一種半球攝影法獲取水稻冠層叢生指數的方法

2023-11-30 19:20:16

專利名稱：一種半球攝影法獲取水稻冠層叢生指數的方法
技術領域：
本發明涉及水稻冠層葉面積指數研究領域，具體涉及一種半球攝影法獲取水稻冠層叢生指數的方法。
背景技術：
叢生指數用來定量描述植被冠層元素的空間實際分布與自由隨機分布的偏離程度(Chen JM, Black TA, Adams RS. Evaluation of hemispherical photography fordetermining plant area index and geometry of a forest stand. Agricultural andForest Meteorology，1991，56 :129-143)。 Monsi 和 Saeki(Monsi M， Saeki T.Uber denLichtfaktor in den Pflanzengesellschaften und seine Bedeutung fiir die Stoff produktion. Japanese Journal of Botany，1953，14，22-52)首次用叢生指數(ClumpingIndex, Cl)來定量描述植被冠層元素的空間實際分布與自由隨機分布的偏離程度。在利用半球攝影法等間接測量方法測量植被冠層LAI (葉面積指數)等結構參數時，目前大多數都是基於泊松分布模型，在泊松分布模型中，假設植被冠層葉簇葉片大小均一、空間上隨機分布。但實際上由於植被結構錯綜複雜，冠層葉簇不可能自由隨機分布，因此通過間接方法獲得的LAI與實際的LAI相比存在誤差，一般可達30-70%不等[Chen JM, Cihlar J. Plant canopy gap-size analysis theory for improving opticalmeasurements of leaf area index. Appied Optics，1995，34(27) :6211-6222. StenbergP. Correcting LAI2000 estimates for the clumping of needles in shoots ofconifers. Agricultural and Forest Meteorology，1996，79(1-8)]。為了解決或減小這種誤差，Nilson(NilsonΤ· Atheoretical analysis of thefrequency of gaps in plant stands. Agricultural Meteorology. 1971,8 :25-38)在孔隙度計算公式中引入一個糾正因子Ω，Chen等人(Chen J M，Cihlar J. Plant canopygap-size analysis theory for improving optical measurements of leaf areaindex[J]. Applied Optics，1995，34(27) :6211-6222)進一步提出一個新的變量「有效LAI」，它等於Ω乘以實際的LAI值，Ω就是叢生指數。它的值依賴於植株結構，如葉簇沿莖杆和在中軸線、枝條或樹的嫩枝上的分布位置(小尺度)，和冠層結構，如冠層內部植株的相對位置(大尺度)，還高度依賴於觀測方向，這導致其在實際冠層中很難估算(AndrieuB，Sinoquet H. Evaluation of structure description requirements for predictinggap fraction of vegetation canopies. Agricultural and Forest Meteorology，1993，65 :207-227 ；Kucharik CJ, Norman JM, Murdock LM, Gower TS.Characterizing canopynon-randomness with a Multiband Vegetation Imager MVI. Journal of GeophysicalResearch,1997，102 :455-473)。Gonsamo等人(Gonsamo A. ,Pellikka P. The computation of foliage clumpingindex using hemispherical photography. Agricultural and Forest Meteorology,2009,81-787)利用Nikon Coolpix 8800數位相機和Nikon FC-E9魚眼鏡頭適配器拍攝肯亞東南部山區的霧林、松樹、柏樹、桉樹冠層半球圖像，並運用CMES軟體(http://equmoxe. u-strasbg. fr/cimes)計算了相關的叢生指數。Demarez 等人(Demarez V.，Duthoit S. , Baret F. , Weiss M. , Dedieu D.Estimation of leaf area and clumpingindexes of crops with hemispherical photographs.Agricultural and Forestmeteorology, 2008，148 :644-655)則利用半球圖像和CMES軟體成功研究了位於法國土魯斯西南部的冬小麥、夏玉米和向日葵冠層葉片的叢生指數並改進了其葉面積指數(LAI)的估算精度。而關於利用數字半球圖像進行水稻冠層葉片叢生指數方面的研究目前還沒有公開的文獻報導。

