一種基于立體攝影測(cè)量獲取玉米植株形態(tài)參數(shù)的方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種基于立體攝影測(cè)量獲取玉米植株形態(tài)參數(shù)的方法，該方法包括以下步驟：(1)采用4位典型格雷碼，以1cm為碼元寬度、1cm為相鄰碼元的間距、2cm為參考碼寬度，構(gòu)成矩形標(biāo)記尺；(2)在玉米生長(zhǎng)季節(jié)，將所述矩形標(biāo)記尺豎直立于待測(cè)玉米植株近旁，利用雙目相機(jī)進(jìn)行攝影，獲取以上所述矩形標(biāo)記尺為參考的玉米植株的立體相對(duì)；(3)根據(jù)所述立體相對(duì)，參考從所述矩形標(biāo)記尺上讀取的數(shù)值，計(jì)算玉米植株的形態(tài)參數(shù)。本發(fā)明提供的方法通過使用普通雙目相機(jī)對(duì)玉米植株進(jìn)行立體攝影，進(jìn)而獲取玉米植株形態(tài)參數(shù)，全面提升了外業(yè)數(shù)據(jù)采集、內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理的速度，有效提高了玉米植株形態(tài)因子測(cè)算的精度和效率。
【專利說明】
-種基于立體攝影測(cè)量獲取玉米植株形態(tài)參數(shù)的方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明設(shè)及玉米的種植及監(jiān)控領(lǐng)域，具體設(shè)及一種基于立體攝影測(cè)量獲取玉米植 株形態(tài)參數(shù)的方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 作物的形態(tài)結(jié)構(gòu)在很大程度上決定作物的競(jìng)爭(zhēng)能力和資源獲取強(qiáng)度，而莖桿的生 長(zhǎng)與伸長(zhǎng)是作物對(duì)光的競(jìng)爭(zhēng)能力的直接體現(xiàn)。玉米莖能夠起到膽藏、運(yùn)輸水肥的作用。株高 在很大程度上決定玉米群體冠層對(duì)光的截獲能力和光能利用率。玉米葉片傾角及方位角等 參數(shù)是影響植物光合作用的重要因子，因此研究玉米植株形態(tài)結(jié)構(gòu)，對(duì)合理選擇適宜種植 密度，降低倒伏率及實(shí)現(xiàn)玉米的高產(chǎn)具有重要意義。
[0003] 傳統(tǒng)的玉米植株形態(tài)因子計(jì)測(cè)方法需要運(yùn)用圍尺、角尺等多種測(cè)距、測(cè)角工具逐 個(gè)對(duì)玉米分枝進(jìn)行量測(cè)，并需要手工記錄，工序繁瑣;建立在圍尺、角尺測(cè)量讀數(shù)等手工作 業(yè)的基礎(chǔ)上，不僅手段落后、效率低、精度差，而且對(duì)于玉米種植密度較大區(qū)域的枝干參數(shù) 則難W測(cè)量。因此，實(shí)現(xiàn)運(yùn)些數(shù)據(jù)快速準(zhǔn)確獲取成為農(nóng)業(yè)工作者亟待解決的問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)中參數(shù)獲取周期長(zhǎng)、效率低、精度差的缺點(diǎn)，提供了 一種基于立體攝影測(cè)量獲取玉米植株形態(tài)參數(shù)的方法，W單株玉米植株為研究對(duì)象，W普 通雙目相機(jī)為影像獲取工具，對(duì)玉米植株進(jìn)行立體攝影，提高效率與精度，實(shí)現(xiàn)玉米主干的 干徑、葉片傾角、葉片方位角等參數(shù)的精準(zhǔn)量測(cè)。
[0005] 具體而言，本發(fā)明提供的方法包括W下步驟：
[0006] (1)采用4位典型格雷碼，Wlcm為碼元寬度、Icm為相鄰碼元的間距、2cm為參考碼 寬度，構(gòu)成矩形標(biāo)記尺；
