一种玉米叶面积无损动态监测装置与方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及智能农业技术领域，特别是涉及一种玉米叶面积无损动态监测装置与方法。
【背景技术】
[0002]叶面积是衡量作物生长发育情况和生产能力的重要指标。玉米是重要的粮食作物，对玉米叶面积的测量一直是农业科研人员的重要工作内容之一。分别测量每个叶片长度和宽度，再用经验公式估算的传统测量方法，费时费力，准确性低，而且容易对玉米的叶片造成损坏，进而影响光合能力。部分叶面积仪采用逐片扫描叶片图像，计算叶面积，在一定程度上提高了采集精度，但玉米的叶片多达30片左右，叶片高度最高可达3米，而且叶片基部为环绕茎杆的圆形，基部和中部为浅“V”型，不容易进行扫描操作，且容易损坏叶片。
[0003]在叶面积测量的专利中，主要有以下几种，专利CN201410201645公开了一种通过实验数据与遥感数据结合的模型遥感监测小麦叶面积指数的方法，可以实现大面积小麦叶面积指数的估测，但需要定点试验相结合，准确性较低。专利CN201410229812.3公开了一种叶面积指数测量方法和系统，实现了测量的准确性，但需要通过毁坏性取样，要将叶片从植株上采摘下来进行扫描，采集的数据之间可比性差，而且难以实现叶面积的动态监测。专利CN201010231726.8公开了一种半球摄影法测量水稻叶面积指数的方法，但难以高效应用在植株高大的玉米叶面积测量上，而且该方法将图像转换为二值灰度图像，不能识别玉米的枯黄叶片面积，在生育中后期难以应用。专利CN201320029088.0公开了一种测量作物叶面积的系统，采用四角支架配合白板采集每个叶片的图像，经过处理得到每个叶片的面积，由于玉米植株高(通常在2米左右)、密度大(每亩5000株左右)，该方法在采集玉米叶面积时适应性差，操作时容易受到遮挡并对植株造成物理损伤。
【发明内容】
[0004](一 )要解决的技术问题
[0005]本发明要解决的技术问题是:提供一种玉米叶面积无损动态监测装置与方法，实现对玉米叶片田间生长进行动态监测，在不损伤玉米叶片的同时，提高叶面积监测的便捷性和监测精度。
[0006]( 二 )技术方案
[0007]为了解决上述技术问题，本发明提供一种玉米叶面积无损动态监测系统，其包括图像采集模块、信息传输模块和图像处理模块；上述图像采集模块用于采集待监测玉米植株8个位点的多维图像，信息传输模块将所采集图像传送至图像处理模块，由图像处理模块计算获取待监测玉米叶面积；
[0008]所述图像采集模块包括位置信息采集单元、位置信息确定单元、图像采集单元、图像质量控制单元和图像存储单元；所述位置信息确定单元用于确定图像采集点的位置，位置信息采集单元采集图像采集模块的位置信息和图像采集点的位置信息，图像采集单元根据所确定的图像采集点进行8个位点的玉米叶片图像采集，图像质量控制单元对所采集图像的位置和质量进行检查确认，图像存储单元对符合要求的图像进行存储；
[0009]所述图像处理模块包括颜色识别单元、形状识别单元、角度矫正单元、距离测量单元和面积计算单元；颜色识别单元对所采集玉米叶片的颜色进行识别，确定出鲜活玉米叶片区域、叶脉区域、枯黄玉米叶片区域、杂物区域；形状识别单元根据颜色识别结果，标记出玉米叶片的叶脉和边线，并对其中被其它叶片遮挡的部分根据遮挡前后截面进行延伸补齐；根据叶脉状态识别叶片三维姿态，分段标记各片玉米叶的长度、宽度和偏离水平方向角度；角度矫正单元根据多个位点的图像，将玉米叶片统一矫正为正面为竖直方向；距离测量单元根据图像信息采集点的角度、与玉米植株的距离、离地面的高度等信息计算图像尺寸与实际尺寸的缩放比例，测量叶片的宽度、长度、高度的三维数字信息以及株高信息；面积计算单元计算出每一片绿叶的面积及枯叶面积，加和即为单株玉米的绿叶面积和枯叶面积。
