基于RGB-D相机的单株玉米株高测量方法

玉米株高是反映作物长势的重要指标。为了实现田间单株玉米株高的快速测量，提出了一种基于RGB-Depth（RGB-D）相机的玉米株高测量方法。以拔节期玉米为观测对象，首先利用RGB-D相机获取田间玉米的彩色图像和深度图像。对玉米彩色图像进行灰度化、二值化和去噪处理，提取出包含待测玉米的二值图像。利用改进的分水岭分割算法对玉米的灰度图像进行分割，对分割结果进行圆形拟合操作，定位玉米的中心区域。对玉米的二值图像进行骨架化处理，检测骨架的交叉点和末端点，确定玉米骨架的中心点，并检索其到末端点的最短路径。对各条路径的点云数据进行求差与比较，确定玉米的最高点，并对最高点附近的点云数据进行直方图统计，获得地面点。最后，通过计算玉米最高点和地面点的差值，实现单株玉米株高参数的测量。对玉米样本进行测试试验的结果表明：单株玉米株高的平均测量误差为1.62cm，均方根误差（RMSE）为1.86cm，测量精度满足实用要求。     

基于深度图像的多姿态肉牛体尺自动测量方法

养殖场中肉牛较为活跃,采集得到的图像数据中肉牛姿态多变,肉牛姿态端正帧较少,导致自动测量肉牛体尺困难。针对以上问题,本研究通过分析肉牛骨架特征和肉牛图像边缘轮廓特征,提出一种多姿态肉牛体尺自动测量方法。首先,利用深度相机Azure Kinect DK从正上方采集肉牛俯视深度视频数据,对视频数据进行分帧处理;其次,对原始深度图像进行预处理,将肉牛从复杂的背景中提取出来;再次,利用Zhang-Suen算法提取目标图像肉牛骨架,检测骨架交点和端点,分析肉牛头部特征,并确定头部去除点,去除图像中肉牛头部信息;最后,利用改进的U弦长曲率算法提取肉牛轮廓曲率曲线,根据曲率值确定体尺测点,将体尺测点转换到三维空间中,计算体尺参数。本研究通过分析大量深度图像数据,将图像中肉牛姿态分为左歪、右歪、姿态端正、低头和抬头五类。试验结果表明,本研究提出的基于骨架的多姿态肉牛头部去除方法在5种姿态下的头部去除成功率均高于92%;在23头肉牛不同姿态共46帧深度图像中,利用基于改进U弦长曲率的体尺测点提取方法,测得体直长测量的平均绝对误差为2.73 cm,体高测量的平均绝对误差为2.07 cm,腹宽测量的平均绝对误差为1.47 cm。研究结果可为精确测量多姿态下肉牛体尺提供支撑。     

基于RGB-D点云的田间原位玉米株高测量试验研究

为满足田间原位玉米株高的测量需求,避免破坏性取样后进行株高测量难以捕捉植株在自然环境下生长的真实情况与表型的动态变化,提出了一种基于RGB-D相机的田间原位玉米株高的测量方法。首先,通过RGB-D相机同时获取可见光图像和其对应的深度信息,计算相机的内参,得到玉米植株的三维点云数据;其次,通过基于欧几里得距离的统计滤波算法和随机采样一致性算法(RANSAC)的阈值分割快速去除三维点云中的离群点、环境噪声及复杂的自然环境背景(包括土壤面和滴灌管等),并通过OBB包围盒验证滤波效果;最后,通过单株玉米植株分割,提出了一种基于俯视视角下玉米株高的测量方法,并计算出田间原位玉米的株高参数。试验中,在玉米快速生长期中选取两天的试验数据,其试验用5个品种的平均测量误差分别为1.47cm和2.70cm,均方根误差(RSME)分别为1.68cm和2.80cm,人工实测结果和算法测量结果进行线性拟合后得到待测系数R~2分别为0.9831和0.9797。试验结果表明:利用RGB-D相机对田间原位玉米的表型测量与株高分析具有可行性,所提出的测量与计算方法最后获得的玉米株高参数具有较高的准确性,可以为玉米表型参数提取提供更为有效地技术手段。     

