级，进而找出图像模糊的原因。

优选地，第二判断单元220通过提取图像的目标区域的像素信息生成亮度值。具体地，目标区域指图像中待提取特征数据的区域。本实施例中目标区域指图像中目标植物所在区域。

优选地，判断单元将生成的亮度值与亮度值有效范围进行比较得到亮度值判断结果。例如，使用256灰阶作为判断标准，亮度值的范围为0～255。优选地，将亮度值有效范围设置为30～230。优选地，处于30～230的有效范围内的图像被判断为第一质量等级，第一质量等级的图像能够触发数据处理模块开启工作以提取目标植物的特征数据。优选地，处于230～255的亮度范围的图像被判断为第二质量等级。第二质量等级的图像太暗，无法用于提取准确的特征数据。当图像被判断为第二质量等级时，数据处理模块不开启工作，控制模块200控制补光单元310增加光照强度，以使得采集的图像达到第一质量等级。优选地，所述控制模块200通过降低所述补光单元310的高度、降低所述遮光单元320的高度或减小所述遮光单元320的倾斜度的方式减小目标区域的亮度值。当图像达到第一质量等级后，数据处理模块开启工作，提取该图像中目标植物的特征数据。需要说明的是，通过亮度值划分图像的质量等级仅为本实施例提供的一种示例，并且，上述内容列举的亮度值范围仅为一种示例，可根据实际需求改变取值范围。

优选地，处于0～30的亮度范围的图像被判断为第三质量等级。第三质量等级的图像太亮，无法用于提取准确的特征数据。当图像被判断为第三质量等级时，数据处理模块不开启工作，控制模块200控制遮光单元320的倾斜度和/或高度，以使得采集的图像达到第一质量等级。优选地，控制模块200增加补光单元310的高度、增加遮光单元320的高度或增加所述遮光单元320的倾斜度以增加目标区域的亮度值。当图像达到第一质量等级后，数据处理模块开启工作，提取该图像中目标植物的特征数据。遮光单元320的倾斜度和高度的调整方法已在前述内容进行说明，此处不再赘述，需要理解的是，遮光板的倾斜度的调整能够改变照射或反射在目标植物上的光线强度，根据需求调整其倾斜度；遮光板朝向光源方向移动能够增加遮光范围，反之，遮光板朝向远离光源方向移动能够减少遮光范围。本实施例中只有当采集的图像为第一质量等级时，数据处理模块才开启工作，这样设置的优点在于：保证前期采集的图像的准确性，即采集的图像能够客观还原目标植物的生长状况和组织特征，进而保证后期经过数据处理模块提取的特征数据的可靠性，因此，能够通过可靠的特征数据对植物的生长状况进行判断，避免出现误判后，未及时采取相应措施而造成巨大损失。

根据一种优选实施方式，数据处理模块获取的植物的特征数据包括植株高度、叶面积、叶片颜色、茎颜色、花朵形态、花朵颜色、果实颜色、叶绿素水平、叶片氮素水平中的一种或多种。优选地，图像采集模块400能够为多光谱照相机、多色谱相机、RGB-D相机等。优选地，数据处理模块能够通过多光谱照相机采集的图像获得不同光谱带，进而提取植物的叶绿素信息。优选地，数据处理模块通过图像中叶片颜色判断叶绿素含量信息和氮素含量信息。传统的植物的养分检测通常是在实验室中利用各种化学试剂和仪器进行检测的，花费时间较多，不能在短时间内得到检测结果，而本实施例提供的方法能够实时对植物的营养状态进行检测并得到相应结果。优选地，数据处理模块通过AI和图像处理技术来分析采集的图像。就表观特征分析而言，叶片发黄表明植物缺乏养分；叶片浓绿表明植物营养充足，因此，本实施例能够通过颜色这一特征对植物养分进行分析。例如，数据处理模块提取图像中的植物叶片颜色后，将提取的叶片颜色通过转化得到具体表征数值，将该数值与标准指标进行运算后得到叶绿素含量和氮素含量。具体地，对图像的叶片进行特征提取，其中，特征包括边界特征、颜色特征、纹理特征等，通过数据处理模块中的算法将实际叶片特征与标准指标进行运算后得到叶片特征向量，再计算出SPAD值叶绿素含量或氮素含量。

例如，获取植物的叶片面积的方法包括以下步骤：图像采集模块400采集第一图像后发送至控制模块200，当第一判断单元210获取的第一图像中的叶片所处的目标区域的清晰度大于标准阈值，第二判断单元220开启工作获取叶片所处的目标区域的亮度值，当目标区域的亮度值超过230时，控制模块200降低补光单元310相对于第一图像中叶片所处目标区域对应的植物部位的高度，例如，从原始的距离植物叶片50cm处降低至距离叶片30cm，增加该部位的光照强度，以使得图像采集模块400采集的第二图像中的目标区域的亮度值处于有效范围，进而保证第二图像能够用于特征数据的提取。优选地，增加植物特定部位的光照强度的方式还包括降低遮光板的高度，遮光板距离光源越近，投射到植物的光线越少。优选地，增加植物特定部位的光照强度的方式还包括增大遮光板相对于植物生长的横截面所在平面的倾斜度。遮光板的倾斜度越小，投射到植物的光线越多，例如，遮光板相对于植物的叶片的倾斜度大，导致第一图像中叶片所在区域的亮度值过大，此时增大遮光板相对于植物生长的横截面所在平面的倾斜度，例如，从原始的20°增加到50°。优选地，当目标区域的亮度值小于30时，采用相反的措施可调整亮度值至有效范围。

