溫室智能裝備系列之九十四溫室植物長勢監(jiān)測系統(tǒng)的設計

馬偉+王秀

【摘要】植物長勢的監(jiān)測是作物健康的第一手數(shù)據(jù)，準確獲得長勢數(shù)據(jù)對于生產(chǎn)精準管理非常關鍵。本文將手機作為信息采集終端，并基于服務器進行的云計算和信息共享，對單個葉片和區(qū)域作物長勢進行圖像監(jiān)測，結(jié)果表明葉面積指數(shù)圖像和統(tǒng)計數(shù)據(jù)的精度達到0.1cm2。通過信息化手段搭建系統(tǒng)，通過實時獲取作物的圖像等信息，進行自動分析和決策，獲得無損、快速、準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，國內(nèi)外的學者通過各種方法獲取植物的長勢。果實膨大傳感器是獲取植物果實生長的數(shù)據(jù)，并能獲得果實的歷史數(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)，不但能降低應用成本，而且能基于智能手機獲得準確的植物生長信息，非常適合大規(guī)模推廣。

原理

基于智能手機直接拍照獲取溫室植物的圖像，通過3G/4G網(wǎng)絡經(jīng)過網(wǎng)關處理后，發(fā)送給服務器，系統(tǒng)的處理程序在服務器端對圖像進行處理，提取關鍵的葉面積指數(shù)，存儲在數(shù)據(jù)倉庫中，多個用戶在線對數(shù)據(jù)進行查詢。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)戶負責拍照并上傳生產(chǎn)管理中的圖像。管理人員對圖像甄別和篩選，并對其進行授權(quán)管理。超市采購經(jīng)理參照植物長勢制訂采購計劃。植物醫(yī)生針對植物的健康狀況提出專業(yè)的植物保護建議。顧客查詢感興趣的長勢信息來確定消費計劃，見圖2。

結(jié)果和討論

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

經(jīng)過運算處理的圖像經(jīng)過運算后保存，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)等級分布圖（圖4b）。從每個葉片上讀取到當前葉片的近似NDVI指數(shù)。從處理結(jié)果得出，圖像上的每一個葉片的指數(shù)通過系統(tǒng)點擊查詢到精確數(shù)值，對于定量的判斷植物長勢有重要作用。

計算機識別的葉片圖像可以用來快速準確地計算葉面積。葉面積的統(tǒng)計數(shù)值包括選取的單個葉片和多個葉片的面積，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，不同面積等級的葉片數(shù)量的多少（圖5）。從系統(tǒng)處理結(jié)果看，計算的精度達到0.1 cm2，滿足生產(chǎn)上對單個小葉片識別的要求。手動框選一部分圖像進行運算，有效消除其他綠色物品（例如傳感器）對統(tǒng)計結(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

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

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