植物组织生长状况的研判系统及方法

本发明涉及植物监测，尤其涉及植物组织生长状况的研判系统及方法。

背景技术：

1、我国是农业大国，在农业生产中，作物病害经常发生，而且病害的发生速度和传播速度非常快，若某地区出现病虫害而未及时采取措施，病虫害将在短时间内大面积传播，导致作物的产量大幅减少甚至颗粒无收，因此，农业生产中植物的生长状况的监测成为必不可少的过程。现有技术中的监测方法通常采用人工辨别和通过遥感技术采集植物的图像以判断植物的生长状况。

2、一方面，农业种植的作物通常数量多、面积广，人工肉眼辨别植株是否发生病虫害这一方法会耗费大量时间和人力，易产生肉眼疲劳从而辨别效率很低，并且，一些微小病斑或颜色改变很容易被忽略，植物遭遇病虫害的初期若未及时采取相应的措施控制病虫害，由于其蔓延速度快，后期会导致植物大面积感染而产生巨大损失；而通过遥感技术，如卫星或无人机采集植物的图像，判断植物的生长状况虽然简单快捷，但是在不同的天气或者在同一天的不同时刻由于太阳光照射方向、云层散射等因素的影响，采集的图像的明暗、颜色、和清晰度的精确性会发生变化，因此，后期进行图像分析时的准确性不能得到保证。

3、另一方面，目前采集图像的角度通常是从植物的顶端朝基部进行拍摄的，这种拍摄角度单一，而植物、太阳、测量装置的空间位置是固定的，单一的拍摄角度无法观测到每株植物的生长状况，且当植物的叶片发生弯曲、倾斜、重叠或扭转时会对图像造成干扰，分析时结果不准确。

4、此外，现有技术中的植物组织生长状况的研判系统主要是基于图像采集植物特征而生成对应的比对结果，通过多维度或多角度的信息采集增加研判系统结果生成的准确性，然而，研判系统的前期采集数据的准确度通常会被忽视，因而对研判结果的影响也未被考虑。例如，当研判系统需要采集植物的叶片大小以确定植物的生长状态时，由于接收到外部的太阳光的光强度过大，部分叶片的边缘在拍摄时产生光晕，而造成叶片的识别面积小于实际面积，或者当研判系统需要采集植物的叶片颜色以判断植物是否发生病虫害时，由于温室内为植物补给的红蓝光的光强度比较低且具有颜色，采集的图像的颜色会受到影响，实际的斑块为黄色而在采集的图像中呈现褐色，使得研判结果不准确。

5、现有技术对植物生长状况的研判系统的研究通常更关注研判方法，而忽视采集的目标植物图像的精准性，即前期采集数据的准确性不能得到保证，当采集到的植物生长图像颜色受到光照、拍摄角度等因素的影响变得模糊不准确时，会影响系统对植物生长状况研判的精准性，从而导致技术人员不能第一时间发现植株生长异常，或者做出错误判断，因此不利于及时进行有效的干预，最终使得植物产量降低。

6、随着市场需求的上升，传统的育种规模无法满足当前的需求。为了尽快获得相应需求的作物品种和作物产量，需要尽量减少或避免作物培育过程中的意外，例如，不能及时发现作物感染病害的情况，以提高育种效率，缩短育种年限。因此，本技术提供植物组织生长状况的研判系统及方法，本技术方案适用于育种设备。植物生长过程的精确监测结果有助于管理人员及时发现植物生长过程中的不利因素并采取相应的措施，进而加速育种进程。

7、此外，一方面由于对本领域技术人员的理解存在差异；另一方面由于申请人做出本发明时研究了大量文献和专利，但篇幅所限并未详细罗列所有的细节与内容，然而这绝非本发明不具备这些现有技术的特征，相反本发明已经具备现有技术的所有特征，而且申请人保留在背景技术中增加相关现有技术之权利。

技术实现思路

1、现有技术中的植物组织生长状况的研判系统主要是基于图像采集植物特征而生成对应的比对结果，通过多维度或多角度的信息采集增加研判系统结果生成的准确性，目前对植物生长状况的研判系统的研究通常更关注研判方法，而忽视采集的目标植物图像的精准性，前期采集数据的准确性不能得到保证，即研判系统的前期采集数据的准确度通常会被忽视，因而对研判结果的影响也未被考虑。当采集到的植物生长图像颜色受到光照、拍摄角度等因素的影响变得模糊不准确时，会影响系统对植物生长状况研判的精准性，从而导致技术人员不能第一时间发现植株生长异常，或者做出错误判断，因此不利于及时进行有效的干预，最终使得植物产量降低。

