專利名稱：葉面積指數(shù)測(cè)量系統(tǒng)、設(shè)備、方法和程序的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于測(cè)量葉面積指數(shù)的葉面積指數(shù)測(cè)量系統(tǒng)、葉面積指數(shù)測(cè)量設(shè)備、葉面積指數(shù)測(cè)量方法和葉面積指數(shù)測(cè)量程序。
背景技術(shù)：
葉面積指數(shù)(下文表示為“LAI ” )表示例如耕地或森林中植物種群的每單位面積內(nèi)沿一個(gè)方向(例如，垂直方向)交疊的葉片的總面積。LAI用作了解植物生長或耕種狀態(tài)的一種指數(shù)。作為LAI測(cè)量方法，提出了一種使用照度計(jì)間接測(cè)量LAI的方法作為示例。在該方法中，例如，測(cè)量 植物種群中上方和下方的照度，并且基于測(cè)量的照度來估計(jì)LAI。作為與上述相關(guān)的技術(shù)，例如，在專利文獻(xiàn)(PTL) I中描述了 LAI間接測(cè)量方法。在PTLl中描述的方法中，間接測(cè)量系統(tǒng)使用廣角鏡頭和電子成像元件捕獲針對(duì)近紅外光和紅光中的每一種的預(yù)定面積的圖像。接著，間接測(cè)量系統(tǒng)獲得通過劃分預(yù)定面積而形成的每個(gè)細(xì)分面積中針對(duì)近紅外光和紅光中的每一種的亮度值。然后，間接測(cè)量系統(tǒng)計(jì)算每個(gè)細(xì)分面積的近紅外光和紅光的亮度值比，基于亮度值比來估計(jì)太陽輻射的相對(duì)量，并且根據(jù)太陽輻射的相對(duì)量計(jì)算LAI?，F(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)專利文獻(xiàn)PTLl:日本專利申請(qǐng)?zhí)亻_ N0.2007-171033。

發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問題然而，在使用照度計(jì)間接測(cè)量LAI的情況下，需要昂貴的照度計(jì)，并且還需要在移動(dòng)照度計(jì)的同時(shí)多次執(zhí)行測(cè)量，以便確定種群結(jié)構(gòu)中多個(gè)位置中的每一位置的LAI。因此，需要大量勞動(dòng)和成本。PTLl中描述的方法通過在間接測(cè)量系統(tǒng)中使用電子成像元件來代替照度計(jì)，實(shí)現(xiàn)了一定程度的成本減小。然而，由于使用日光，因此不能自由地控制來自光源的光的輻射方向，限制了測(cè)量太陽輻射的相對(duì)量的方向。因此，在使用PTLl中描述的方法的情況下限制了能夠測(cè)量LAI的位置或方向。鑒于上述，本發(fā)明的目的在于提供葉面積指數(shù)測(cè)量系統(tǒng)、葉面積指數(shù)測(cè)量設(shè)備、葉面積指數(shù)測(cè)量方法和葉面積指數(shù)測(cè)量程序，能夠以低成本容易地自動(dòng)測(cè)量葉面積指數(shù)，而不限制測(cè)量位置或方向。解決問題的手段根據(jù)本發(fā)明的葉面積指數(shù)測(cè)量系統(tǒng)包括:反射器，置于測(cè)量目標(biāo)植物的鄰域中；成像裝置，置于成像裝置和反射器之間不存在障礙物的位置處，并且用于捕獲反射器的圖像并輸出捕獲到的圖像；強(qiáng)度計(jì)算裝置，基于從成像裝置輸出的捕獲到的圖像來計(jì)算反射器反射的光強(qiáng)度；以及葉面積指數(shù)計(jì)算裝置，基于強(qiáng)度計(jì)算裝置計(jì)算的光強(qiáng)度來計(jì)算葉面積指數(shù)。