基于葉片色度與仰角分析的農作物生長狀態監測

張曉云

（聊城大學 物理科學與信息工程學院，山東 聊城 252000）

農作物生長狀態是調控作物生長、進行作物營養缺素診斷、分析和預測產量的重要基礎和根據。利用計算機技術對植物生長狀態監測，是計算機視覺研究的熱點之一。目前對作物長勢信息的研究，大多都是在外部光照條件一定的情況下進行的，介紹在自然光照條件下進行研究的文獻較少。本文以花生為例，研究了在不同土壤濕度下，處于盛花期的花生植株的葉片顏色和葉片與莖干的夾角的變化。

1 理論依據

1.1 圖像采樣

試材為花育16號。試驗在聊城大學農學院玻璃溫室內完成的。將植株移栽于直徑為20 cm的瓦盆中，栽培土壤為自配的中性土壤。對植物進行定期透水，土壤水分含量設5個等級：90%，80%，70%，60%和50%。當花生植株自頂部下數第2片功能葉基本展開后開始采集圖像，間隔一天采集一次，每次采集圖像的時間在上午10點和下午3點左右，為避免光照對葉片顏色的影響，拍攝圖像時將植株與標準變色卡同時拍攝，以盡可能精確地獲得圖像RGB值。

圖像采集分以下兩種情況[1]：（1）每次對圖像進行采集時，將與被采集葉面水平和垂直的方向分別采集一次。（2）因植物都有一個生長周期，跟蹤采集的時間相對較長，植株下部的葉片容易枯萎，為了不影響實驗的精確度，采集圖像時所選取的葉片均為自頂部下數第2片功能葉。

1.2 圖像預處理

花生葉片采集處理流程如圖1所示，在對葉片采樣時難免會受到干擾，使圖像存在一些噪聲，對特征值的提取造成影響，所以要先對葉片圖像進行濾波消噪。線性高通濾波器可使用具有正和負的系數的2-D卷積模板來實現[2]，這些模板對應對拉普拉斯算子的數字近似，即一個簡單的，各項同性的（即旋轉不變的）二階倒數算子，它能對任何方向的亮度過度產生影響。

1.3 顏色特征提取

顏色直方圖是顏色值的函數，描述的是圖像中具有該顏色值的像數的個數，其橫坐標為顏色值，縱坐標是該顏色值出現的頻率。如式（1）所示，式中n是總像素數，p（rk）是第k個灰度級的概率[3]。

圖1 植物葉片采集處理流程

現有的提取圖像顏色特征的直方圖方法有[4]：提取直方圖的均值、方差、歪斜度、峭度、熵等，這些直方圖法大部分反映的是直方圖形狀的特征，而缺水葉片和正常葉片的百分率直方圖的形狀比較相似，如圖2所示。

圖2 濕度為90%的葉片顏色直方圖

1.4 葉片仰角的提取

Harris多尺度角點檢測的原理[5]：從樣本中任取5片葉片通過Harris角點算法得到的角點與手動選取的角點如表1所示。

2 試驗結果與分析

2.1 圖像處理

從花生葉片在土壤濕度為50%時的葉片顏色直方圖顯示的雙峰現象，說明圖像的背景和葉片灰度分布比較集中，通過閾值分割的方法進行圖像分割，通過R,G,B通道分離，分別檢測相同濕度下10片花生葉片，取其G值并平均，然后用Angle_II函數分別計算每片葉片與水平線的夾角也取平均值，結果如表2所示。

表1 手選與Harris算法得到的角點對比

表2 不同土壤濕度下葉片G分量與仰角的平均值

如圖3所示，在不同土壤濕度下，花生葉片的顏色G分量呈現離散狀態，添加線性回歸曲線，橫坐標土壤濕度，縱坐標顏色G分量，得到土壤濕度與顏色G分量的關系式是：y=-0.51x+89，土壤濕度與顏色G分量的決定系數R2=0.927 68。

土壤濕度與花生葉片仰角差關系如圖4所示，添加線性回歸曲線，橫坐標土壤濕度，縱坐標葉片仰角差，土壤濕度與葉片仰角差的關系式：y=1.184x－60.1，土壤濕度與仰角差的決定系數R2=0.989 3。

2.2 實驗結果

在日光條件下采集花生葉片圖像，利用圖像處理技術對其RGB分量和仰角進行了分析，得出以下結論：土壤的水分含量與葉片的仰角、G分量有相關性較大，而與其他的分量相關性不明顯，因此，可通過圖像處理檢測農作物植株葉片的仰角和G分量判斷植物生長所需要土壤濕度，以避免因土壤濕度而造成的農作物產量損失。由于圖像分割處理的難度較復雜，很多關鍵技術尚不成熟，存在不足之處，在具體的工程實踐中，仍然需要摸索和積累經驗。

圖3 不同土壤濕度與G分量的關系

圖4 土壤濕度與葉片仰角差的關系

[參考文獻]

[1]羅錫文，藏英，周志艷.精細農業中農情信息采集技術的研究進展[J].農業工程學報，2006（1）：167-173.

[2]胡永光，李萍萍.日本的植物工廠及其新技術[J].世界農業，2002（11）：44-46．

[3]王成良，謝克家，劉昕.多核圖像處理并行范式的研究與應用[J].計算機工程，2011（14）：74-79.

[4]張小洪，李博，楊丹.一種新型的Harris多尺度角點檢測[J].電子信息學報，2007（1）：138-146.

[5]YUNSEOP KIM，EVANS R G.Remote sensing and control of an irrigation system using a distribution wireless sensor network[J].Instrumentation and Messurement，2008（7）：1379-1387.