2、针对现有技术之不足，本发明提供了植物组织生长状况的研判系统，包含：

3、检测模块，用于检测植物所处环境的第一光照强度；

4、以及与所述检测模块通讯连接的控制模块，

5、当所述检测模块检测到所述环境的第一光照强度超过或低于能够客观还原植物组织生长状况的预设光照强度范围时，所述控制模块调节所述环境的第一光照强度至预设光照强度范围内并采集所述植物的第一图像，其中，

6、所述控制模块被配置为：

7、当所述第一图像中的符合试验需求的用于提取特征数据的部位的清晰度大于标准阈值时，调节所述部位的所处环境的第二光照强度，进而获得能够用于特征数据提取的第二图像。

8、在植物培育系统中，通常是提取采集模块采集的图像或视频中的特征数据对植物生长状态进行判断，但是，由于植物所处环境的光照条件的影响，采集的图像并不能准确反映植物的实际生长状况，例如，外部环境光照过暗或过亮，导致采集的图像曝光不足或过曝，后续提取的特征的准确性也因此受到影响，如采集的图像边缘不清晰，图像中局部过暗等均会影响后期数据提取。而本发明通过检测模块在第一次采集图像前进行一次环境的光照强度的检测，判断此时的光照强度是否处于预设光强范围内，理论上，在处于预设光强范围的背景下采集的图像清晰、明暗合适，图像能够用于数据提取。当第一光照强度超过或低于预设光强范围时，控制模块控制功能输出模块将植物所处环境的光照强度调整至预设光强范围内，再进行第一图像的采集，减少无用图像的采集。采集第一图像对其可用性进行判断，当第一图像的清晰度为标准阈值时，说明第一图像能够直接用于特征数据提取；当第一图像的清晰度超过标准阈值时，说明采集的图像不能用于特征数据提取。进一步地，对符合试验需求的用于提取特征数据的部位所处的环境进行第二次光照强度的调节，与现有技术相比：本发明通过调整用于提取特征数据的部位的光照强度而保证采集的图像在后续分析中可用性。本发明的目的并不是要求完整图像均能用于特征数据提取，只需要局部的符合试验要求的目标区域能够用达到特征数据提取的要求即可。另一方面，现有技术通过调整整体的环境的光照强度保证拍摄图像的可用性，而实际操作过程方法(直接调整培育植物的空间中补光灯的亮度)并不能保证图像局部区域的清晰度达到标准，可能图像中一部分的清晰度达到要求，而另一部分的清晰度达不到要求。因此调整所述植物的用于特征数据提取的部位的所处环境的第二光照强度以采集能够用于特征数据提取的第二图像，保证用于数据提取的第二图像能够客观反映植物的真实生长状况。

9、优选地，所述系统包括具有补光单元和遮光单元的功能输出模块，其中，

10、所述补光单元通过调节其高度以改变向植株的符合试验需求的用于提取特征数据的部位所处环境投放光线的角度和第二光照强度；

11、所述遮光单元通过调节其相对所述植物高度方向的倾斜度和/或高度的方式改变植物的所述部位所处环境的第二光照强度。

12、本发明中，调整环境光照强度是通过改变补光单元和遮光单元的高度和倾斜度实现的，与现有技术中直接增加或减少补光单元的光照强度具有显著区别。直接增加或减少补光单元的光照强度只能影响整体环境的亮度，并不能保证采集的图像中的每一部分的亮度均处于合适的范围，例如，采集的图像过暗，增加补光单元的光照强度，再次采集图像后会发现有的部分亮度合适，有的部分过曝，采集的图像仍旧不适合于特征数据提取。而本发明对采集的清晰度超过标准阈值的图像进行原因分析，确认是曝光不足或过曝，再进一步针对图像中的曝光不足或过曝的植物部位所处环境的光照条件进行调节，以解决图像中用于数据提取的区域的曝光不足或过曝问题。

13、优选地，当所述第一图像中的所述植物的符合试验需求的用于提取特征数据的部位所处的目标区域的清晰度大于所述标准阈值时，所述控制模块控制所述功能输出模块的高度或倾斜度以获取所述第二图像。当第一图像的清晰度超过标准阈值时，说明采集的图像不能用于特征数据提取，进一步地，调整功能输出模块的高度或倾斜度以调整符合试验需求的用于提取特征数据的部位所处的目标区域的光照强度，有针对性地改变所述目标区域对应地植物的部位的光照条件，避免出现所述目标区域中局部仍旧处于曝光不足或过曝的情况。

14、优选地，所述控制模块包括获取所述目标区域的清晰度的第一判断单元和获取所述目标区域的亮度值的第二判断单元，其中，当所述第一判断单元获取的所述目标区域的清晰度大于所述标准阈值时，所述第二判断单元获取所述目标区域的亮度值。当第一图像的清晰度为标准阈值时，说明第一图像能够直接用于特征数据提取，当第一图像的清晰度超过标准阈值时，说明采集的图像不能用于特征数据提取，需要判断引起清晰度超过标准阈值的原因，因此开启第二判断单元以获取所述目标区域的亮度值，该设置的好处在于只有当清晰度超过标准阈值时才开启第二判断单元，减小控制模块的运行压力。