根據(jù)本發(fā)明的葉面積指數(shù)測(cè)量設(shè)備是葉面積指數(shù)測(cè)量系統(tǒng)中用于測(cè)量葉面積指數(shù)的葉面積指數(shù)測(cè)量設(shè)備，葉面積指數(shù)測(cè)量系統(tǒng)包括:反射器，置于測(cè)量目標(biāo)植物的鄰域中；成像裝置，置于成像裝置和反射器之間不存在障礙物的位置處，并且用于捕獲反射器的圖像并輸出捕獲到的圖像。葉面積指數(shù)測(cè)量設(shè)備包括:強(qiáng)度計(jì)算裝置，基于從成像裝置輸出的捕獲到的圖像計(jì)算反射器反射的光強(qiáng)度；以及葉面積指數(shù)計(jì)算裝置，基于強(qiáng)度計(jì)算裝置計(jì)算的光強(qiáng)度計(jì)算葉面積指數(shù)。根據(jù)本發(fā)明的葉面積指數(shù)測(cè)量方法包括:在測(cè)量目標(biāo)植物的鄰域中提供反射器；提供成像裝置，所述成像裝置置于成像裝置和反射器之間不存在障礙物的位置處，并且用于捕獲反射器的圖像并輸出捕獲到的圖像；基于從成像裝置輸出的捕獲到的圖像計(jì)算反射器反射的光強(qiáng)度；并且基于計(jì)算的光強(qiáng)度計(jì)算葉面積指數(shù)。根據(jù)本發(fā)明的葉面積指數(shù)測(cè)量程序是葉面積指數(shù)測(cè)量系統(tǒng)中用于測(cè)量葉面積指數(shù)的葉面積指數(shù)測(cè)量程序，葉面積指數(shù)測(cè)量系統(tǒng)包括:反射器，置于測(cè)量目標(biāo)植物的鄰域中；成像裝置，置于成像裝置和反射器之間不存在障礙物的位置處，并且用于捕獲反射器的圖像并輸出捕獲到的圖像，葉面積指數(shù)測(cè)量程序使計(jì)算機(jī)執(zhí)行:強(qiáng)度計(jì)算過程，基于從成像裝置輸出的捕獲到的圖像計(jì)算反射器反射的光強(qiáng)度；以及葉面積指數(shù)計(jì)算過程，基于計(jì)算的光強(qiáng)度計(jì)算葉面積 指數(shù)。本發(fā)明的有利效果根據(jù)本發(fā)明，能夠以低成本容易地自動(dòng)測(cè)量葉面積指數(shù)，而不限制測(cè)量位置或方向。


圖1是從植物種群正面看根據(jù)本發(fā)明使用LAI測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量系統(tǒng)的正視圖。圖2是從植物種群的頂面看根據(jù)本發(fā)明使用LAI測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量系統(tǒng)的頂視圖。圖3是示出了 LAI測(cè)量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示例的框圖。圖4是示出了使用LAI測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量LAI的操作示例的流程圖。圖5是示出了 LAI測(cè)量系統(tǒng)的最小結(jié)構(gòu)的示例的框圖。圖6是示出了考慮表面光源的整個(gè)周圍光環(huán)境模型的示例的示例圖。
具體實(shí)施例方式以下參照附圖描述本發(fā)明的實(shí)施例。圖1是從植物種群正面看根據(jù)本發(fā)明使用LAI測(cè)量系統(tǒng)(葉面積指數(shù)測(cè)量系統(tǒng))的測(cè)量系統(tǒng)的正視圖。圖2是從植物種群的頂面看使用LAI測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量系統(tǒng)的頂視圖。在該示例實(shí)施例中，假定植物種群30是按行布置農(nóng)作物的植物的植物群，如圖1所示。盡管圖1示出了沿著植物種群30的截面看的截面圖，植物種群30是沿著深度方向(如圖1中所見，從植物種群30的正面到背面的方向，下文中也被稱作“縱方向”)按行布置植物的植物群，如圖2所示。在本示例實(shí)施例中，也使用諸如“垂直方向”和“水平方向”等表述。“垂直方向”表示與地面垂直的方向，“水平方向”表示與地面水平的方向，如圖1所示。
