作物覆蓋度自動在線觀測方法及裝置的製作方法
2023-05-22 04:28:36 1
專利名稱：作物覆蓋度自動在線觀測方法及裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及ー種作物覆蓋度自動在線觀測方法及裝置，適用於對小麥及玉米作物覆蓋度的在線觀測。
背景技術：
作物覆蓋度是環境對作物生長影響的綜合作用結果，是作物生長的重要參數，通 過覆蓋度的變化可實時了解作物發育進展及長勢變化情況，對分析作物生長情況、評價氣象對作物的影響、開展作物產量估產及抗災防災，保障糧食安全具有重要意義；同時，作物覆蓋度可為作物遙感長勢監測驗證資料之一。目前，進行作物覆蓋度的測定通常採用人工方法，此方法費時費力，難於對作物進行實時性連續觀測，且造成觀測上的較大誤差，資料時效性和可比性較差。現在也有代替人工觀測的裝置，但其不能全部實現自動化，不能實時在線地自動給出作物的覆蓋度。
發明內容
本發明的目的在於提供ー種適用於對小麥及玉米作物覆蓋度自動在線觀測方法及作物覆蓋度自動在線觀測裝置。本發明是這樣實現的，ー種作物覆蓋度自動在線觀測方法，包括以下步驟
通過放置在田間觀測區域的圖像採集器採集作物的前下視圖像，並通過農田小氣候採集器採集影響所述作物圖像獲取的天氣數據，並將所述前下視圖像及天氣數據通過網絡傳輸到數據處理中心；
通過所述的圖像採集器採集作物標定圖像並傳輸到所述的數據處理中心；
所述數據處理中心根據所述的標定圖像對所述前下視圖像進行正下視圖像變換、對轉換後的正下視圖像進行去光照影響及去噪處理，確定圖像覆蓋度樣本區，並根據所述天氣數據進行質量控制，然後給出作物覆蓋度Ccp ；
計算公式Ccp=CC/A，其中CC為正下視圖像中的作物像素總和，A為正下視圖像的像素總和。所述的通過所述的圖像採集器採集作物標定圖像的方法是
將標定板放置於所述的田間觀測區域；
通過所述的圖像採集器採集所述標定板水平放置於所述的田間觀測區域地面及任意高度、角度情況下的作物標定圖像。所述的數據處理中心根據所述的標定圖像對所述前下視標定圖像進行正下視圖像變換的方法是
根據所述標定圖像獲取所述圖像採集器的焦距和傾斜角度參數；
根據所述的焦距和傾斜角度參數將所述前下視圖像轉換成正下視圖像。所述的去光照的影響的方法是1)、獲取正下視圖像中作物與背景的像素的亮度與色度，統計出每ー個亮度下作物與背景的像素信息對應的色度信息；
2)、將作物色度信息作為正樣本，背景色度信息作為負樣本，訓練出在各個亮度下的分類器；
3)利用所述分類器，對作物圖像中的像素進行分類，從所述作物正下視圖像的分類像素中提取能抗光照變化的作物圖像信息。所述的去噪處理的步驟包括
將經去光照影響處理後獲取的作物圖像信息作為掩碼 根據所述正下視圖像中連通域的特點分別對紅、緑、藍三個通道進行降噪處理；
通過所述掩碼圖與降噪後的三個通道集成，提取處理後的圖像中作物像素信息。所述確定圖像覆蓋度樣本區的方法是
根據試驗資料分析獲取的作物正下視圖像覆蓋度計算值與樣本量的大小，確定獲取作物正下視圖像中參與計算覆蓋度的區域。本發明的目的還在於提供ー種作物覆蓋度自動在線觀測裝置，所述觀測裝置包括圖像數據採集単元、通訊傳輸単元及數據處理中心；所述圖像數據採集単元包括農田小氣候採集器、圖像採集器、視頻監控器；所述圖像採集器、視頻監控器和農田小氣候採集器分別安裝在兩個觀測架上，所述觀測架均固定於作物觀測區域的地面上；所述農田小氣候採集器、圖像採集器、視頻監控器通過所述通訊傳輸単元與所述數據處理中心連接通信。所述作物覆蓋度自動在線觀測裝置在觀測矮杆作物時其安裝位置不低於3米，觀測高杆作物時其安裝位置不低於4米。本發明與通過連續實時觀測採集作物圖像及影響作物圖像獲取的災害性天氣數據，通過數據處理中心對圖像正下視區進行校正、排除噪聲對作物圖像獲取的影響及光照對提取作物信息的影響處理，選取計算覆蓋度需要的圖像樣本區，再通過獲取的災害性天氣數據對獲取的圖像質量控制後自動在線給出作物的覆蓋度，從而使在線獲得作物覆蓋度更加精確。