基于无人机遥感的玉米株高提取方法

为在玉米生长周期内,准确、快速地掌握玉米生长信息,通过无人机获取玉米生长阶段4期不同高清数码正射影像(Digital orthophoto map,DOM)及数字表面模型(Digital surface model,DSM),利用K-means算法、遗传神经网络算法和骨架算法分别对DOM中的玉米区域进行提取,生成掩膜,与DSM套和,获取玉米高度信息。与实地测量株高进行对比,3种方法的R~2分别为0. 853、0. 877、0. 923,RMSE分别为15. 886、14. 519、11. 493 cm,MAE分别为13. 743、11. 884、8. 927 cm。结果表明:结合DOM和DSM可以较好地提取生长阶段的玉米高度。与K-means算法、遗传神经网络算法相比,基于骨架算法提取玉米高度具有一定优势,且精度较高。采用DOM和DSM相结合的骨架算法提取植株骨架,为株高提取提供了一种新途径,可为无人机遥感监测作物株高状况提供参考。     

基于图像处理技术的水稻株型参数测量算法

模型模拟法是简便可行的作物生物量无损检测方法之一。其中,作物株高、植株投影面积等株型参数的无损测量对该方法的应用具有重要意义。为此,以水稻为研究对象,以植株图像的株高和投影面积等参数为测定指标,研究了基于图像处理技术的无损测量方法。在自然条件下获取水稻植株图像,利用超绿色法对彩色图像进行灰度转换,采用中值滤波方法对图像进行降噪处理,应用最大类间方差法实现了植株特征像素的提取。该算法为快速、无损测量作物的图像株型参数提供了有效手段,为作物生物量的无损检测奠定了理论基础。     

基于多视角立体视觉的拔节期玉米水分胁迫预测模型

针对现有采用生理特性指标的玉米水分胁迫检测方法影响玉米植株生长的问题,提出了一种基于多视角立体视觉的玉米水分胁迫预测模型。首先,利用RGB相机获取玉米拔节期-30°、0°(玉米叶片展开平面)和30°的3视角图像;然后,基于加速稳健特征点(Speeded up robust features,SURF)检测的双目立体视觉原理,建立-30°～0°、0°～30°2个玉米点云模型,采用基于KD树(K-dimensional tree,Kd-tree)的最近迭代(Iterative closest point,ICP)点云配准算法,将2个玉米点云模型数据合并到同一坐标系下;最后,用L1-中值法提取玉米点云骨架,在该玉米骨架基础上提取玉米节间高度、叶片长度及株高等参数,建立基于单一参数的玉米水分胁迫预测模型,并建立基于多参数纠错输出编码思想的支持向量机(Error correcting output codes-support vector machine,ECOC-SVM)水分胁迫预测模型。试验结果表明,玉米叶片长度、节间高度和玉米株高每日生长量与水分胁迫程度呈显著线性关系,故分别以节间高度、株高每日生长量和全展叶叶长为自变量,以土壤含水率为因变量,建立水分胁迫预测模型,得到相关系数分别为0. 892 2、0. 892 8和0. 817 6,RMSE分别为2. 92%、2. 53%和2. 76%。为了准确判断玉米水分胁迫程度,以上述3个玉米参数为特征向量,建立ECOC-SVM水分胁迫预测模型,该模型测试集预测准确率为93. 33%,具有较高的准确性。本研究可以快速检测拔节期玉米的水分胁迫情况,为农情信息精准获取提供技术支持。     