盡管本示例實(shí)施例作為示例描述了將LAI測(cè)量系統(tǒng)應(yīng)用于對(duì)耕地(例如田地或塑料溫室)中農(nóng)作物(例如，西紅柿、黃瓜)植物種群的LAI的測(cè)量，但是本發(fā)明不限于本示例實(shí)施例中的示例。LAI測(cè)量系統(tǒng)例如可以應(yīng)用于對(duì)森林中樹叢的LAI的測(cè)量。如圖1和2中所示，在植物種群30的鄰域中安裝沿垂直方向布置多個(gè)反射器10的陣列組。此外，如圖2所示，在能夠捕獲反射器10的圖像而不會(huì)被植物種群30遮擋的位置處安裝攝像機(jī)20 (在該示例中，攝像機(jī)20置于正面，如圖2所示，S卩，放置攝像機(jī)20使得在每個(gè)反射器10與攝像機(jī)20之間不存在障礙物(例如，遮擋反射器10的葉片))。具體地，反射器10分別由球形體來實(shí)現(xiàn)，球形體的表面具有朗伯反射特性，并且已知顏色信息。盡管在圖1中示出的示例中，8個(gè)反射器10沿著垂直方向布置(如圖1所示，每個(gè)植物種群30沿垂直方向布置四個(gè)反射器10)，但是能夠布置的反射器10的個(gè)數(shù)不限于本示例實(shí)施例中的示例。例如，可以布置十個(gè)或更多個(gè)反射器10(可以每植物種群30沿垂直方向布置五個(gè)或更多個(gè)反射器10)。反射器10至少是不會(huì)鏡像反射光的反射器。例如，只要反射器10對(duì)光進(jìn)行漫反射，反射器10就可以對(duì)光進(jìn)行完全漫反射或不完全漫反射。在本示例實(shí)施例中，反射器10是紅球形體的情況用作示例。然而，本發(fā)明不限于本示例實(shí)施例中的示例，并且例如反射器10可以是各種多面體結(jié)構(gòu)或平面反射器板中的任一個(gè)。除此之外，反射器10的顏色不限于紅色。只要顏色已知，顏色可以是白色、灰色、黃色或橘黃色。然而，優(yōu)選地，反射器10的顏色至少是除了綠色以外的顏色，以便與植物種群30中的植物可區(qū)分。由于反射器10布置在植物種群30的鄰域中，因此置于頂部的反射器10的反射光強(qiáng)度最高，并且由于植物種群30的陰影等，反射光強(qiáng)度沿著反射器的向下方向降低。相應(yīng)地，通過測(cè)量沿著垂直方向布置的多個(gè)反射器10反射的光的強(qiáng)度并且將測(cè)量到的強(qiáng)度彼此相比較，可以測(cè)量沿垂直方向的LAI，并且可以識(shí)別沿著垂直方向所見的植物種群30中的葉片交疊程度。注意，植物種群30的鄰域在到植物種群30的預(yù)定距離內(nèi)(例如，在50cm內(nèi))。當(dāng)沿著垂直方向布置反 射器10時(shí)，反射器10被布置為使得在反射器10之間存在適當(dāng)?shù)姆瓷涔獾膹?qiáng)度差。攝像機(jī)20具體由能夠捕獲彩色圖像的成像設(shè)備(例如，數(shù)字?jǐn)z像機(jī))來實(shí)現(xiàn)。攝像機(jī)20不限于捕獲靜止圖像的攝像機(jī)，并且例如可以由能夠捕獲運(yùn)動(dòng)圖像的視頻攝像機(jī)來實(shí)現(xiàn)，只要其能夠捕獲彩色圖像。攝像機(jī)20具有以下功能:能夠捕獲反射器10的圖像并且向下述LAI測(cè)量設(shè)備40 (圖1和2中未示出)輸出捕獲到的圖像。在本示例實(shí)施例中，期望將攝像機(jī)20放置在實(shí)現(xiàn)對(duì)作為球形體的反射器10的上半球的圖像捕獲的位置處(例如，沿著垂直方向比所有反射器高的位置)，以便捕獲利用日光輻射的反射器10的圖像，并且測(cè)量沿垂直方向的LAI。