專利名稱：一種玉米出苗期的自動檢測方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于數(shù)字圖像處理和農(nóng)業(yè)氣象觀測交叉領(lǐng)域，具體涉及一種玉米出苗期的自動檢測方法，即以拍攝的田間玉米前下視序列圖像為對象，利用圖像特征來檢測玉米是否到達出苗期的方法。
背景技術(shù)：
玉米是我國主要的糧食作物之一，種植面積十分廣泛。為了提高玉米的產(chǎn)量和質(zhì)量，需要對其發(fā)育速度和進程進行了解，并分析其各發(fā)育期與氣象條件之間的關(guān)系，從而鑒定玉米生長的農(nóng)業(yè)氣象條件。然而長期以來，對于玉米各發(fā)育期的觀測主要是通過人工觀測的方式，受觀測人員主觀因素的影響較大；同時由于玉米種植地域廣、觀測周期長，利用人力進行觀測也不夠經(jīng)濟。因此，通過拍攝的玉米前下視序列圖像，借助圖像處理的手段， 對其發(fā)育期進行自動觀測就顯得十分必要。玉米出苗期是玉米營養(yǎng)生長階段第一個重要的發(fā)育期環(huán)節(jié)，有效而準確的識別這個時期，是農(nóng)業(yè)氣象觀測的重要內(nèi)容，本發(fā)明即是利用玉米前下視序列圖像對出苗期進行自動識別。2009年王傳宇等在《農(nóng)業(yè)機械學報》上發(fā)表的論文“基于雙目立體視覺的苗期玉米株形測量”中將田間正常生長的玉米植株帶土移至測定臺，利用雙目立體視覺系統(tǒng)對葉片進行分割提取，并計算葉片邊緣點的三維坐標，最終求出葉長、葉片著生高度、莖葉夾角、 葉片方位角等株形指標。但是這種方法僅對單株玉米適用，并不能應用于大面積玉米苗的自動觀測；2010年李榮春等在《玉米科學》上發(fā)表的論文“基于圖像處理技術(shù)的夏玉米群體長勢監(jiān)測研究”中通過提取地面覆蓋度的方法對夏玉米的群體葉面積指數(shù)(LAI)和干物質(zhì)積累(DMA)值進行估測，建立了覆蓋度與葉面積指數(shù)(LAI)和干物質(zhì)積累(DMA)的回歸關(guān)系模型，從而完成對夏玉米群體長勢的估計，但是僅僅利用覆蓋度這一圖像特征并不能對玉米的發(fā)育期進行準確地觀測；2010年司永勝等在《農(nóng)業(yè)機械學報》上發(fā)表的論文“基于最小二乘法的早期作物行中心線檢測方法”中利用G-R顏色特征因子分割作物與背景，再應用垂直投影法動態(tài)檢測作物行數(shù)，并獲得特征點圖像，利用特征點間的鄰近關(guān)系對特征點進行分類，對歸類后的特征點進行兩次最小二乘法擬合，得到作物行中心線。這種方法雖然可以準確地得到作物的中心線，并以此作為出苗期的判定條件，但是由于實際作物播種時中會存在苗不整齊或者缺苗，以及大量的雜草等情況，都會影響到中心線的提取。因此該方法并不適用于實際大田環(huán)境。綜上所述，盡管目前在作物生長監(jiān)測方面已有許多相關(guān)單元技術(shù)出現(xiàn)，但都因某種局限性，很難將其應用到實際大田環(huán)境的作物發(fā)育期自動觀測上來。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的在于提供一種玉米出苗期的自動檢測方法，以實際農(nóng)田采集的玉米前下視圖像為對象，利用玉米苗的空間分布特征，準確地檢測出實際大田環(huán)境的玉米出苗期時間。
