[发明专利]基于计算机视觉技术的温室作物水肥胁迫状态识别方法

说明书

技术领域

本发明属于温室植物监测领域，具体涉及一种基于计算机视觉的温室作物水肥胁迫状态识别方法。

背景技术

 设施农业作为新型的农业生产方式，已经成为解决人口、粮食、土地矛盾的重要途径。当前，我国设施农业生产中普遍存在科技含量低、劳动强度大、生产水平和效益低下，迫切需要技术改进，特别是利用现代信息技术，实现对设施温室环境进行自动控制和智能化管理，以提高我国设施农业生产技术水平，进一步提高经济效益和资源利用率。要实现温室环境的精准控制，获取作物生理状态包括水分、营养等信息是至关重要的。传统的温室环境水分、营养液控制是根据人工观测或预设参数进行，而不是针对植物特定时刻的特定需要。接触性测量常用于确定植物的生理特征，但存在操作不方便、费时费力、具有破坏性、易受主观因素影响、不适合实时监控等特点。当作物出现水分不足、营养缺乏等胁迫特征时，会严重影响其生长。为此，必须尽早辨识甄别，以便进一步采取措施进行控制，避免遭受损失。植物胁迫状态通过叶面反映出来，如缩卷、枯萎、下垂、发黄。叶片这种结构变化会改变光的反射，引起的颜色或纹理方面的细微变化可用于监测植物的生理变化[1]。利用计算机视觉系统对植物生长进行非接触测量具有快速无损、及时准确、全天候等特点[2]，并且可获取作物的生长参数、整体状态信息并辨识其特殊需求，为合理灌溉和环境控制提供可靠依据，有效提高资源利用，节约能源消耗，提升产品品质，降低作业成本，达到提高产量、节约成本、保护环境的目的。

（1）水分状态监测方面。植物利用水分维持叶片健康，当水分供给不足而无法满足蒸腾作用时，叶片气孔关闭，蒸腾减少，光合作用减弱，叶片枯萎[3]。不管生理因素或非生理因素导致的作物缺水都会影响作物生长和新陈代谢，严重的会影响作物产量。作物缺水的早期诊断对于增加产量、减少损失尤为重要。叶片含水率、茎流法等由于提供了植物水分状态的直接信息而被广泛用于植物水分状态分析[4]，但存在直接接触、破坏性采样、采集样本有限的缺点，难以获得大规模的商业推广应用。人眼对光的感知个体差异较大，而且不同人对缺水症状的颜色和样式估计就有差异，计算机视觉可以弥补这一缺陷。Seginer I等（1992）[5]通过对完全成熟的番茄叶片的观察实验表明，叶尖的垂直运动与缺水、二氧化碳吸收率高度相关。Kurata K 等（1996）[6]利用图像分析获取了番茄叶轴的倾角，并将其与植株水分进行关联。Revollon P等（1998）[7]利用观赏植物的叶尖轴线与水平线之间夹角的变化对植物缺水展开研究。Kacira M等（2002）[8]则利用叶冠顶部投影面积（Top Projected Canopy Area,TPCA）作为识别特征并建立植物缺水的检测指标。Foucher P等(2004)[9]利用神经网络分割作物图像，对TPCA计算一阶不变矩、分形维数、平均茎秆骨架长度等三个形状特征，通过对缺水和正常灌溉的两组盆栽植物的对比实验表明，通过选取合适的阈值，三个特征都可以诊断出作物的缺水症状。Ondimu S N等（2008）[1]从苔藓图像的灰度和彩色协方差矩阵中抽取了6个纹理特征，并利用多层感知器神经网络对缺水状态进行识别。

中国专利“基于计算机视觉的作物需水信息检测新方法”(申请号: 200510041045)，利用参考物来测量作物茎杆尺寸和果实大小的新方法，用于检测作物需水信息，检测系统由大小适当的参考物、图像采集设备、图像采集卡和计算机组成；利用计算机视觉非接触测量作物茎杆和果实，通过把参照物放置在待测的作物茎杆和果实附近，通过相应的图像处理算法得到作物茎杆尺寸和果实大小，从而得到作物需水信息。“基于计算机视觉的灌溉水车系统” （申请号: 2006100287346），包括一合包含数据库中心以及用以监控及实时显示信息的远程监控机；一个嵌入式单板机、可编程序控制器以及数显设备构成的灌溉控制箱；一个进行实时图像采集的CCD摄像机；一个控制水车行走速度和启停的变频调速器以及与变频调速器连接的继电器、电磁阀和执行机构；以及用于获取当前水车行走速度和行走距离的光电脉冲编码器和获取当前灌溉量的脉冲式流量计；进行实时无线通信的无线以太网装置；用于控制微喷喷头开关的电磁阀以及灌溉水车的行走轨道等组成。根据获取的植物大小与数据库中存储的历史信息比较，确定灌溉量。