[0007] (2)在玉米生長(zhǎng)季節(jié)，將所述矩形標(biāo)記尺豎直立于待測(cè)玉米植株近旁，利用雙目相 機(jī)進(jìn)行攝影，獲取W所述矩形標(biāo)記尺為參考的玉米植株的立體相對(duì)；
[000引（3)根據(jù)所述立體相對(duì)，參考從所述矩形標(biāo)記尺上讀取的數(shù)值，計(jì)算玉米植株的形 態(tài)參數(shù)。
[0009] 所述步驟(2)中，應(yīng)將一把所述矩形標(biāo)記尺，確認(rèn)垂直于地面放置在待測(cè)玉米植株 前，盡量避免改變玉米植株的幾何形態(tài)。利用雙目相機(jī)進(jìn)行攝影時(shí)，將相機(jī)置于胸前對(duì)玉米 植株進(jìn)行正直攝影，拍攝時(shí)需將玉米植株與矩形標(biāo)記尺一起攝入鏡頭中，在拍攝距離上盡 量保證視窗中視眼最清晰時(shí)再進(jìn)行拍攝，從而有效降低人為誤差。
[0010] 本發(fā)明所述玉米植株的形態(tài)參數(shù)可W包括玉米的葉片參數(shù);所述玉米的葉片參數(shù) 具體包括葉片傾角和葉片方位角。
[0011] 具體而言，所述葉片傾角由包括W下步驟的方法獲得:將所述玉米植株的立體相 對(duì)分割成分別與玉米植株的莖桿W及每條葉片對(duì)應(yīng)的若干個(gè)模擬圓柱體;分別計(jì)算每一條 葉片對(duì)應(yīng)的模擬圓柱體的中屯、軸與莖桿主干對(duì)應(yīng)的模擬圓柱體的中屯、軸之間的夾角，即得 第l、2'''n-l、n條葉片的各自對(duì)應(yīng)的傾角曰1、曰2......an-i、an。
[0012] 所述葉片方位角由包括W下步驟的方法獲得:將所述玉米植株的立體相對(duì)分割成 分別與玉米植株的莖桿W及每條葉片對(duì)應(yīng)的若干個(gè)模擬圓柱體;分別將每一條葉片對(duì)應(yīng)的 模擬圓柱體的中屯、軸投影到與垂直于株高方向Z的平面XY上，獲得每一條葉片對(duì)應(yīng)的投影 直線，計(jì)算所述投影直線與平面XY上正北方向的夾角，即得第l、2'''n-l、n條葉片的各自對(duì) 應(yīng)的方位角01、02......Pn-I、0n。
[0013] 上述方法中，所述模擬圓柱體W所述玉米植株的立體相對(duì)為基礎(chǔ)，依據(jù)點(diǎn)云密度 和距離分割得到。
[0014] 本發(fā)明所述玉米植株的形態(tài)參數(shù)還可W包括玉米的莖桿參數(shù);所述玉米的莖桿參 數(shù)包括莖桿任意位置對(duì)應(yīng)的直徑、高度和/或相對(duì)于植株整體的坐標(biāo)。
[0015] 具體而言，所述莖桿參數(shù)由包括W下步驟的方法獲得：
[0016] 從所述立體相對(duì)上任選至少兩個(gè)參考點(diǎn)，量取每個(gè)參考點(diǎn)的影像坐標(biāo)值U和V，并 通過所述矩形標(biāo)記尺讀取毎個(gè)參考點(diǎn)對(duì)應(yīng)的真連坐標(biāo)值x、y和Z ;將全部參考點(diǎn)的u、v、x、y W及Z值代入回歸方若
> 求解回歸方程中的常數(shù)項(xiàng)ai、a2、a3、 bl、b2、b3、dl、d2、d3、el、e2、e3W及fl、f2、f3，獲得Wu、v、x、yW及z為變量的測(cè)量方程；
[0017] 從所述立體相對(duì)中，參考像素值確定待測(cè)玉米植株的莖桿邊緣，選取所述莖桿邊 緣上的任意位置為測(cè)量點(diǎn)M，量取所述測(cè)量點(diǎn)M的影像坐標(biāo)值Um和Vm，代入所述測(cè)量方程中， 解出所述測(cè)量點(diǎn)的真實(shí)坐標(biāo)值Xm、ym和Zm，進(jìn)一步解出所述測(cè)量點(diǎn)M對(duì)應(yīng)的植株直徑、高度和 相對(duì)于植株整體的坐標(biāo)。