圖I是本發明實施例提供的自動觀測裝置的結構示意圖。圖2是本發明實施例提供的自動觀測裝置的圖像採集原理示意圖。圖3為圖像採集器採集的作物前下視圖像。圖4是圖3所示的圖像經過正下視圖像轉換後得到的作物正下視圖像。圖5是圖4所示的正下視圖像中樣本區的確定方法示意圖。
具體實施例方式為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖，對本發明進行進ー步詳細說明 。本發明通過固定安裝在田間的自動觀測裝置及農田小氣候採集器，定時採集作物圖像數據以及影響作物圖像獲取的天氣數據，通過遠程傳輸到業務終端的數據處理単元，經數據處理單元按預置程序系列處理和質量控制，實時形成作物的覆蓋度。
參見圖I所示，所述的自動觀測裝置包括圖像數據採集単元、通訊傳輸単元及數據處理中心；所述圖像數據採集単元包括農田小氣候採集器、圖像採集器、視頻監控器；所述農田小氣候採集器、圖像採集器與視頻監控器分別安裝在兩個觀測架上，所述觀測架均固定於作物觀測區域的地面上；所述農田小氣候採集器、圖像採集器、視頻監控器通過所述通訊傳輸単元與所述數據處理中心連接通信。所述的視頻監控器用於監測農田的環境，所述的圖像採集器用於採集作物的前下視像；所述的農田小氣候採集器用於採集作物冠層上風方向、風速、氣溫、溼度以及雨量等資料，用於作物覆蓋度計算的質量控制依據。所述通訊傳輸單元採用wifi及3G網絡傳輸或寬帶網絡傳輸，電源採用市電和太陽能兩種方式，在所述的觀測架均布設有防雷設施。所述的圖像採集器採用CXD相機。利用CXD傳感器的可程控特性，通過加入傳輸和控制技術，針對被測作物的生長信息，根據預置時間或遠程發出的指令，自動拍攝並上傳圖像，自動按標準格式記錄各項拍攝參數，從而實現農作物圖像的自動採集。本發明所述的觀測裝置須固定安裝在作物田地裡，根據計算樣本代表性的需要，要求矮杆作物地段安裝高度不低於3米，高杆作物地段安裝高度不低於4米。本發明所述的作物覆蓋度自動在線觀測方法，包括以下步驟
通過放置在田間觀測區域的圖像採集器採集作物的前下視標定圖像，並通過農田小氣候採集器採集影響所述作物圖像獲取的天氣數據；
將所述前下視圖像及天氣數據通過網絡傳輸到數據處理中心；
通過所述的圖像採集器採集作物標定圖像並傳輸到所述的數據處理中心；
所述數據處理中心根據所述的標定圖像對所述前下視圖像進行正下視圖像轉換、對正下視圖轉換的圖像進行去光照影響處理、去噪處理，確定圖像覆蓋度樣本區，井根據所述天氣數據進行質量控制，然後給出作物覆蓋度Ccp ；
計算公式Ccp=CC/A，其中CC為正下視處理後的圖像中圖像中的作物像素總和，A為正下視圖像的像素總和。本發明實施例中，通過放置在田間觀測區域的圖像採集器採集作物標定圖像的方法是
1)將所述的圖像採集器的標定板放置於所述的田間觀測區域；
標定板為黑白相間的棋盤格樣式，尺寸為9*10格，其中每格為邊長為10釐米的正方形，標定板要求厚度均勻，表面儘可能平整且在光照強烈的情況下反光不明顯；
2)採集所述標定板水平放置於所述的田間觀測區域地面及任意高度、角度情況下的作物前下視標定圖像。將標定板放置在自動觀測區域後，通過所述的圖像採集器對其進行拍攝獲取作物的前下視標定圖像。標定圖像獲取數量為25張，其中5張圖像為將標定板水平放置於地面進行拍攝的圖像，20張圖片為標定板在任意高度、角度的情況下進行拍攝的圖像；
本發明實施例中，所述的數據處理中心根據所述的標定圖像對所述前下視圖像進行正下視圖像變換的方法是1)、根據所述標定圖像獲取所述圖像採集器(相機)的焦距和傾斜角度參數；
拍攝到標定圖像後，利用拍攝到的標定圖像，分別記錄標定板棋盤格角點在標定圖
像中的坐標以及世界坐標，通過建立方程組，求解出圖像採集器的焦距參數與傾斜角度參數；