15、优选地，基于所述第一图像中的目标区域的清晰度大于所述标准阈值，所述控制模块获取所述目标区域的亮度值以获得所述目标区域处于曝光过度或曝光不足的结果。本发明通过获取目标区域的亮度值来判断目标区域处于曝光过度或曝光不足，亮度值能够反映图像画面的明亮程度，在曝光程度方面的判断具有准确性高的优点。

16、优选地，当所述目标区域的亮度值超过能够反映植物生长状态的有效范围的最大值时，所述控制模块通过降低所述补光单元的高度、降低所述遮光单元的高度或减小所述遮光单元的倾斜度的方式减小所述目标区域的亮度值，进而获得用于特征数据提取的第二图像。亮度值超过有效范围的最大值，说明图像过暗，通过减小亮度值提高图像的明亮程度，本发明通过对所述目标区域对应的植物部位的光照条件进行调节以提高图像的明亮程度。具体地，降低所述补光单元的高度，使得光源与目标区域对应的植物部位的距离减小，增加了所述植物部位所处环境的光照强度。降低所述遮光单元的高度能够减少对光源的遮挡，使得光源投射至所述植物部位的光线更充足。由于所述植物部位所处环境的光照不足，减小遮光单元的倾斜度能够使得投射至所述植物部位的光线更充足。

17、优选地，当所述目标区域的亮度值低于能够反映植物生长状态的有效范围的最小值时，所述控制模块通过增加所述补光单元的高度、增加所述遮光单元的高度或增大所述遮光单元的倾斜度的方式增加所述目标区域的亮度值，进而获得用于特征数据提取的第二图像。亮度值小于有效范围的最小值，说明图像过亮，通过增加亮度值降低图像的明亮程度，本发明通过对所述目标区域对应的植物部位的光照条件进行调节以降低图像的明亮程度。具体地，增加所述补光单元的高度，使得光源与目标区域对应的植物部位的距离增大，进而减小所述植物部位所处环境的光照强度。增加所述遮光单元的高度能够增加对光源的遮挡，使得光源投射至所述植物部位的光线减少。由于所述植物部位所处环境的光照过强，增加遮光单元的倾斜度能够使得投射至所述植物部位的光线减少，进而降低所处环境的光照。

18、优选地，所述系统还包括用于所述特征数据提取的数据处理模块，其中，

19、当获得所述第二图像时，所述数据处理模块提取所述目标区域中的特征数据。本发明中，只有当获取的图像能够用于特征数据提取时，数据处理模块才开启工作，而非每次采集图像均会启动数据处理模块，减少无用数据的产生，尽量降低数据处理模块的运行负荷。

20、优选地，所述数据处理模块获取的所述植物的特征数据包括：植株高度、叶面积、叶片颜色、茎颜色、花朵形态、花朵颜色、果实颜色、叶绿素水平、叶片氮素水平中的一种或多种。由于采集的用于特征数据提取的图像的清晰度能够客观还原植物的真实状况，因此特征数据至少能够包括株高方面、颜色方面、外部形态方面的数据，而通过对叶片颜色的分析能够进一步获得叶绿素、氮素水平。

21、本发明还提供植物组织生长状况的研判方法，包括以下步骤：

22、检测植物所处环境的第一光照强度；

23、调节所述环境的第一光照强度至能够客观反映植物组织生长状况的预设光照强度范围；

24、采集所述植物的第一图像；

25、判断所述第一图像的符合试验需求的用于提取特征数据的部位所处的目标区域的清晰度；

26、当所述目标区域的清晰度大于标准范围时，控制植物的所述部位所处环境的光照强度以获得能够用于特征数据提取的第二图像；

27、提取所述植物的特征数据。

28、本发明的有益效果：

29、1.现有的温室中会根据植物的生长需求选择红外、红色、橙色、黄色、蓝色、绿色等光谱组合为植物提供合适的光源，由各种不同比例的光谱组合形成特定的光色成分，光色决定了图像总色调的倾向，当在蓝光比例大的背景下进行拍摄时，图像会显得灰暗，不利于后续数据提取的准确性，而本发明通过设置补光单元调整环境光强，能够减小光色成分对图像色调的影响。

