馬偉+王秀

【摘要】植物長勢的監(jiān)測是作物健康的第一手?jǐn)?shù)據(jù)，準(zhǔn)確獲得長勢數(shù)據(jù)對于生產(chǎn)精準(zhǔn)管理非常關(guān)鍵。本文將手機(jī)作為信息采集終端，并基于服務(wù)器進(jìn)行的云計(jì)算和信息共享，對單個(gè)葉片和區(qū)域作物長勢進(jìn)行圖像監(jiān)測，結(jié)果表明葉面積指數(shù)圖像和統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的精度達(dá)到0.1cm2。通過信息化手段搭建系統(tǒng)，通過實(shí)時(shí)獲取作物的圖像等信息，進(jìn)行自動(dòng)分析和決策，獲得無損、快速、準(zhǔn)確的長勢信息對于溫室生產(chǎn)具有重要意義。

背景

溫室植物長勢監(jiān)測一直是溫室作物生產(chǎn)的研究熱點(diǎn)，國內(nèi)外的學(xué)者通過各種方法獲取植物的長勢。果實(shí)膨大傳感器是獲取植物果實(shí)生長的數(shù)據(jù)，并能獲得果實(shí)的歷史數(shù)據(jù)。葉面積測量儀可以獲得葉片的面積指數(shù)等信息，來診斷植物的長勢。通過手機(jī)獲得圖像并能快速處理得到植物長勢的數(shù)據(jù)，不但能降低應(yīng)用成本，而且能基于智能手機(jī)獲得準(zhǔn)確的植物生長信息，非常適合大規(guī)模推廣。

原理

基于智能手機(jī)直接拍照獲取溫室植物的圖像，通過3G/4G網(wǎng)絡(luò)經(jīng)過網(wǎng)關(guān)處理后，發(fā)送給服務(wù)器，系統(tǒng)的處理程序在服務(wù)器端對圖像進(jìn)行處理，提取關(guān)鍵的葉面積指數(shù)，存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)倉庫中，多個(gè)用戶在線對數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢。葉面積指數(shù)（leaf area index）又叫葉面積系數(shù)，是指單位土地面積上植物葉片總面積占土地面積的倍數(shù)（葉面積指數(shù)=葉片總面積/土地面積）。單株的植物圖像可以獲得特定植物的葉片歸一化植被指數(shù)（NDVI）。歸一化植被指數(shù)是反映農(nóng)作物長勢和營養(yǎng)信息的重要參數(shù)之一。根據(jù)該參數(shù)，計(jì)算出不同季節(jié)的農(nóng)作物對氮的需求量，對合理施用氮肥具有重要的決策作用。一壟上的植物圖像可以獲得整條壟上作物的葉面積統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)和葉片歸一化植被指數(shù)。成片的植物圖像可以獲得特定區(qū)域植物的葉面積，見圖1。

系統(tǒng)的功能模塊面向的對象有農(nóng)戶、管理人員、超市采購經(jīng)理、植物醫(yī)生和顧客。農(nóng)戶負(fù)責(zé)拍照并上傳生產(chǎn)管理中的圖像。管理人員對圖像甄別和篩選，并對其進(jìn)行授權(quán)管理。超市采購經(jīng)理參照植物長勢制訂采購計(jì)劃。植物醫(yī)生針對植物的健康狀況提出專業(yè)的植物保護(hù)建議。顧客查詢感興趣的長勢信息來確定消費(fèi)計(jì)劃，見圖2。

結(jié)果和討論

手機(jī)獲得原始圖像數(shù)據(jù)，根據(jù)生產(chǎn)需求挑選其中的部分圖像，將其發(fā)送回服務(wù)器進(jìn)行數(shù)學(xué)運(yùn)算和圖像處理。圖3是獲得的圖像。選取800萬像素國產(chǎn)安卓手機(jī)在作物正上方1 m左右高度采集圖像運(yùn)算處理，從系統(tǒng)對圖像處理的結(jié)果看，手機(jī)拍攝的圖像分辨率計(jì)算結(jié)果能滿足單個(gè)葉片準(zhǔn)確識(shí)別的需要。

經(jīng)過運(yùn)算處理的圖像經(jīng)過運(yùn)算后保存，根據(jù)需要可查詢下載。圖4是葉片歸一化植被指數(shù)（NDVI指數(shù)）圖像。圖像指數(shù)能通過圖像明暗來區(qū)別植物的長勢（圖4a）。分析處理得到植物葉片不同部位的指數(shù)等級(jí)分布圖（圖4b）。從每個(gè)葉片上讀取到當(dāng)前葉片的近似NDVI指數(shù)。從處理結(jié)果得出，圖像上的每一個(gè)葉片的指數(shù)通過系統(tǒng)點(diǎn)擊查詢到精確數(shù)值，對于定量的判斷植物長勢有重要作用。

計(jì)算機(jī)識(shí)別的葉片圖像可以用來快速準(zhǔn)確地計(jì)算葉面積。葉面積的統(tǒng)計(jì)數(shù)值包括選取的單個(gè)葉片和多個(gè)葉片的面積，區(qū)域的葉片面積，葉片面積占耕地面積的百分比，葉片的數(shù)量，不同面積等級(jí)的葉片數(shù)量的多少（圖5）。從系統(tǒng)處理結(jié)果看，計(jì)算的精度達(dá)到0.1 cm2，滿足生產(chǎn)上對單個(gè)小葉片識(shí)別的要求。手動(dòng)框選一部分圖像進(jìn)行運(yùn)算，有效消除其他綠色物品（例如傳感器）對統(tǒng)計(jì)結(jié)果的誤差（圖6）。用卷積矩陣算法有效的去除圖像的噪聲消除土壤背景的誤差（圖7）。

結(jié)論

該設(shè)計(jì)搭建了基于服務(wù)器的植物長勢監(jiān)測系統(tǒng)，對圖像進(jìn)行分析處理后，得出以下結(jié)論：①手機(jī)作為信息采集終端，基于服務(wù)器進(jìn)行的云計(jì)算和信息共享，滿足長勢監(jiān)測對單個(gè)葉片和區(qū)域作物長勢監(jiān)測的要求。②葉面積指數(shù)圖像和統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的精度達(dá)到0.1 cm2，滿足實(shí)際需求。

Ninety-four of the Greenhouse Intelligent Equipment Series

Design of Plant Growth Monitoring System in Greenhouse

Ma Wei， Wang Xiu （ Beijing Research Center of Intelligent Equipment Technology in Agricultural， Beijing 100097，China）

【Abstract】The monitoring information of plant growth is the first-hand data of crop health， and it is very important to obtain accurate data for precision agriculture production. In this paper， the mobile phone as the information collection terminal equipment was used to get a single leaf and regional crop growth image monitoring information based on the server cloud computing and information sharing. The results show that the accuracy of the leaf area index image and statistical data are up to 0.1cm2. It is of great significance using lossless， fast and accurate information technology to build the system by real-time access to get crop images and other information， automatic analysis and decision-making in greenhouse.endprint