基于关键帧提取与头颈部去除的奶牛体尺测量方法

为提高奶牛体尺测量的效率与精度,降低劳动强度,提出一种基于关键帧提取与头颈部去除的奶牛体尺测量方法。首先,搭建奶牛俯视深度视频采集平台,利用分水岭算法提取深度图像中的奶牛目标;其次,使用图像扫描策略获取奶牛左右两侧轮廓,利用基于霍夫变换的直线检测方法,提取图像序列中含有完整奶牛躯干的关键帧;然后,根据奶牛头部区域骨架特征判定头部是否存在,若头部存在,则基于凸包分析方法去除图像中奶牛头部,并利用多项式曲线拟合方法去除奶牛颈部;最后,根据奶牛体尺测点的空间特征,自动计算奶牛体直长、肩宽、腹宽、臀宽及体高。利用35头奶牛的2.163帧深度图像对本文方法精度进行测试,结果分析表明,关键帧提取方法准确率为97.36%,可有效代替人工进行关键帧的选取;头部检测方法准确率为94.04%,提高了奶牛体尺测点定位的效率;体尺测量平均相对误差在3.3%以内。本文研究成果可提高奶牛体尺自动测量的效率与精度。     

基于立体视觉的玉米植株三维骨架重建

提出了一种基于立体视觉原理的玉米植株三维骨架提取和重构方法,从两幅由特定角度拍摄的图像提取植株二维骨架信息,通过极线约束算法和设定合理的匹配准则,实现骨架特征匹配,获得三维骨架的点云信息并降噪,最终通过样条曲线拟合产生三维骨架模型.在该骨架模型基础上,能够进行叶长、茎叶角等作物重要参数的计算.试验结果表明,该方法可以快捷地重建玉米植株的骨架模型,且误差不超过2%.     

基于时间序列的玉米叶片性状动态提取方法研究

玉米叶片性状对生长发育、遗传育种及功能基因解析研究具有重要意义,而传统的测量方式效率低、主观性强、测量性状少,已无法满足现代玉米研究的需求,为此提出一种基于时间序列的玉米叶片性状动态追踪技术。研究基于高通量作物表型平台,针对100份玉米品种资源,每间隔3 d获取8个玉米生长点图像;利用图像分割、叶片骨架提取等算法得到单片叶长、叶角度、叶弯曲度参数;基于叶片相对位置信息实现玉米叶片的动态追踪及标记。试验结果和人工测量值相比,叶长和叶夹角测量误差分别为0.92%和3.32%。叶片追踪可以得到叶片的动态变化过程,计算获取叶片长度的平均生长率及叶片弯曲度的变化分布。     

基于RGB-D相机的蔬菜苗群体株高测量方法

为实现工厂化育苗生产线上黄瓜苗群体株高的快速无损测量,提出一种基于RGB-D(RGB-Depth)相机的温室育苗盘中蔬菜苗株高参数原位测量方法。以黄瓜苗为观测对象,在苗的正上方0. 75 m处架设RGB-D相机,以获取黄瓜苗盘的俯视彩色图像、深度图像以及彩色三维点云数据。在采集的俯视彩色三维点云中分割出单株幼苗点云集、并实现单株幼苗的定位是蔬菜苗群体株高原位测量的关键。根据RGB-D相机的成像原理,将滤波与聚类分割算法相结合,实现一种基于俯视的彩色三维点云数据处理方法,用于从穴盘幼苗群体点云集中分割出单株幼苗点云集。对黄瓜苗彩色三维点云数据的实验处理结果表明,条件滤波、颜色聚类以及统计滤波相结合的滤波算法能够更好地滤除土壤背景的点云集,欧氏距离聚类分割算法可以从滤除土壤背景后的点云中有效地分割出单株蔬菜苗点云集。最后,根据基于俯视的彩色三维点云数据的幼苗株高计算方法得出单株幼苗的株高。实验结果表明,黄瓜苗株高的平均测量误差为2. 30 mm,平均测量相对误差为7. 69%,该结果可为苗期作物群体关键生长参数的提取提供有效的解决方案。     

