植物器官體積變化視覺檢測理論與技術研究.pdf

1、植物器官體積的動態(tài)變化是植物水分診斷、生長實時監(jiān)測和植物生長建模的重要依據(jù)。隨著水資源的日益緊缺和農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的不斷推進，根據(jù)植物缺水狀況實施精量控制灌溉成為提高水利用率和果實品質的重要途徑之一，對于我國這樣一個嚴重缺水的農(nóng)業(yè)大國更是亟待解決的緊迫問題。然而，長期以來我國在該領域的實力和研發(fā)力量投入不足。以色列、美國、日本、荷蘭等農(nóng)業(yè)發(fā)達國家在此領域取得了很多成果，擁有較強的科研實力，但是對于植物器官體積變化信息的檢測主要基于接觸式測量方

2、法，在非接觸測量研究上主要集中于單體作物和葉片形態(tài)變化研究，對于植物器官(果實、莖桿)，尤其是果實的視覺測量相關理論和技術積累薄弱。因此，開展植物器官(果實、莖桿)體積變化的視覺檢測技術的研究具有重要的社會和經(jīng)濟意義。
　　 本文以在世界果樹生產(chǎn)中占據(jù)重要位置的葡萄為研究對象，采用無損測量的方法構建：動態(tài)范圍大、抗噪性能好、測量精度高和信息量豐富的植物器官體積變化視覺檢測系統(tǒng)，檢測植物體積的動態(tài)變化，為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)中自動精準灌溉和生

3、長實時監(jiān)測提供可靠的植物器官生長數(shù)據(jù)。動態(tài)范圍大對應植物器官的形態(tài)多樣性，抗噪性能為滿足植物現(xiàn)場條件下外界環(huán)境的干擾，精度高為能檢測出短時間內植物器官的體積變化提供保證。本文針對視覺檢測中涉及的理論和關鍵技術問題，以設施條件下植物莖桿、非重疊果實和重疊果實的體積變化檢測為研究內容，從理論方法、技術實現(xiàn)與實驗驗證等方面進行了系統(tǒng)、深入的研究。
　　 論文的主要研究內容和成果如下：
　　 1.針對檢測對象為植物莖桿、非重疊果

4、實，圖像采集過程中環(huán)境光線變化、器官位置變動、噪聲干擾等情況，提出了基于由粗至精策略和Zernike矩的植物器官體積變化評價特征量計算算法。該算法從保證定位精度和提高抗噪性能出發(fā)，利用由粗至精的定位策略，結合邊緣跟蹤、凹點探測、勻速行程掃描、Zernike矩等關鍵圖像處理算法，實現(xiàn)器官體積變化評價特征量的準確計算。
　　 2.針對重疊果實中被檢測果實與周圍果實重疊或粘連的情況，提出了基于新型標記符控制分水嶺的重疊對象分割算法。該

5、算法包括圖像預處理、標記符提取和分水嶺變換。圖像預處理中利用具有去噪保邊性能的雙邊降噪方法降噪；標記符提取是整個算法的核心和關鍵創(chuàng)新點，通過結合K-means聚類、分離點判定、Spline插值和形態(tài)學算子等，實現(xiàn)標記符的自動提取。探測標記符具有很好的定位性能，利用標記符修改原始梯度圖像，消除其中的偽極小值點，以修改后梯度圖像進行分水嶺變換，準確定位重疊果實中被檢測果實區(qū)域。
　　 3.基于提出的植物器官體積變化評價特征量計算方法

6、，以具有代表性的葡萄作為實驗對象，構建了葡萄莖桿、非重疊葡萄果實、重疊葡萄果實體積變化的視覺檢測系統(tǒng)。在設計每個檢測系統(tǒng)時，充分考慮檢測器官的形態(tài)和生長狀況，搭建高質量圖像采集平臺，并開發(fā)出具有高內斂、低耦合的圖像處理子系統(tǒng)，保證植物器官體積變化信息的準確獲取。種植現(xiàn)場的驗證結果表明：檢測系統(tǒng)性能可靠，運行穩(wěn)定。檢測系統(tǒng)實現(xiàn)了植物器官體積變化的非接觸和無損檢測，具有測量精度高、測量范圍廣、抗噪性能好和信息量豐富等優(yōu)點，能靈敏檢測出植物器

7、官的生理變化。
　　 4.針對植物器官三維形態(tài)重建中欠紋理、遮擋和包含曲面的情況。提出了基于局部窗口的自適應加權和二次偽布爾優(yōu)化策略的立體匹配算法。該算法由四個主要步驟構成，首先，通過結合可見性推理和二階平滑先驗構建能量方程；然后，構建僅包含二元成對簇的圖；再次，選擇為未有標號值像素分配標號值的融合移動策略；最后，生成為融合移動過程提供可選擇視差值的建議視差平面。實驗結果表明，該匹配算法能很好解決植物器官三維形態(tài)重建中的欠紋理、

8、遮擋等問題，尤其對植物器官曲面的三維形態(tài)有著很好的重建效果?；谔岢龅钠ヅ渌惴?，設計了植物器官的三維形態(tài)重建系統(tǒng)，實驗測試結果表明，系統(tǒng)具有很好的測量精度。
　　 本文圍繞上述內容，采取問題洞悉、理論分析、算法驗證、實驗驗證相結合的研究路線，展開基于視覺的植物器官體積變化無損檢測的系統(tǒng)性研究。實驗結果分別驗證了系統(tǒng)的重復測量精度、測量準確度、系統(tǒng)現(xiàn)場運行等多方面性能，并與植物其他生理傳感器結合，驗證本文視覺系統(tǒng)檢測植物生理異常的