2)根據所述焦距和傾斜角度參數將所述的前下視標定圖像轉換成正下視圖像。經正下視圖像變換後圖像才可作為參與計算覆蓋度的作物圖像。經過正下視圖像變換後的圖像才是真正的作物的正下視圖像，為下一歩精確計算作物的覆蓋度打下了基礎所述的圖像採集器採集作物的圖像的原理如圖2所示。圖2中I為圖像採集器，2為圖像採集器的圖像採集區。進行正下視圖像變換前後的圖像分別如圖3、4所示。本發明實施例中，對正下視圖像在不同光照條件下剔除光照對作物提取的影響的步驟如下
1)、獲取正下視圖像中作物與背景的像素的亮度(L)與色度(a和b)，統計出每ー個亮度(L)下作物與背景的像素信息對應的色度信息(a和b)；
2)、將作物色度信息作為正樣本，背景色度信息作為負樣本，訓練出在各個亮度下的分類器CL，L屬於(0，100);
3)利用所述分類器4，對作物正下視圖像中的像素進行分類，從所述作物正下視圖像的分類像素中提取能抗光照變化的作物圖像信息。剔除正下視圖像中的噪聲主要是剔除田間隨時出現的雜草、雜物、陰影、標杆等影響作物圖像提取的噪聲。本發明實施例中，所述進行去噪處理的步驟包括
首先將經去光照影響處理後獲取的作物圖像信息，作為掩碼 根據所述作物正下視圖像中連通域的特點分別對紅、緑、藍三個通道進行降噪處理，剔除小的幹擾連通域；
通過所述掩碼圖與經降噪處理後的三個通道集成，提取處理後的圖像中作物像素信息，作為計算覆蓋度的作物像素信息。如圖5所示，本發明實施例中，通過對最初獲取的作物圖像進行正下視處理後，選取處理後圖像中不同區域A1、A2、A3、A4 (代表不同樣本區)計算其覆蓋度和樣本量的大小，在給定代表樣本區的範圍後，也就確定了參與計算覆蓋度的區域。由於獲取的經過正下視圖像變換的作物圖像中，邊緣圖像存在畸變，影響了覆蓋度精度，若僅選取變換後的正下視圖像中正下方樣本區計算覆蓋度，樣本區代表性不夠。所以應通過分析選取圖像中不同樣樣本區的覆蓋度，不同的區域對應著田塊的實際面積，實際面積太小，代表性不足，實際面積太大，可能周邊畸變區域對覆蓋度計算有影響。在給定一定的實際面積後，就確定了獲取的正下視圖像中參與計算覆蓋度的適宜樣本區，即具有廣泛代表性的樣本區，用為計算覆蓋度的適宜樣本區。通過分析獲取的作物圖像覆蓋度計算值與樣本量的大小，確定參與計算覆蓋度的區域(見附表)。圖像中每個區域的像素麵積及其分別代表的實際面積對應關係mmmm <ρ·&> 麵* (平規》丨
Al400-4000 65I
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Α41500*15008 78I
全H7.65106 I慈鐵棄數》31\
由於本發明所述的自動觀測裝置是固定安裝在田地裡，自動採集的作物圖像會受到降水、大風、大霧等天氣的影響，採集的作物圖像不清晰，致使計算的覆蓋度不真實，為此在質量控制中通過農田小氣候採集器實時採集影響作物圖像獲取的天氣數據輸入到數據處理 中心進行判別處理，對所採集的圖像進行質量控制。本發明與通過連續實時觀測採集作物圖像及影響作物圖像獲取的天氣數據，通過數據處理中心對圖像進行正下視圖像轉換、排除噪聲對作物圖像獲取的影響及光照對提取作物信息的影響處理，選取計算覆蓋度需要的圖像樣本區，再通過獲取的天氣數據對獲取的圖像質量控制後自動在線給出作物的覆蓋度，從而使在線獲得作物覆蓋度更加精確。以上所述僅是本發明的優選實施方式，應當指出，對於本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發明的保護範圍。
權利要求