近地遥感技术在大田作物株高测量中的研究现状与展望

株高是动态衡量作物健康和整体生长状况的关键指标,广泛用于估测作物的生物学产量和最终籽粒产量。传统的人工测量方式存在规模小、效率低以及耗时长等问题。近十年来,近地遥感技术在农业领域发展迅速,使得高精度、高频次、高效率的作物株高采集成为可能。本文首先回顾了国内外基于遥感手段获取株高研究的论文发表情况;其次对获取株高的不同平台以及传感器的基本原理、优势及其局限性进行了介绍和评述,重点论述了激光雷达和可见光相机两种传感器的测高流程与涉及的关键技术;在此基础上归纳了株高在作物生物量估算、倒伏监测、产量预测和辅助育种等方面的应用研究进展;最后对近地遥感技术在株高获取上存在的问题进行讨论分析,并从测高平台和传感器、裸土探测和插值算法、株高应用研究及农学与遥感测高差异四个方向进行了展望,可为今后近地遥感测高的研究与方法应用提供参考。     

利用多时序激光点云数据提取棉花表型参数方法

当前,能够实现作物表型参数高效、准确的测量和作物生育期表型参数的动态量化研究是表型研究和育种中亟待解决的问题之一。本研究以棉花为研究对象,采用三维激光扫描LiDAR技术获取棉花植株的多时序点云数据,针对棉花植株主干的几何特性,利用随机抽样一致算法（RANSAC）结合直线模型完成主干提取,并对剩余的点云进行区域增长聚类,实现各叶片的分割;在此基础上,完成植株体积、株高、叶长、叶宽等性状参数的估计。针对多时序棉花激光点云数据,采用匈牙利算法完成相邻时序作物点云数据的对齐、叶片器官对应关系的建立。同时,对各植株表型参数动态变化过程进行了量化。本研究针对3株棉花的4个生长点的点云数据,分别完成了主干提取、叶片分割,以及表型参数测量和动态量化。试验结果表明,本研究所采用的主干提取及叶片分割方法能够实现棉花的枝干和叶片分割。提取的株高、叶长、叶宽等表型参数与人工测量值的决定系数均趋近于1.0;同时,本研究实现了棉花表型参数的动态量化过程,为三维表型技术的实现提供了一种有效的方法。     

基于循环一致对抗网络的玉米灰斑病图像迁移方法研究

针对玉米病害图像采集困难，特别是灰斑病表现差异性较多问题，提出一种基于循环一致对抗网络（CycleGAN）的玉米灰斑病图像生成算法，通过病害图像迁移，使得健康的作物图像可以生成患病作物图像。此方法首先通过特征提取分别提取出健康玉米图像特征和灰斑病图像特征；然后把两种特征图像输入到CycleGAN的生成器Gs中，结合生成器中的残差网络提高图像传输时的准确性，利用两个判断器判断生成的图像是否一致；最后通过对健康玉米图像进行病害迁移得到所需的玉米灰斑病图像。试验结果表明：与VAE、GAN的图像进行迁移比较，结构相似SSIM值整体分别提升50.434%、18.762%，均方误差MSE值整体减少12.891%、9.558%；直观效果上CycleGAN迁移后的不同病害程度的玉米灰斑病效果更好，因此使用CycleGAN网络生成的玉米灰斑病图像更准确。     

基于多维特征数据库的玉米长势自动监测车辆设计

为了提高农作物长势预测的精度和实时性,提出了一种新的基于双目立体视觉的玉米长势自动化监测车辆,并将图像多维重构技术引入到了车辆的设计中,采用自主导航技术在无需人员进入农田的情况下,实现了玉米长势的智能远程监控。为了解决玉米叶面积采集特征数据的冗余导致信息处理速度不高的问题,提出了改进的LPP的降维方法,并对算法进行了验证。测试结果表明:采用LPP算法,能够完成对作物多维特征信息的优化降维,具有较高的实用性和准确性。对玉米长势自动化监测车辆的性能进行了测试,对生物量的预测结果表明:采用监测车辆生物量反演模型得到的长势预测量和实测量的误差较小,从而验证了监测车辆设计的可行性。     