發明內容
針對現有人工直接方法進行野外測量再計算水稻冠層叢生指數的方法費時費力且難以實時快捷準確獲取結果的缺陷，本發明提供了一種半球攝影法獲取水稻冠層叢生指數的方法，方便快捷，有效提高水稻冠層葉面積指數的估算精度。—種半球攝影法獲取水稻冠層叢生指數的方法，包括如下步驟(I)將半球數字攝像系統的鏡頭朝上，水平放置在水稻冠層內部，拍攝水稻冠層原始彩色半球圖像；(2)將所述水稻冠層原始彩色半球圖像轉換為灰度半球圖像；(3)將所述灰度半球圖像轉換為只含有「黑」 「白」兩種象元的二值半球圖像；(4)基於所述二值半球圖像按如下公式計算水稻冠層孔隙度，
權利要求
1.ー種半球攝影法獲取水稻冠層叢生指數的方法，其特徵在於，包括如下步驟 (1)將半球數字攝像系統的鏡頭朝上，水平放置在水稻冠層內部，拍攝水稻冠層原始彩色半球圖像； (2)將所述水稻冠層原始彩色半球圖像轉換為灰度半球圖像； (3)將所述灰度半球圖像轉換為只含有「黒」「白」兩種象元的ニ值半球圖像； (4)基於所述ニ值半球圖像按如下公式計算水稻冠層孔隙度， T(0, (p)=——」、'(切、—— PAO,(p) + l](Ojp) 式中T(Q, cp)——天頂角為0、方位角為cp的片段的孔隙度； Po(0, cp)——天頂角為e、方位角為(p的片段中天空像元數量； Pi(B, cp)——天頂角為e、方位角cp的片段中葉片像元數量； (5)通過「孔隙度對數平均法」按如下公式計算冠層叢生指數， Q(の=In JfiOjp)) / MTiOjp)) 式中Q (0)為天頂角為0時水稻冠層的叢生指數。
2.根據權利要求I所述的方法，其特徵在於，所述天頂角和方位角的解析度均為5°。
3.根據權利要求I所述的方法，其特徵在於，步驟(2)中採用如下公式轉換Gray (x, y) = B(x, y) 式中，Gray (x, y)-灰度圖像上點(x, y)處的灰度值， B(x,y)——原始彩色半球圖像中點(x，y)處的藍色分量值。
4.根據權利要求I所述的方法，其特徵在於，步驟(3)中採用如下公式轉換 BW(.り.)=1°—.ゎ)<■「 式中，BW(X，y)——ニ值圖像上點(X，y)處的像素值， Gray (x, y)-灰度圖像上點(x, y)處的灰度值， T——選定的閾值， Bff(x, y) = O-黑色,表示(X, y)點處為水稻葉片， Bff (x, y) = 255--白色，表示(x, y)點處為天空。
5.根據權利要求4所述的方法，其特徵在於，所述閾值的確定方法為Otsu算法。
全文摘要
本發明公開了一種半球攝影法獲取水稻冠層叢生指數的方法，包括如下步驟(1)將半球數字攝像系統的鏡頭朝上，水平放置在水稻冠層內部，拍攝水稻冠層原始彩色半球圖像；(2)將所述水稻冠層原始彩色半球圖像轉換為灰度半球圖像；(3)將所述灰度半球圖像轉換為只含有「黑」「白」兩種象元的二值半球圖像；(4)基於所述二值半球圖像計算水稻冠層孔隙度；(5)通過「孔隙度對數平均法」計算冠層叢生指數。本發明的方法利用基於魚眼鏡頭的半球攝影法獲取水稻冠層數字半球圖像，不用野外進行破壞性人工量測和計算，能實時快速地獲取水稻冠層叢生指數，從而有效提高水稻冠層葉面積指數的估算精度。
文檔編號G06T7/00GK102855625SQ20121027377
公開日2013年1月2日 申請日期2012年8月2日 優先權日2012年8月2日
發明者周煉清, 史舟, 田延峰 申請人:浙江大學