一種玉米出苗期的自動檢測方法，具體為苗候選區(qū)提取步驟對實際拍攝的玉米地圖像進行圖像分割，提取苗候選連通區(qū)域；苗區(qū)域檢測步驟依據(jù)苗候選連通區(qū)域的形狀特征和面積閾值，在各苗候選連通區(qū)域檢測出玉米苗連通區(qū)域；參數(shù)統(tǒng)計步驟依據(jù)玉米苗連通區(qū)域的信息計算玉米地圖像的空間分布均勻度H 和玉米苗的總量Ω ；最終判斷步驟若空間分布均勻度H >空間分布均勻度閾值ΤΗ，并且玉米苗的總量Ω >苗數(shù)閾值！^，則表明圖像中的玉米苗到達出苗期。本發(fā)明的技術(shù)效果體現(xiàn)在本發(fā)明自動對所采集的田間玉米前下視圖像進行分割，并對苗進行自動提取，再利用苗的空間分布和數(shù)量信息，判斷該圖像區(qū)域中的玉米是否進入出苗期。該方法以表征玉米出苗時空間分布的圖像特征參數(shù)作為判斷依據(jù)，實時地對玉米生長期進行判斷，檢測結(jié)果準確率高，對分析玉米發(fā)育期與氣象條件之間的關(guān)系，鑒定玉米生長的農(nóng)業(yè)氣象條件以及對玉米的農(nóng)事活動都具有重要的指導意義。
圖1是本發(fā)明的整體流程圖；圖2是玉米大田原始圖像；圖3是對圖2進行綠色分割后的結(jié)果圖；圖4是對圖3進行苗自動提取后的結(jié)果圖；圖5是對圖4進行空間分布均勻度計算的示意圖。
具體實施例方式本發(fā)明提供一種玉米出苗期的自動檢測方法，以實際農(nóng)田采集的玉米前下視圖像為對象，利用圖像空間分布均勻度與苗的數(shù)量，來準確地檢測出玉米到達出苗期的時間。下面結(jié)合附圖來詳細說明本發(fā)明的具體實施方式
和實施步驟。圖1是本發(fā)明的整體流程圖，具體為(1)苗候選區(qū)提取步驟，如圖2所示為實際拍攝的玉米地圖像，首先對該圖像進行圖像分割，提取各綠色候選連通區(qū)域，分割結(jié)果如圖3所示；分割方法可采用環(huán)境自適應分害Ij方^去(Lei F. Tian. Environmentally adaptive segmentation algorithm for outdoor imagesegmentation. Computers and electronics in agriculture,1998,21 :153 168)、超綠算子分割方法(D. Μ. Woebbecke, G.E.Meyer，K. Von Bargen, D. Α. Mortensen. Color Indices for weed identificationunder various soil, residue, and lighting conditions. Transactions of theASAE，1995，38(1) :259 269)、基于 Mean Shift 的 LHIf象^(Zheng L, Zhang J, Wang Q. Mean-shift-based color segmentation ofimages containing green vegetation. Computers and Electronics inAgriculture, 2009,65 :93-98)等等。(2)苗區(qū)域檢測步驟，即利用形狀特征和連通域像素面積，對各綠色候選連通區(qū)域進行自動判斷，若連通域特征屬于閾值范圍，則確定為玉米苗連通域，否則剔除該連通域，對圖3進行處理后的結(jié)果如圖4所示；所述形狀特征可以采用傅里葉描述子、偏心度、與連通域具有相同二階矩橢圓的長短軸之比等等。本實施例選擇與連通域具有相同二階矩橢圓的長短軸之比作為形狀特征，閾值范圍為W，3]；連通域像素面積閾值需根據(jù)相機參數(shù)與相機高度通過實驗確定。本實施例的面積閾值取[30，150]，單位為像素，圖像分辨率為 1620X 1772像素，相機高度為5米，相機焦距為16毫米。(3)參數(shù)統(tǒng)計步驟，即利用圖像中苗的連通域信息，計算圖像的空間分布均勻度 H，并且統(tǒng)計出全圖中苗的數(shù)量Ω ；空間分布均勻度的計算步驟如下a.首先對玉米苗圖像進行網(wǎng)格化，按長寬等分為M*M個區(qū)域，網(wǎng)格劃分盡量滿足網(wǎng)格區(qū)域的邊長大于玉米苗的長度和寬度，圖5給出一個實例，該圖像中M = 5。b.統(tǒng)計每個網(wǎng)格區(qū)域中苗的數(shù)量Ni,，Ni表示第i個區(qū)域中苗的數(shù)量，其中i = 1,…，M*M ；c.按照公式(1)分別計算出每個區(qū)域苗的出現(xiàn)概率Pi,其中i = 1，. . .，M*M ；
