本发明专利技术公开一种设施园艺作物生长状况检测方法及装置，该方法包括以下步骤：(1)园艺大棚作物在自然光照条件下，采用由高光谱相机和光纤光谱仪构成的差分光路，采集作物反射高光谱图像，并同步获得动态标准白板；(2)对作物反射高光谱图像进行目标分割，获得作物的ROI区域，从ROI区域中获取植株的外形参数，提取ROI区域中的平均反射率光谱，使用动态标准白板对反射率校正，得到植株反射率光谱，对植株进行营养检测；(3)结合外形参数和营养检测结果，实时对作物生长状况进行追踪。该方法在高光谱图像采集过程中，利用差分光路同步获得动态标准白板，解决了自然光的变化影响特征波段的选择的问题，实现精确地对作物生长状况实时跟踪。实现精确地对作物生长状况实时跟踪。实现精确地对作物生长状况实时跟踪。
【技术实现步骤摘要】
一种设施园艺作物生长状况检测方法及装置
[0001]本专利技术涉及视觉技术及植物生长状况监测领域，具体涉及一种设施园艺作物生长状况检测方法及装置。
技术介绍
[0002]目前，我国设施园艺面积已突破330万公顷，居世界第一位。经常出现氮、磷、钾等主要营养元素比例失调和胁迫症状，直接影响产量和品质。但是由于缺乏先进适用的设施作物需肥需水信息与长势信息检测系统，无法对作物的营养水份、长势信息进行全面、精确的检测和解析，无法感知和反映作物生长真实的调控要求，造成作物产量潜力没有被充分挖掘。因此，迫切需要应用更加全面、系统、科学的作物生长信息检测装置，指导现代设施的生产运行，以提高产量，降低调控成本，减少过量施肥造成的浪费和面源污染，提高经济效益。设施作物生长信息无损检测主要包括作物氮磷钾营养、水分等养分检测和冠层面积、茎粗、株高、植株生长速率、果实质量和生长速率等长势信息检测两个方面。
[0003]目前，作物营养和水分等养分信息光谱诊断的专利所涉及的研究方法，主要是利用植物叶片在某些特定波长处的光谱反射率及其组合信息对作物的营养进行检测，例如专利申请号为2005100889350的专利技术专利，公开了一种便携式植物氮素和水分含量的无损检测方法及测量仪器，通过检测植株叶片在四个特征波长处的光谱反射强度信息来进行植物的营养诊断。利用对四个波长植被指数的反演来获取植物的氮素和含水率信息，即仅仅通过四个特征波段对叶片的光谱反射率分析，进而推断出单个植株营养水平，会造成很大的误差。所以通过使用波段更多的高光谱技术可以弥补数据量不足的缺憾。
[0004]高光谱成像技术与传统的方法相比，避免了化学方法费时费力，对植物有破坏性，时效性差无法实现调控的动态反馈等缺点。高光谱成像技术以其丰富的空间和光谱信息，成为设施作物生长状况跟踪不可或缺的技术手段。例如专利申请号为2010101499555的专利技术专利，公开了一种基于高光谱遥感技术的设施栽培作物智能监控系统，该系统通过控制携带高光谱数据采集设备的小车采集设施栽培作物的高光谱数据，通过图像信息特征和光谱信息特征匹配作物的生长状况从而对作物的生长环境进行调控。例如专利申请号为2016100204084的专利技术专利，公开了一种基于高光谱的无损检测冬虫夏草子座粉/粉片真伪的方法，利用主成分分析法在短波红外波段940
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2537nm中提取相关特征建立PLS
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DA预测模型判别冬虫夏草子座粉样品的真伪。例如专利申请号为2016100204084的专利技术专利，公开了一种基于高光谱成像技术的猕猴桃膨大果(施用膨大剂的猕猴桃果实)的无损检测方法，对高光谱图像进行黑白校正和掩膜处理之后，对光谱数据降维提取特征波段建立线性模型，最终对猕猴桃膨大果的识别率达到99％。
[0005]上述的专利中都讲到了对高光谱数据进行反射率校正，例如专利申请号为2016100204084的专利技术专利中，虽然对光谱进行了黑白校正，但是并未考虑高光谱图像采集过程需要时间，在这段时间内，设施环境的自然光会随时间而变化，产生的波动会影响特征波段的选择。
技术实现思路
[0006]本专利技术的目的在于克服上述存在的问题，提供一种设施园艺作物生长状况检测方法，该方法在高光普图像采集过程中，利用差分光路同步获得动态标准白板，解决了自然光的变化影响特征波段的选择的问题，实现精确地对作物生长状况实时跟踪。
[0007]本专利技术的另一个目的在于提供一种设施园艺作物生长状况检测装置。
[0008]本专利技术的目的通过以下技术方案实现：
[0009]一种设施园艺作物生长状况检测方法，包括以下步骤：
[0010](1)园艺大棚作物在自然光照条件下，采用由高光谱相机和光纤光谱仪构成的差分光路，采集作物反射高光谱图像，并同步获得动态标准白板；
[0011](2)对作物反射高光谱图像进行目标分割，获得作物的ROI区域，从ROI区域中获取植株的外形参数，提取ROI区域中的平均反射率光谱，使用动态标准白板对反射率校正，得到植株反射率光谱，对植株进行营养检测；
[0012](3)结合外形参数和营养检测结果，实时对作物生长状况进行追踪。