盡管圖1中示出了在植物種群30的鄰域中的一個(gè)位置中沿垂直方向布置四個(gè)反射器10來執(zhí)行測(cè)量的情況，但是可以沿著植物種群30的縱方向以預(yù)定間隔(例如，50cm間隔)同樣放置沿著垂直方向的四個(gè)反射器10的陣列(即當(dāng)從縱向側(cè)面看時(shí)以網(wǎng)格布置反射器)來執(zhí)行測(cè)量。這樣，也可以測(cè)量沿著植物種群30的縱方向的LAI分布。圖3是示出了 LAI測(cè)量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示例的框圖。如圖3所示，除了圖2所示捕獲反射器10的圖像的攝像機(jī)20以外,LAI測(cè)量系統(tǒng)還包括LAI測(cè)量設(shè)備40。如圖3所示,從攝像機(jī)20向LAI測(cè)量設(shè)備40輸出捕獲到的圖像。LAI測(cè)量設(shè)備40具體由根據(jù)程序操作的信息處理設(shè)備(例如，個(gè)人計(jì)算機(jī))來實(shí)現(xiàn)。如圖3所示，LAI測(cè)量設(shè)備40包括圖像分析裝置41、數(shù)據(jù)庫42、LAI計(jì)算裝置43和LAI輸出裝置44。圖像分析裝置41具體由根據(jù)程序操作的信息處理設(shè)備的CPU來實(shí)現(xiàn)。圖像分析裝置41具有以下功能:計(jì)算從攝像機(jī)20接收到的捕獲圖像的亮度值的功能。例如，基于反射器10的已知顏色信息和形狀信息，圖像分析裝置41在捕獲到的圖像中指定其中示出了反射器10的區(qū)域，并且計(jì)算指定區(qū)域的亮度值。在本示例實(shí)施例中，圖像分析裝置41在捕獲到的圖像中指定其中示出了紅色對(duì)象的區(qū)域，并且提取指定區(qū)域的部分圖像。在本示例實(shí)施例中，由于布置多個(gè)紅色反射器10，因此圖像分析裝置41指定多個(gè)區(qū)域，并且提取每個(gè)指定區(qū)域的部分圖像。圖像分析裝置41然后計(jì)算每個(gè)提取的部分圖像的亮度值。圖像分析裝置41還具有將計(jì)算的亮度值變換為照度的功能。在本示例實(shí)施例中，圖像分析裝置41通過從下述數(shù)據(jù)庫42中存儲(chǔ)的照度變換表中提取與圖像分析裝置41計(jì)算的亮度值相對(duì)應(yīng)的照度來計(jì)算照度。備選地，圖像分析裝置41可以不使用數(shù)據(jù)庫42中存儲(chǔ)的照度變換表來計(jì)算照度。以下描述照度計(jì)算方法的示例。以下描述一種方法，通過使用彩色圖像輸入設(shè)備(攝像機(jī)20)捕獲到的彩色圖像中對(duì)象(反射器10)的顏色信息以及對(duì)象的表面反射特性，來計(jì)算捕獲彩色圖像時(shí)照明環(huán)境中對(duì)象表面的每個(gè)位置處的照度。首先，圖像分析裝置41獲得使用輸入圖像的顏色信息和形狀信息自動(dòng)檢測(cè)到的對(duì)象區(qū)域的顏色信息。然后，圖像分析裝置41獲得對(duì)象區(qū)域的RGB顏色信息，并且基于獲得的RGB顏色信息計(jì)算XYZ三色激勵(lì)值。在下文中假定，關(guān)于彩色圖像輸入設(shè)備捕獲的RGB，預(yù)先將RGB磷光體的色度和白色的色度設(shè)計(jì)為彩色圖 像輸入設(shè)備的顏色特性，并且RGB數(shù)據(jù)和XYZ三色激勵(lì)值是線性關(guān)
系ο在這種情況下，輸入圖像的RGB與XYZ三色激勵(lì)值之間的關(guān)系由以下方程(I)表
/Jn ο(數(shù)學(xué)方程I)
){ R λY = RX G
7R