_NiPi 二 ^mTMT- (1)
λ =ι Nid.最后，按照公式(2)求出整幅圖像的空間分布均勻度，其中Pi為每個區(qū)域苗出現(xiàn)的概率。H 二 — E1r^fPiInPi (2)全圖中苗的數(shù)量可根據(jù)網(wǎng)格內(nèi)苗數(shù)的總和求得，即Ω= Tf=TNi;(4)最終判斷步驟，即若當前圖像按照上述步驟計算出來的空間分布均勻度H大于閾值ΤΗ，并且全圖苗的數(shù)量Ω大于苗數(shù)閾值ΤΩ，則表明圖像已到達出苗期，否則未到達出苗期。空間分布均勻度的取值范圍與網(wǎng)格數(shù)有關(guān)，即
，通過設定空間均勻度的閾值ΤΗ，來對是否出苗進行判斷，本實施例的M取5，Th取1. 93。苗數(shù)閾值與玉米苗的播種密度、相機拍攝實際面積有關(guān)，需根據(jù)實驗確定。本實施例中相機拍攝的實際面積為20 平方米，播種密度為10株每平方米，苗數(shù)閾值1^取150。將本發(fā)明在多個農(nóng)業(yè)氣象觀測臺站的樣田進行試驗，自動檢測的結(jié)果顯示，本發(fā)明所獲得的出苗期時間與人工觀測的時間相一致，檢測結(jié)果準確率高，對分析玉米發(fā)育期與氣象條件之間的關(guān)系，鑒定玉米生長的農(nóng)業(yè)氣象條件以及對玉米的農(nóng)事活動都具有重要的指導意義。
權(quán)利要求
1.一種玉米出苗期的自動檢測方法，具體為苗候選區(qū)提取步驟對實際拍攝的玉米地圖像進行圖像分割，提取苗候選連通區(qū)域； 苗區(qū)域檢測步驟依據(jù)苗候選連通區(qū)域的形狀特征和面積閾值，在各苗候選連通區(qū)域檢測出玉米苗連通區(qū)域；參數(shù)統(tǒng)計步驟依據(jù)玉米苗連通區(qū)域的信息計算玉米地圖像的空間分布均勻度H和玉米苗的總量Ω ；最終判斷步驟若空間分布均勻度H >空間分布均勻度閾值ΤΗ，并且玉米苗的總量 Ω >苗數(shù)閾值！^，則表明圖像中的玉米苗到達出苗期。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的玉米出苗期的自動檢測方法，其特征在于，所述參數(shù)統(tǒng)計步驟具體為a.對玉米苗圖像進行網(wǎng)格化得到M*M個區(qū)域；b.統(tǒng)計每個網(wǎng)格區(qū)域中苗的數(shù)量Ni,i = 1，…，M*M;c.計算玉米苗圖像的玉米苗總量
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的玉米出苗期的自動檢測方法，其特征在于，所述空間分布均勻度閾值Th的取值范圍為
。
全文摘要
本發(fā)明提供一種玉米出苗期的自動檢測方法，該方法自動對所采集的田間玉米前下視圖像進行分割，并對玉米苗進行提取，再利用苗的空間分布和數(shù)量信息，判斷該圖像區(qū)域中的玉米是否進入出苗期。該方法以表征玉米出苗時空間分布的圖像特征參數(shù)作為判斷依據(jù)，實時地對玉米生長期進行判斷，檢測結(jié)果準確率高，對分析玉米發(fā)育期與氣象條件之間的關(guān)系，鑒定玉米生長的農(nóng)業(yè)氣象條件以及對玉米的農(nóng)事活動都具有重要的指導意義。
文檔編號G06T7/00GK102592118SQ20111045816
公開日2012年7月18日 申請日期2011年12月31日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月31日
發(fā)明者余正泓, 吳茜, 張雪芬, 曹治國, 李翠娜, 白曉東, 薛紅喜, 鄢睿丞 申請人:華中科技大學