1.ー種作物覆蓋度自動在線觀測方法，其特徵在於，包括以下步驟 通過放置在田間觀測區域的圖像採集器採集作物的前下視圖像，並通過農田小氣候採集器採集影響所述作物圖像獲取的天氣數據，並將所述前下視圖像及天氣數據通過網絡傳輸到數據處理中心； 通過所述的圖像採集器採集作物標定圖像並傳輸到所述的數據處理中心； 所述數據處理中心根據所述的標定圖像對所述前下視圖像進行正下視圖像變換、對轉換後的正下視圖像進行去光照影響及去噪處理，確定圖像覆蓋度樣本區，並根據所述天氣數據進行質量控制，然後給出作物覆蓋度Ccp ； 計算公式Ccp=CC/A，其中CC為正下視圖像中的作物像素總和，A為正下視圖像的像素總和。
2.根據權利要求I所述的作物覆蓋度自動在線觀測方法，其特徵在於，所述的通過所述的圖像採集器採集作物標定圖像的方法是 將標定板放置於所述的田間觀測區域； 通過所述的圖像採集器採集所述標定板水平放置於所述的田間觀測區域地面及任意高度、角度情況下的作物標定圖像。
3.根據權利要求I所述的作物覆蓋度自動在線觀測方法，其特徵在於，所述的數據處理中心根據所述的標定圖像對所述前下視圖像進行正下視圖像變換的方法是 根據所述的標定圖像獲取所述圖像採集器的焦距和傾斜角度參數； 根據所述的焦距和傾斜角度參數將所述前下視圖像轉換成正下視圖像。
4.根據權利要求I所述的作物覆蓋度自動在線觀測方法，其特徵在於，所述的去光照的影響的方法是 1)、獲取正下視圖像中作物與背景的像素的亮度與色度，統計出每ー個亮度下作物與背景的像素信息對應的色度信息； 2)、將作物色度信息作為正樣本，背景色度信息作為負樣本，訓練出在各個亮度下的分類器； 3)利用所述分類器，對作物圖像中的像素進行分類，從所述作物正下視圖像的分類像中提取能抗光照變化的作物圖像信息。
5.根據權利要求I所述的作物覆蓋度自動在線觀測方法，其特徵在於，所述的去噪處理的步驟包括 將經去光照影響處理後獲取的作物圖像信息作為掩碼圖； 根據所述正下視圖像中連通域的特點分別對紅、緑、藍三個通道進行降噪處理； 通過所述掩碼圖與降噪後的三個通道集成，提取處理後的圖像中作物像素信息。
6.根據權利要求I所述的作物覆蓋度自動在線觀測方法，其特徵在於，所述確定圖像覆蓋度樣本區的方法是 根據試驗資料分析獲取的作物正下視圖像覆蓋度計算值與樣本量的大小，確定獲取作物正下視圖像中參與計算覆蓋度的區域。
7.—種作物覆蓋度自動在線觀測裝置，其特徵於，包括圖像數據採集単元、通訊傳輸単元及數據處理中心；所述的圖像採集單元包括農田小氣候採集器、圖像採集器、視頻監控器；所述圖像採集器、視頻監控器和農田小氣候採集器分別安裝在兩個觀測架上，所述觀測架固定於作物觀測區域的地面上；所述農田小氣候採集器、圖像採集器、視頻監控器通過所述通訊傳輸單元與所述數據處理中心連接並通信。
8.根據權利要求5所述的作物覆蓋度自動在線觀測裝置，其特徵在於所述作物覆蓋度自動在線觀測裝置在觀測矮杆作物時其安裝位置不低於3米，觀測高杆作物時其安裝位置不低於4米。
9.根據權利要求6所述的作物覆蓋度自動在線觀測 裝置，其特徵在於所述的圖像採集器為CXD相機。
全文摘要
本發明公開了一種作物覆蓋度自動在線觀測方法及裝置，所述方法包括通過圖像採集器採集作物前下視圖像，通過農田小氣候採集器採集影響作物圖像獲取的天氣數據傳輸到數據處理中心；通過所述圖像採集器採集作物標定圖像傳輸到所述的數據處理中心；所述數據處理中心根據所述標定圖像對所述前下視圖像進行實時正下視區轉換、去光照影響、去噪處理，確定圖像覆蓋度樣本區，根據天氣數據進行質量控制，然後給出作物覆蓋度。本發明與通過實時採集作物圖像及影響圖像獲取的天氣數據，經數據處理中心圖像轉換、排除噪聲及光照影響，確定圖像覆蓋度樣本區，再通過天氣數據對圖像質量控制後自動在線給出作物的覆蓋度，從而使在線獲得作物覆蓋度更加精確。
文檔編號G01C11/00GK102628689SQ20121011525
公開日2012年8月8日 申請日期2012年4月19日 優先權日2012年4月19日
發明者餘正泓, 孫涵, 張雪芬, 曹治國, 李翠娜, 白曉東, 薛紅喜 申請人:中國氣象局氣象探測中心