^ ^ J\ J方程(I)這里，RX是3 X 3變換矩陣。圖像分析裝置41可以通過獲取以下信息來將Y三色激勵(lì)值變換成絕對(duì)亮度Y (Cd/m2):攝像機(jī)鏡頭的光圈值F、快門速度和圖像捕獲的增益。接著，圖像分析裝置41計(jì)算圖像中反射器的每個(gè)像素位置的可見輻照度。文獻(xiàn)I中描述的方法或文獻(xiàn)2中描述的方法適用于輻照度計(jì)算。文獻(xiàn) I:Imari Sato、Yoichi Sato、Katsushi Ikeuchi 的 “ IlluminationDistribution from Shadows，，, Journal of Information Processing Society of Japan:Computer Vision and Image Media, Vol.41, N0.SIG 10(CVIM I), December 2000。
文獻(xiàn)2:0ishi，Okura 等人的 “ Super imposing Human Appearanceonto MR system by Simultaneous Capturing Surfaces and IlluminationEnvironment by omnidirectional camera，，，Meeting on Image Recognition andUnderstanding(MIRU2009)，July 2009。參照?qǐng)D6，以下描述使用考慮表面光源的整個(gè)周圍光環(huán)境模型。在該模型中，基于以下假定觀察來自整個(gè)周圍的光源的輻射分布:反射器的任意點(diǎn)在球形的中心A，并且光源與中心A之間沒有障礙物。設(shè)L(0, φ).是輻射分布，其中，θ表示方位角，φ表示天頂角。中心A處的照度E是沿著所有方向自小立體角Cloji接收到的入射光能量的積分，小立體角Clcoi由小方位角θ和小天頂角φ表示。[數(shù)學(xué)方程2]
權(quán)利要求
1.一種葉面積指數(shù)測(cè)量系統(tǒng)，所述葉面積指數(shù)測(cè)量系統(tǒng)包括: 反射器，所述反射器置于測(cè)量目標(biāo)植物的鄰域中； 成像裝置，所述成像裝置置于所述成像裝置和所述反射器之間不存在障礙物的位置處，并且用于捕獲所述反射器的圖像并輸出捕獲到的圖像； 強(qiáng)度計(jì)算裝置，所述強(qiáng)度計(jì)算裝置用于基于從所述成像裝置輸出的所述捕獲到的圖像，計(jì)算所述反射器反射的光強(qiáng)度；以及 葉面積指數(shù)計(jì)算裝置，所述葉面積指數(shù)計(jì)算裝置用于基于所述強(qiáng)度計(jì)算裝置計(jì)算的所述光強(qiáng)度，計(jì)算葉面積指數(shù)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的葉面積指數(shù)測(cè)量系統(tǒng)，其中，所述強(qiáng)度計(jì)算裝置計(jì)算所述捕獲到的圖像中所述反射器的亮度值作為所述光強(qiáng)度，并且 其中，所述葉面積指數(shù)計(jì)算裝置基于所述強(qiáng)度計(jì)算裝置計(jì)算的作為所述光強(qiáng)度的所述亮度值，來計(jì)算所述葉面積指數(shù)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的葉面積指數(shù)測(cè)量系統(tǒng)，其中，所述強(qiáng)度計(jì)算裝置基于所述捕獲到的圖像中所述反射器的亮度值來計(jì)算照度，并且 其中，所述葉面積指數(shù)計(jì)算裝置基于所述強(qiáng)度計(jì)算裝置計(jì)算的作為所述光強(qiáng)度的所述照度，來計(jì)算所述葉面積指數(shù)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一項(xiàng)所述的葉面積指數(shù)測(cè)量系統(tǒng)，包括: 存儲(chǔ)裝置，所述存儲(chǔ)裝置與所述 光強(qiáng)度相關(guān)聯(lián)地存儲(chǔ)所述葉面積指數(shù)， 