基于数字图像处理技术的玉米长势预测

玉米长势是指玉米生长的状况与趋势，在生长期内实时掌握长势是玉米生产调控的关键，玉米长势可以通过叶面积、叶尖距、叶基角等特征参数来衡量。吉林省是我国主要的玉米种植区域，种植规模多为小地块，如果采用传统人工方式测量玉米长势，需要耗费大量人力、物力，而遥感技术适用于大面积种植，因此采用人工测量与遥感技术都具有明显的局限性。该研究采用数字图像处理技术，利用固定影像采集设备获取不同生长期玉米多尺度影像，首先利用灰度化和增强技术对影像进行前期预处理，然后使用迭代阈值分割算法提取影像中玉米植株区域，通过图像细化技术并结合参照物标定方法获取玉米植株的株高、叶尖距、叶基角和冠层面积等特征参数，最后对获取的特征参数使用回归分析建立玉米长势模型。试验结果证明，提出的方法有效可行，可以作为人工测量和遥感技术必要有益的补充。      

玉米籽粒考种信息获取装置设计与试验

考种是制约育种效率的关键环节。玉米高通量考种过程,存在籽粒堆积和粘连现象,影响籽粒考种参数的提取。本文结合玉米高通量自动考种需求,设计了籽粒考种信息获取装置。通过分析堆积籽粒回旋运动过程的受力情况并根据试验情况确定振动平台回旋速度,实现籽粒的平铺摊种。在此基础上,针对粘连籽粒图像提出了一种先分割后融合的改进分水岭算法,该方法通过比较相邻分割区域极小值与最小分水岭的差值与设定的阈值T,进行邻域融合,对过分割区域进行合并,实现粘连籽粒的准确分割,分割完成后,统计籽粒个数,并基于Graham扫描法建立单个籽粒的最小外接矩形,获取籽粒长宽参数。在构建的玉米籽粒自动考种装置上进行动态试验,结果表明,本文所提出的方法可实现玉米粘连籽粒的准确分割,单穗玉米籽粒计数正确率不低于98.05%,籽粒平均长宽与人工测量结果的决定系数R~2在0.97以上,满足自动考种在线检测的需求。     

基于无人机遥感表型监测的苎麻优质种质资源筛选方法

苎麻是重要的纤维作物之一,由于土地资源紧缺及优良品种的推广应用等原因,苎麻遗传变异和遗传多样性减少,对苎麻种质资源多样性调查和保护的需求日趋加大。基于无人机遥感的作物表型测量方法可以对不同基因型作物的生长特性进行频繁、快速、无损、精准的监测,实现作物种质资源调查,筛选特异优质品种。为了实现苎麻种质资源表型的高效综合评价,辅助筛选优势苎麻品种,本研究提出了一种基于无人机遥感影像的苎麻种质资源表型监测及筛选方法。首先,基于无人机遥感影像,利用Pix4dmapper软件生成试验区的数字地表模型（Digital Surface Model,DSM）和正射影像;然后,对苎麻种质资源关键表型参数（株高、株数、叶面积指数、叶片叶绿素含量、含水量）进行估测。基于DSM采用“差分法”提取苎麻株高,基于正射图像采用目标检测算法提取苎麻株数,采用机器学习方法估测苎麻叶面积指数（Leaf Area Index,LAI）、叶片叶绿素含量（SPAD值）、含水量;最后,根据提取的各项遥感表型参数,采用变异性分析和主成分分析方法对苎麻种质资源进行遗传多样性分析。结果表明,（1）基于无人机遥感的苎麻表型估测效果较好,株高的拟合精度为0.93,均方根误差为5.65 cm;SPAD值、含水量、LAI的拟合指标分别达到0.66、0.79、0.74,RMSE分别为2.03、2.21、0.63;（2）苎麻种质资源的遥感表型存在较大差异,LAI、株高和株数的估测值变异系数分别达到20.82%、24.61%和35.48%;（3）利用主成分分析法将苎麻种质资源的遥感表型聚类为因子1（株高、LAI）和因子2（LAI、SPAD值）,因子1可用于苎麻种质资源结构特征评价,因子2可以作为高光效苎麻资源的筛选指标。本研究将为作物种质资源表型监测和育种相关分析提供参考。