[0018] 本項(xiàng)發(fā)明與現(xiàn)有方法相比，提高了玉米植株形態(tài)因子計(jì)測(cè)工作效率，通過使用普 通雙目相機(jī)對(duì)玉米植株進(jìn)行立體攝影，進(jìn)而通過對(duì)立體像對(duì)的判讀來獲取玉米植株形態(tài)因 子，簡(jiǎn)化外業(yè)測(cè)量，減輕了測(cè)量作業(yè)強(qiáng)度;采用本發(fā)明提供的方法可W實(shí)現(xiàn)對(duì)玉米枝徑、葉 片傾角、葉片方位角的快速高精度測(cè)量，相對(duì)傳統(tǒng)方法量測(cè)較為簡(jiǎn)單。
【附圖說明】
[0019]圖巧矩形標(biāo)記尺刻度示意圖；
[0020] 圖2為W圓柱體分段模擬還原玉米形態(tài)示意圖；
[0021] 圖中，d表示玉米莖桿的直徑，a表示葉片傾角，0表示葉片方位角，L表示圓柱體中 屯、軸的長(zhǎng)度。
【具體實(shí)施方式】
[0022] W下實(shí)施例用于說明本發(fā)明，但不用來限制本發(fā)明的范圍。
[0023] 實(shí)施例1
[0024] 本實(shí)施例采用W下方法測(cè)量玉米植株形態(tài)參數(shù)，具體步驟為：
[0025] (1)采用4位典型格雷碼，Wlcm為碼元寬度、Icm為相鄰碼元的間距、2cm為參考碼 寬度，構(gòu)成矩形標(biāo)記尺(如圖1所示）；
[00%] (2)在玉米生長(zhǎng)季節(jié)，將所述矩形標(biāo)記尺豎直立于待測(cè)玉米植株近旁，利用雙目相 機(jī)進(jìn)行攝影，獲取W所述矩形標(biāo)記尺為參考的玉米植株的立體相對(duì)；
[0027] (3)根據(jù)所述立體相對(duì)，參考從所述矩形標(biāo)記尺上讀取的數(shù)值，計(jì)算玉米植株的葉 片傾角、葉片方位角、W及莖桿直徑、高度等參數(shù)。
[0028] 其中，所述葉片傾角由包括W下步驟的方法獲得：
[0029] 將所述玉米植株的立體相對(duì)分割成分別與玉米植株的莖桿W及每條葉片對(duì)應(yīng)的 若干個(gè)模擬圓柱體（由圓柱體分段模擬還原玉米形態(tài)示意圖如圖2所示）；分別計(jì)算每一條 葉片對(duì)應(yīng)的模擬圓柱體的中屯、軸與莖桿主干對(duì)應(yīng)的模擬圓柱體的中屯、軸之間的夾角，即得 第l、2'''n-l、n條葉片的各自對(duì)應(yīng)的傾角曰1、曰2......an-i、an;
[0030] 為了驗(yàn)證所述方法的準(zhǔn)確性，在田間隨機(jī)選取5株玉米，在自然狀態(tài)下由5個(gè)不同 的實(shí)驗(yàn)人員W量角器測(cè)量葉片傾角，取平均值;然后用所述方法測(cè)量5次后取均值，測(cè)量單 個(gè)樣品需時(shí)150~180s，結(jié)果如下表1所示。在顯著水平a = 〇.05下，經(jīng)t檢驗(yàn)，可知兩種測(cè)量 結(jié)果沒有顯著性差異，且誤差在2%之內(nèi)，運(yùn)樣的精度足W滿足玉米植株形態(tài)測(cè)量的需要。
[0031] 表1:葉片傾角測(cè)量結(jié)果 「nrml
[0033] 所述葉片方位角由包括W下步驟的方法獲得：
[0034] 將所述玉米植株的立體相對(duì)分割成分別與玉米植株的莖桿W及每條葉片對(duì)應(yīng)的 若干個(gè)模擬圓柱體;分別將每一條葉片對(duì)應(yīng)的模擬圓柱體的中屯、軸投影到與垂直于株高方 向Z的平面XY上，獲得每一條葉片對(duì)應(yīng)的投影直線，計(jì)算所述投影直線與平面XY上正北方向 的夾角，即得第l、2-'n-l、n條葉片的各自對(duì)應(yīng)的方位角&心……心1、防。為了驗(yàn)證所述方 法的準(zhǔn)確性，在田間隨機(jī)選取5株玉米，在自然狀態(tài)下由5個(gè)不同的實(shí)驗(yàn)人員W量角器測(cè)量 葉片方位角，取平均值。然后用所述方法測(cè)量5次后取均值，測(cè)量單個(gè)樣品需時(shí)150~180s， 結(jié)果如下表2所示。在顯著水平a = 〇.05下，由t檢驗(yàn)，兩種測(cè)量方法不存在顯著性差異。即所 述方法完全能夠滿足玉米葉片形態(tài)測(cè)量的需求。