当叶面目标区域的亮度值处于有效范围时，数据处理模块提取叶片面积。优选地，叶片面积的提取方法包括网格测面积法、matlab法等，在此以网格测面积法为例，将叶片图像投至9mm×9mm的参照网格上，获取叶片所占参照网格的空格数，例如，参照网格的面积为81mm²，叶片占据49格空格，即为49mm²。

本实施例还提供一种植物组织生长状况的研判方法，包括以下步骤：

检测植物所处环境的光照强度；调节所述环境的光照强度至能够客观反映植物组织生长状况的预设光照强度范围；采集所述植物的第一图像；判断所述第一图像的符合试验需求的用于提取特征数据的部位所处的目标区域的清晰度；当所述目标区域的清晰度大于标准范围时，控制植物的所述部位所处环境的光照强度以获得能够用于特征数据提取的第二图像；提取所述植物的特征数据。

需要注意的是，上述具体实施例是示例性的，本领域技术人员可以在本发明公开内容的启发下想出各种解决方案，而这些解决方案也都属于本发明的公开范围并落入本发明的保护范围之内。本领域技术人员应该明白，本发明说明书及其附图均为说明性而并非构成对权利要求的限制。本发明的保护范围由权利要求及其等同物限定。本发明说明书包含多项发明构思，诸如“优选地”、“根据一个优选实施方式”或“可选地”均表示相应段落公开了一个独立的构思，申请人保留根据每项发明构思提出分案申请的权利。在全文中，“优选地”所引导的特征仅为一种可选方式，不应理解为必须设置，故此申请人保留随时放弃或删除相关优选特征之权利。

Claims (10)

1.植物组织生长状况的研判系统，包含：

检测模块(100)，用于检测植物所处环境的第一光照强度；

以及与所述检测模块(100)通讯连接的控制模块(200)，其特征在于，

当所述检测模块(100)检测到所述环境的第一光照强度超过或低于能够客观还原植物组织生长状况的预设光照强度范围时，所述控制模块(200)调节所述环境的第一光照强度至预设光照强度范围内并采集所述植物的第一图像，其中，

所述控制模块(200)被配置为：

当所述第一图像中的符合试验需求的用于提取特征数据的部位的清晰度大于标准阈值时，调节所述部位的所处环境的第二光照强度，进而获得能够用于特征数据提取的第二图像。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统包括具有补光单元(310)和遮光单元(320)的功能输出模块(300)，其中，

所述补光单元(310)通过调节其高度以改变向植株的符合试验需求的用于提取特征数据的部位所处环境投放光线的角度和第二光照强度；

所述遮光单元(320)通过调节其相对所述植物高度方向的倾斜度和/或高度的方式改变植物的所述部位所处环境的第二光照强度。

3.根据权利要求1或2所述的系统，其特征在于，当所述第一图像中的所述植物的符合试验需求的用于提取特征数据的部位所处的目标区域的清晰度大于所述标准阈值时，所述控制模块(200)控制所述功能输出模块(300)的高度或倾斜度以获取所述第二图像。

4.根据权利要求1～3任一项所述的系统，其特征在于，所述控制模块(200)包括获取所述目标区域的清晰度的第一判断单元(210)和获取所述目标区域的亮度值的第二判断单元(220)，其中，当所述第一判断单元(210)获取的所述目标区域的清晰度大于所述标准阈值时，所述第二判断单元(220)获取所述目标区域的亮度值。

5.根据权利要求1～4任一项所述的系统，其特征在于，基于所述第一图像中的目标区域的清晰度大于所述标准阈值，所述控制模块(200)获取所述目标区域的亮度值以获得所述目标区域处于曝光过度或曝光不足的结果。

6.根据权利要求1～5任一项所述的系统，其特征在于，当所述目标区域的亮度值超过能够反映植物生长状态的有效范围的最大值时，所述控制模块(200)通过降低所述补光单元(310)的高度、降低所述遮光单元(320)的高度或减小所述遮光单元(320)的倾斜度的方式减小所述目标区域的亮度值，进而获得用于特征数据提取的第二图像。

7.根据权利要求1～6任一项所述的系统，其特征在于，当所述目标区域的亮度值低于能够反映植物生长状态的有效范围的最小值时，所述控制模块(200)通过增加所述补光单元(310)的高度、增加所述遮光单元(320)的高度或增大所述遮光单元(320)的倾斜度的方式增加所述目标区域的亮度值，进而获得用于特征数据提取的第二图像。

8.根据权利要求1～7任一项所述的系统，其特征在于，所述系统还包括用于所述特征数据提取的数据处理模块，其中，

当获得所述第二图像时，所述数据处理模块提取所述目标区域中的特征数据。

9.根据权利要求1～8任一项所述的系统，其特征在于，所述数据处理模块获取的所述植物的特征数据包括：植株高度、叶面积、叶片颜色、茎颜色、花朵形态、花朵颜色、果实颜色、叶绿素水平、叶片氮素水平中的一种或多种。

10.植物组织生长状况的研判方法，其特征在于，包括以下步骤：

检测植物所处环境的第一光照强度；

调节所述环境的第一光照强度至能够客观反映植物组织生长状况的预设光照强度范围；

采集所述植物的第一图像；

判断所述第一图像的符合试验需求的用于提取特征数据的部位所处的目标区域的清晰度；

当所述目标区域的清晰度大于标准范围时，控制植物的所述部位所处环境的光照强度以获得能够用于特征数据提取的第二图像；

提取所述植物的特征数据。