[0010]其中，所述位置信息采集单元包括gps定位仪、陀螺仪和加速度计，gps定位仪用于采集图像采集点的经玮度和海拔信息，陀螺仪用于采集图像采集模块的运动角度和轨迹，加速度计用于采集图像采集模块运动的速度和距离。
[0011]其中，所述位置信息确定单元包括位置指示和位置对准两个部分，位置指示部分根据图像采集的要求指示8个图像采集位点进行图像采集，并显示在屏幕上；位置对准部分根据位置指示指导拍摄者将图像采集框与位置指示框对准。
[0012]其中，所述信息传输模块包括无线发送单元、无线接收单元和完整性校验单元，无线发送单元将采集的信息转换成无线电信号，并通过无线调频方式发送；无线接收单元通过无线调频方式接收信息，并将接收的无线电信号转换成数字信息；完整性校验单元通过对发送和接收的信息特征进行比对，确保传输无误和信息完整。
[0013]本发明还提供了一种玉米叶面积无损动态监测方法，其包括以下步骤:
[0014]步骤一:采集待监测玉米叶片的8个不同位点的多角度、多维度图像:
[0015]确定8个不同位点及每个位点的地理位置信息；对应每个位点，采集一幅图像，所采集图像对应的位置信息和图像的质量参数信息与所确定的位点的地理位置信息和图像质量要求信息一致，然后将图像进行存储；
[0016]步骤二:将所采集的图像信息传送至图像处理模块，计算玉米叶面积:
[0017]首先对所采集玉米叶片的颜色进行识别，确定出鲜活玉米叶片区域、叶脉区域、枯黄玉米叶片区域、杂物区域；根据颜色识别结果，标记出玉米叶片的叶脉和边线，并对其中被其它叶片遮挡的部分根据遮挡前后截面进行延伸补齐；根据叶脉状态识别叶片三维姿态，分段标记各片玉米叶的长度、宽度和偏离水平方向角度；根据8个位点的图像，将玉米叶片统一矫正为正面为竖直方向；根据图像信息采集点的角度、与玉米植株的距离、离地面的高度等信息计算图像尺寸与实际尺寸的缩放比例，测量叶片的宽度、长度、高度的三维数字信息，计算出每一片绿叶的面积及枯叶面积，加和即为单株玉米的绿叶面积和枯叶面积。
[0018]其中，所述步骤二中，对所采集玉米叶片的颜色进行识别的过程为:根据颜色特征，识别绿色为鲜活玉米叶片、灰白色为叶脉，黄色为枯黄玉米叶片，其它为杂物；对玉米叶片区域进行识别和标记，标记出鲜活玉米叶片区域、叶脉区域、枯黄玉米叶片区域、杂物区域；同时对不同图像中的同一元素进行标记和识别，避免重复；根据玉米穗圆锥形的特点，区分玉米叶和玉米穗。
[0019]其中，所述步骤二中，分段标记各片玉米叶的长度、宽度和偏离水平方向角度时，叶片姿势相同的区域为同一区段，姿势不同的区域分别标记。
[0020]其中，所述步骤二中，将玉米叶片统一矫正为正面为竖直方向的过程为:矫正分为叶片纵向矫正和横向矫正两个步骤，其中纵向矫正叶片宽度不变，根据夹角调整叶片长度，计算公式为y z =y/sina，yz为矫正后的叶片长度，y为图测叶片长度，a为叶片偏移水平方向的角度；横向矫正叶片长度不变，根据夹角调整叶片宽度，计算公式为X z = X/sina，x z为矫正后的叶片宽度，X为图测叶片宽度，a为叶片偏移水平方向的角度。
[0021](三)有益效果
[0022]上述技术方案具有如下优点:采取定位图像采集和图像分析相结合的方法，设备轻便、操作简易，能够在田间快捷、方