[0035] 表2:葉片方位角測(cè)量結(jié)果 r〇036l
[0037] 所述莖桿參數(shù)由包括W下步驟的方法獲得:
[0038] 從所述立體相對(duì)上任選至少兩個(gè)參考點(diǎn)，量取每個(gè)參考點(diǎn)的影像坐標(biāo)值U和V，并 通過所述矩形標(biāo)記尺讀取每個(gè)參考點(diǎn)對(duì)應(yīng)的真實(shí)坐標(biāo)值x、y和Z ;將全部參考點(diǎn)的u、v、x、y W及Z值代入回歸方i
，求解回歸方程中的常數(shù)項(xiàng)曰1、曰2、曰3、 bl、b2、b3、dl、d2、d3、el、e2、e3l^及fl、f2、f3，獲得Wu、V、X、yW及Z為變量的測(cè)量方程；
[0039] 從所述立體相對(duì)中確定待測(cè)玉米植株的莖桿邊緣，選取所述莖桿邊緣上的任意位 置為測(cè)量點(diǎn)M，量取所述測(cè)量點(diǎn)M的影像坐標(biāo)值Um和Vm，代入所述測(cè)量方程中，解出所述測(cè)量 點(diǎn)的真實(shí)坐標(biāo)值Xm、ym和Zm,進(jìn)一步解出所述測(cè)量點(diǎn)M對(duì)應(yīng)的植株直徑、高度和/或相對(duì)于植 株整體的坐標(biāo)。
[0040]為了驗(yàn)證所述方法的準(zhǔn)確性，在田間隨機(jī)選取5株玉米，在自然狀態(tài)下由5個(gè)不同 的實(shí)驗(yàn)人員W軟尺測(cè)量株高，取平均值。然后用所述方法測(cè)量5次后取均值，測(cè)量單個(gè)樣品 需時(shí)150~180s,結(jié)果如下表3所示。在顯著水平a = 0.05下，由t檢驗(yàn)，兩種測(cè)量方法不存在 顯著性差異。即所述方法完全能夠滿足玉米葉片形態(tài)測(cè)量的需求。
[0041 ] 表3:玉米高度測(cè)量結(jié)果
[0043]雖然，上文中已經(jīng)用一般性說明、【具體實(shí)施方式】及試驗(yàn)，對(duì)本發(fā)明作了詳盡的描 述，但在本發(fā)明基礎(chǔ)上，可W對(duì)之作一些修改或改進(jìn)，運(yùn)對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員而言是顯而易見 的。因此，在不偏離本發(fā)明精神的基礎(chǔ)上所做的運(yùn)些修改或改進(jìn)，均屬于本發(fā)明要求保護(hù)的 范圍。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于立體攝影測(cè)量獲取玉米植株形態(tài)參數(shù)的方法，其特征在于，包括以下步驟： (1) 采用4位典型格雷碼，以lcm為碼元寬度、lcm為相鄰碼元的間距、2cm為參考碼寬度， 構(gòu)成矩形標(biāo)記尺； (2) 在玉米生長(zhǎng)季節(jié)，將所述矩形標(biāo)記尺豎直立于待測(cè)玉米植株近旁，利用雙目相機(jī)進(jìn) 行攝影，獲取以所述矩形標(biāo)記尺為參考的玉米植株的立體相對(duì)； (3) 根據(jù)所述立體相對(duì)，參考從所述矩形標(biāo)記尺上讀取的數(shù)值，計(jì)算玉米植株的形態(tài)參 數(shù)。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，利用雙目相機(jī)進(jìn)行攝影時(shí)對(duì)玉米植株進(jìn)行 正直攝影;攝影時(shí)將玉米植株與矩形標(biāo)記尺共同攝入鏡頭中。