其中，所述葉面積指數(shù)計(jì)算裝置通過從所述存儲(chǔ)裝置中提取與所述強(qiáng)度計(jì)算裝置計(jì)算的所述光強(qiáng)度相對(duì)應(yīng)的所述葉面積指數(shù)，來計(jì)算所述葉面積指數(shù)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4中任一項(xiàng)所述的葉面積指數(shù)測(cè)量系統(tǒng)，其中，所述反射器具備預(yù)定顏色，并且 其中，所述強(qiáng)度計(jì)算裝置在所述捕獲到的圖像中指定其中示出了具備所述預(yù)定顏色的對(duì)象的區(qū)域，并且計(jì)算所述指定區(qū)域的光強(qiáng)度。
6.一種葉面積指數(shù)測(cè)量系統(tǒng)中用于測(cè)量葉面積指數(shù)的葉面積指數(shù)測(cè)量設(shè)備，所述葉面積指數(shù)測(cè)量系統(tǒng)包括:反射器，所述反射器置于測(cè)量目標(biāo)植物的鄰域中；以及成像裝置，所述成像裝置置于所述成像裝置和所述反射器之間不存在障礙物的位置處，并且用于捕獲所述反射器的圖像并輸出捕獲到的圖像，所述葉面積指數(shù)測(cè)量設(shè)備包括: 強(qiáng)度計(jì)算裝置，所述強(qiáng)度計(jì)算裝置用于基于從所述成像裝置輸出的所述捕獲到的圖像，計(jì)算所述反射器反射的光強(qiáng)度；以及 葉面積指數(shù)計(jì)算裝置，所述葉面積指數(shù)計(jì)算裝置用于基于所述強(qiáng)度計(jì)算裝置計(jì)算的所述光強(qiáng)度，計(jì)算所述葉面積指數(shù)。
7.一種葉面積指數(shù)測(cè)量方法，所述葉面積指數(shù)測(cè)量方法包括: 在測(cè)量目標(biāo)植物的鄰域中設(shè)置反射器； 設(shè)置成像裝置，所述成像裝置置于所述成像裝置和所述反射器之間不存在障礙物的位置處，并且用于捕獲所述反射器的圖像并輸出捕獲到的圖像； 基于從所述成像裝置輸出的所述捕獲到的圖像，計(jì)算所述反射器反射的光強(qiáng)度；并且 基于計(jì)算的所述光強(qiáng)度，計(jì)算葉面積指數(shù)。
8.一種葉面積指數(shù)測(cè)量系統(tǒng)中用于測(cè)量葉面積指數(shù)的葉面積指數(shù)測(cè)量程序，所述葉面積指數(shù)測(cè)量系統(tǒng)包括:反射器，所述反射器置于測(cè)量目標(biāo)植物的鄰域中；成像裝置，所述成像裝置置于所述成像裝置和所述反射器之間不存在障礙物的位置處，并且用于捕獲所述反射器的圖像并輸出捕獲到的圖像，所述葉面積指數(shù)測(cè)量程序使計(jì)算機(jī)執(zhí)行: 強(qiáng)度計(jì)算過程，所述強(qiáng)度計(jì)算過程基于從所述成像裝置輸出的所述捕獲到的圖像，計(jì)算所述反射器反射的光強(qiáng)度；以及 葉面積指數(shù)計(jì)算過程，所述葉面積指數(shù)計(jì)算過程基于計(jì)算的所述光強(qiáng)度，計(jì)算所述葉面積指數(shù)。
全文摘要
一種葉面積指數(shù)測(cè)量系統(tǒng)包括反射器，置于測(cè)量目標(biāo)植物的鄰域中；成像裝置，置于成像裝置和反射器之間不存在障礙物的位置處，并且用于捕獲反射器的圖像并輸出捕獲到的圖像；強(qiáng)度計(jì)算裝置，基于從成像裝置輸出的捕獲到的圖像來計(jì)算反射器反射的光強(qiáng)度；以及葉面積指數(shù)計(jì)算裝置，基于強(qiáng)度計(jì)算裝置計(jì)算的光強(qiáng)度來計(jì)算葉面積指數(shù)。
文檔編號(hào)G01N21/27GK103238057SQ20118005791
公開日2013年8月7日 申請(qǐng)日期2011年12月2日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月2日
發(fā)明者塚田正人 申請(qǐng)人:日本電氣株式會(huì)社