30、在一些情况下，为了促进植物生长，夜间也会为植物提供光照，但是夜间对植物进行光源供应的光照强度会低于日间提供的光照强度，以尽量减少对植物的生物节律的影响，因此在夜间采集图像进行分析，由于环境光照强度较低，采集的图像会影响特征数据提取的准确性；另一些情况下，针对不同的植物温室中供光策略不同，例如交替供光、间歇供光、渐变供光等策略，以间歇供光策略为例，在一段时间内开启光源进行供光，在一段时间内停止供光，当图像采集时段在停止供光阶段，则此时采集的图像过暗，不能提取出准确的数据用于后续分析；此外，在一些大棚种植中，为节约能耗，当天气晴朗阳光充足时，管理人员利用透镜聚集光线以提高栽培区域内的光照强度，此时栽培区域的光照强度能够达到90000lux，在该条件下采集的图像也会影响分析结果的准确性。

31、本发明的光检测单元、补光单元、遮光单元能够很好地解决上述问题，光检测单元在第一次采集图像前会进行一次环境的光照强度的检测，判断此时的光照强度是否处于预设光强范围内，理论上，在处于预设光强范围的背景下采集的图像清晰、明暗合适，图像能够用于数据提取，当检测到环境的光照强度低于预设光强范围的下限，补光单元能够对植物所处的环境进行补光以使得光照强度处于预设光强范围内；当检测到环境的光照强度超过预设光强范围的上限，遮光单元能够对植物所处的环境进行遮光以使得光照强度处于预设光强范围内。当植物所处环境的光照强度处于预设光强范围内时，进行第一图像的采集。

32、2.当外部环境的光照强度处于理论上能够采集到明暗适中的图像的预设光强范围时，图像采集模块采集第一张图像，控制模块判断该图像实际是否清晰并可用于特征数据提取，当控制模块的第一判断单元判断该图像的清晰度大于标准阈值，其不能用于特征数据提取时，第二判断单元启动，对模糊的图像进行判断分析，判断该模糊图像是由曝光不足或过度曝光引起的，针对引起模糊的原因，控制模块控制补光单元的高度和角度、遮光单元的倾斜度和高度以调整环境的光强，当调整后的环境的光照强度仍然过高或过低，控制模块继续控制补光单元和遮光单元，直到采集的图像清晰自然、能够用于特征数据的提取。该设置的好处在于首先将环境光照强度调整至预设光强范围后再进行第一次图像采集，减少无用图像的采集，并且，在采集图像后对图像的可用性进行判断，相比于传统的直接将采集的图像用于数据提取，该设置能够判断出不可用于数据提取的图像，并调整环境因素，使得最终采集的图像清晰自然，基于采集图像的准确性，后续通过该图像提取的特征数据的可靠性得到保证。

33、3.本发明通过检测采集的图像中的目标区域的清晰度和亮度值判断图像的可用性，这样设置的原因是，根据不同的试验需要，例如，提取叶片面积、提取叶片病斑、提取果实颜色等不同的试验目的，图像的可用性的标准不同，当试验目的为提取果实颜色时，若采集的图像中的果实所在的目标区域的清晰度和/或亮度值处于预设范围，而图像中的其他部位所在区域无论清晰与否，均不会影响数据提取，因此，只需要目标区域的清晰度和/或亮度值处于预设范围即可达到目的。与现有技术相比，本发明利用补光单元和遮光单元的高度和/或倾斜度的调节对图像中的目标区域所对应的植物部位所处环境的光照强度进行调节，有针对性地调节植物特定部位的光照强度，有效减少了无用图像采集的次数，现有技术中通常是整体调节补光单元的亮度来采集图像，例如，采集的图像显示为曝光不足，增加补光单元的光照强度，由于补光单元的投射距离或投射角度的影响，采集图像中的部分区域可能呈现出一部分为正常亮度，另一部分曝光过度，图像的可靠度不高，增加采集图像的次数，浪费科研资源。

34、4.本发明的技术方案适用于育种设备。在作物的生长阶段，需要持续监测其生长情况。现有技术通常利用图像采集设备获取作物的生长状况，但是由于外部环境的影响，采集的图像在一些情况下并不能反映作物真实的生长情况，进而错过采取相应措施的最佳时间。例如，植物感染病害初期未对其采取相应措施时，后期作物生长速度减缓，甚至出现死亡，即使作物长出果实，果实的品质也是比较差的，不满足市场需求。而本发明提供的技术方案能够获得作物生长过程中的精确监测结果以及时发现不良状况，减少了作物发育途中的意外情况的发生，育种效率提高且育种周期缩短。

35、在当前农业背景下，食物系统转型升级，粮食需求强劲，加速育种尤其重要。在保证育种设备中的作物的各生长阶段均处于最适条件的基础上，可获得作物最快成熟的极限。加速育种在保障国家粮食安全具有巨大的发展潜力。此外，在非可耕地、荒漠、戈壁甚至在太空等特殊空间中，将本发明提供的技术方案应用于育种设备能够在育种中发挥巨大作用。