3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述玉米植株的形態(tài)參數(shù)包括玉米的 葉片參數(shù)； 所述玉米的葉片參數(shù)包括葉片傾角和/或葉片方位角。4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，所述葉片傾角由包括以下步驟的方法獲 得： 將所述玉米植株的立體相對(duì)分割成分別與玉米植株的莖桿以及每條葉片對(duì)應(yīng)的若干 個(gè)模擬圓柱體;分別計(jì)算每一條葉片對(duì)應(yīng)的模擬圓柱體的中心軸與莖桿主干對(duì)應(yīng)的模擬圓 柱體的中心軸之間的夾角，即得第1、2…η-1、η條葉片的各自對(duì)應(yīng)的傾角α:、α 2 、αη。5. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，所述葉片方位角由包括以下步驟的方法獲 得： 將所述玉米植株的立體相對(duì)分割成分別與玉米植株的莖桿以及每條葉片對(duì)應(yīng)的若干 個(gè)模擬圓柱體;分別將每一條葉片對(duì)應(yīng)的模擬圓柱體的中心軸投影到與垂直于株高方向Z 的平面XY上，獲得每一條葉片對(duì)應(yīng)的投影直線，計(jì)算所述投影直線與平面XY上正北方向的 夾角，即得第1、2···η_1、n條葉片的各自對(duì)應(yīng)的方位角β?、β2......βη-1、βη。6. 根據(jù)權(quán)利要求4或5所述的方法，其特征在于，所述模擬圓柱體以所述玉米植株的立 體相對(duì)為基礎(chǔ)，依據(jù)點(diǎn)云密度和距離分割得到。7. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述玉米植株的形態(tài)參數(shù)包括玉米的 莖桿參數(shù)； 所述玉米的莖桿參數(shù)包括莖桿任意位置對(duì)應(yīng)的直徑、高度和/或相對(duì)于植株整體的坐 標(biāo)。8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，所述莖桿參數(shù)由包括以下步驟的方法獲 得： 從所述立體相對(duì)上任選至少兩個(gè)參考點(diǎn)，量取每個(gè)參考點(diǎn)的影像坐標(biāo)值u和ν，并通過 所述矩形標(biāo)記尺讀取每個(gè)參考點(diǎn)對(duì)應(yīng)的真實(shí)坐標(biāo)值x、y和ζ;將全部參考點(diǎn)的u、v、x、y以及ζ 值代入回歸方?，求解回歸方程中的常數(shù)項(xiàng)a^a^a^b^bs、 匕3、(11、(12、(13、61、62、63以及；^1、€2、€3，獲得以11、￥、1、7以及2為變量的測(cè)量方程； 從所述立體相對(duì)中確定待測(cè)玉米植株的莖桿邊緣，選取所述莖桿邊緣上的任意位置為 測(cè)量點(diǎn)M，量取所述測(cè)量點(diǎn)Μ的影像坐標(biāo)值Um和Vm，代入所述測(cè)量方程中，解出所述測(cè)量點(diǎn)的 真實(shí)坐標(biāo)值Xm、ydPZm，進(jìn)一步解出所述測(cè)量點(diǎn)Μ對(duì)應(yīng)的植株直徑、高度和/或相對(duì)于植株整 體的坐標(biāo)。
【文檔編號(hào)】G01C11/00GK105953776SQ201610280802
【公開日】2016年9月21日
【申請(qǐng)日】2016年4月28日
【發(fā)明人】吳建偉, 樊江川, 郭新宇, 吳升, 肖伯祥
【申請(qǐng)人】北京派得偉業(yè)科技發(fā)展有限公司, 北京農(nóng)業(yè)信息技術(shù)研究中心