利用计算机视觉技术实现对温室植物生长的无损监测

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1、第19卷第3期农业工程学报Vol.19No.31402003年5月TransactionsoftheCSAEMay2003利用计算机视觉技术实现对温室植物生长的无损监测11221李长缨,滕光辉,赵春江,乔晓军,武聪玲(1.中国农业大学,北京100083;2.国家农业信息技术研究中心,北京100089)摘　要:利用计算机视觉技术对温室植物生长进行无损监测,获取植物生长状态信息,对于提高温室的智能化控制水平具有重要意义。在实验温室中设计了一套计算机视觉系统,对黄瓜幼苗生长进行无损监测,同时利用VC++6.0编制的图像分析

2、处理软件,提取植物的外部形态特征:叶冠投影面积和株高。通过对两组无土栽培的黄瓜幼苗叶冠投影面积的连续监测,发现叶冠投影面积的变化趋势可以较好的反映植物的缺肥情况。用图像处理方法测量植株的平均株高与人工测量结果的相关系数可以达到0.927。研究表明,计算机视觉技术应用于温室植物生长的无损监测是可行的,具有广阔的应用前景。关键字:计算机视觉;无损监测;叶冠投影面积;株高中图分类号:TP242.62;TP183文献标识码:A文章编号:100226819(2003)0320140204监测西红柿叶尖垂直运动,进而建立起了叶尖

3、运动与植1　引　言[8]物缺水的关系,为及时灌溉提供了依据。Shimizu等人随着温室产业的不断发展,如何提高温室的智能化(1995)利用安装了近红外滤镜的CCD摄象机和近红外控制水平,已经成为各国学者研究的重点。早在1989照明设备对植物白天和夜间生长分别进行监测,得到植[1][9](1991)年,日本学者Hashimoto就提出了SPA(Speaking物白天和夜间的平均生长率。Tarbell和ReidPlantApproach)的控制思想,其核心是利用图像传感研究了利用计算机视觉技术对玉米生长发育状态进行器,对

4、温室植物的生长进行无损测量,通过采集植物的分析的系统。不过,由于他们选用35毫米胶片拍摄的图实时生长信息并反馈给控制器,再结合人工智能的方法像经过扫描仪转化成数字图像后再进行分析,因此分析[10](如专家系统、神经网络和遗传算法等)从而实现温室的的精度必将受到很大影响。P.Ling(1996)在温室条智能化控制。美国学者K.C.Ting[2]等人也提出了由保件下对生菜在幼苗阶段进行连续监测,发现叶冠投影面护地栽培向建立“植物生产工程系统”的新概念,这实际积的变化可以反映出植物的缺肥情况。国内在此领域也开展了一些有益的

5、尝试:陈晓上是一种基于信息和知识来管理复杂的设施园艺系统[11]光等人在实验室里研究了应用图像处理技术对蔬菜的技术思想,其实现也依赖于计算机视觉对植物生长信苗的轮廓线进行识别,从而为蔬菜生产过程中的移栽、息的获取。因此,生物信息采集新型传感器技术与植物[12][3]间苗等作业提供必要的信息;徐贵力等也探索了无生长过程监测研究已经成为近年来的研究热点。而计损测量叶面积的方法,但是只能将番茄等长叶茎作物的算机视觉与图像处理技术由于可以实现连续、无损监叶片伸入光照箱测量,缺乏灵活性和可操作性。测、测量精度高、速度快,再加之

6、近年来随着计算机的成[4]本文的目标:在温室条件下建立一套计算机视觉系本不断下降,此方法应用前景十分广阔。统,对单株植物进行无损实时监测,利用图像处理技术国外在利用计算机视觉技术监测温室植物生长方实现对植物的叶冠投影面积和株高的自动测量。面已经开展了许多研究,近年来代表性的研究成果有:[5]Hack(1988)在温室条件下利用图像处理技术测量生2　材料与方法菜在初期生长阶段的叶面积,为了消除背景干扰,他采2.1　植物生长环境设计用750～1100nm波段的近红外光采集植物图像,并且试验是在国家农业信息技术研究中心的实

7、验温室根据一天中不同光照度相应调整图像的灰度,从而提高中进行的。温室尺寸为3m×3m×2.5m,温室环境由叶面积测量精度,最后得到较满意的测量叶面积与植物智能化控制系统自动控制,可以实现对温室内温度、湿[6]鲜重的回归曲线。Mayer和Davison(1987)研究了利度、光照和灌溉的自动控制。室内白天温度控制在(26±用数字图像分析作为一种无损测量的手段,以获取单株1)℃,夜间控制在(18±1)℃,相对湿度白天为70%,夜植物在不同生长阶段的生长参数,从而为建立植物生长间为60%,室内CO2浓度保持在450～700

8、LLöL之间。[7]模型提供依据。Seginer(1992)利用计算机视觉技术白天光照期保持在14h,采用400W的高压钠灯补光。选用黄瓜为试验监测植物,品种为国家蔬菜工程技收稿日期:2002209216术研究中心研制的北京401。黄瓜种子在72孔的穴盘基金项目:北京市科技计划项目——工厂化高效农业研究与示范内培育,播种后5d待黄瓜幼苗两片子叶