[0013]本专利技术的一个优选方案，其中，步骤(1)中，采用由高光谱相机和光纤光谱仪构成的差分光路，采集作物反射高光谱图像，并同步获得动态标准白板的具体方式为：高光谱相机与光纤光谱仪同步触发采集信号，高光谱相机选择曝光时间、空间分辨率、光谱分辨率、光谱范围等相机参数，采集作物反射高光谱图像；光纤光谱仪实时检测环境光照变化，每一个高光谱图像立方体对应着一组光纤光谱仪同步采集的环境光谱，根据环境光谱与高光谱相机初始时刻标准白板差分结果，获得动态标准白板。采用上述方式，通过动态标准白板计算高光谱图像反射率光谱，以消除光照变化对数据的影响，解决了自然光的变化影响特征波段的选择的问题，实现精确地对作物生长状况实时跟踪。
[0014]进一步地，在步骤(1)中，提取高光谱相机采集的作物反射高光谱图像，并提取与高光谱相机帧同步的光纤光谱仪对应光谱数据，用于计算高光谱图像反射率。
[0015]本专利技术的一个优选方案，其中，步骤(2)中，对作物反射高光谱图像进行目标分割，获得作物的ROI区域的具体步骤为：
[0016](a)选取作物反射高光谱图像立方体中植株的茎与背景及叶片对比最大的特征波段；通过特征波段阈值分割的方法，将作物反射高光谱图像中的背景和叶片去除，得到第一掩膜；
[0017](b)选取作物反射高光谱图像立方体中450nm、550nm、650nm的图像合成伪彩色图片，通过RGB阈值法去除由叶梢包裹的茎，得到第二掩膜；
[0018](c)将第一掩膜和第二掩膜进行运算，得到第三掩膜，使用开闭运算将第三掩膜的连接域分离，将裸露的茎区域分离出来；
[0019](d)将所有茎区域大小进行排序，最大的茎区域为ROI区域。
[0020]优选地，步骤(2)中，从ROI区域中获取植株的外形参数具体为：对ROI区域进行三波段伪彩色合成，在伪彩色图中进行边缘检测，得到植株叶片数、茎粗、茎高等外形参数。
[0021]优选地，步骤(2)中，对植株进行营养检测具体为：通过植株反射率光谱建立训练集，训练分类网络，建立分类模型，使用训练好的模型，进行营养和叶绿素等半定量检测。
[0022]优选地，所述高光谱相机采集作物高光谱图像包括顶拍模式以及侧拍模式，其中，
[0023]所述顶拍模式具体为：高光谱相机位于植株顶部，垂直向下拍摄植株；
[0024]所述侧拍模式具体为：高光谱相机位于植株侧方，水平拍摄植株。
[0025]一种设施园艺作物生长状况检测装置，包括设置在园艺大棚中的高光谱相机、光纤光谱仪以及处理终端，所述高光谱相机和光纤光谱仪分别与处理终端通讯连接；其中，
[0026]高光谱相机与光纤光谱仪同步触发采集信号，高光谱相机采集作物反射高光谱图像并将该作物高光谱图像发送至处理终端；光纤光谱仪实时检测环境光本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种设施园艺作物生长状况检测方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)园艺大棚作物在自然光照条件下，采用由高光谱相机和光纤光谱仪构成的差分光路，采集作物反射高光谱图像，并同步获得动态标准白板；(2)对作物反射高光谱图像进行目标分割，获得作物的ROI区域，从ROI区域中获取植株的外形参数，提取ROI区域中的平均反射率光谱，使用动态标准白板对反射率校正，得到植株反射率光谱，对植株进行营养检测；(3)结合外形参数和营养检测结果，实时对作物生长状况进行追踪。2.根据权利要求1所述的一种设施园艺作物生长状况检测方法，其特征在于，步骤(1)中，采用由高光谱相机和光纤光谱仪构成的差分光路，采集作物反射高光谱图像，并同步获得动态标准白板的具体方式为：高光谱相机与光纤光谱仪同步触发采集信号，高光谱相机选择曝光时间、空间分辨率、光谱分辨率、光谱范围等相机参数，采集作物反射高光谱图像；光纤光谱仪实时检测环境光照变化，每一个高光谱图像立方体对应着一组光纤光谱仪同步采集的环境光谱，根据环境光谱与高光谱相机初始时刻标准白板差分结果，获得动态标准白板。3.根据权利要求1所述的一种设施园艺作物生长状况检测方法，其特征在于，步骤(2)中，对作物反射高光谱图像进行目标分割，获得作物的ROI区域的具体步骤为：(a)选取作物反射高光谱图像立方体中植株的茎与背景及叶片对比最大的特征波段；通过特征波段阈值分割的方法，将作物反射高光谱图像中的背景和叶片去除，得到第一掩膜；(b)选取作物反射高光谱图像立方体中450nm、550nm、650nm的图像合成伪彩色图片，通过RGB阈值法去除由叶梢包裹的茎，得到第二掩膜；(c)将第一掩膜和第二掩膜进行运算，得到第三掩膜，使用开闭运算将第三掩膜的连接域分离，将裸露的茎区域分离出来；(d)将所有茎区域大小进行排序，最大的茎区域为ROI区域。4.根据权利要求1所述的一种设施园艺作物生长状况检测方法，其特征在于，步骤(2)中，从ROI区域中获取植株的外形参数具体为：对ROI区域进行三波段伪彩色合成，在伪彩色图中进行边缘检测，得到植株叶片数、茎粗、茎高等外形参数。5.根据权利要求1所述的一种设施园艺作物生长状况检测方法，其特征在于，步骤(2)中，对植株进行营养检...
【专利技术属性】
技术研发人员：赵静，龙腾，刘禹，龙拥兵，刘厚诚，
申请(专利权)人：华南农业大学，
类型：发明
国别省市：
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