基本信息
- 项目名称：
- 基于图像处理技术的便携式终端实现叶面积测量
- 来源：
- 第十一届“挑战杯”国赛作品
- 小类：
- 生命科学
- 大类：
- 科技发明制作B类
- 简介：
- 叶面积作为标定植物生长发育、长势、遗传特性等生理生化反应过程的主要参数,广泛应用于农业科研服务和生产中。农业生产上常根据叶面积大小判断作物群体大小,并决定是否采取调控措施。人们对农作物叶面积的测量进行了大量的研究,叶面积传统测量方法主要有网格法、称重法、比值法、叶面积仪法等,但是他们各自都有自己的缺点。 近年来随着计算机技术的不断发展,数字图像处理技术不断成熟和完善,因此可以考虑使用图像处理技术辅助以计算机图像获取设备和计算机编程实现对农作物叶面积的快速计算。 本作品为基于数字图像处理的叶面积测量系统实现于便携式终端之上,在农业上不但可以进行叶面积的简单快速测量,而且有着体积小、成本低廉、野外携带方便、耗能低、应用灵活、功能强大、可靠性强等诸多优点,其测量有效性不受叶片大小、形状差异，无需采摘叶片,保护了农作物生长的连续性,满足非破坏性测量优势。 本文提出的测量方案可以推广到农田作物,广泛运用到植物叶面积的测量中,为广大农民和科研人员提供了切实可行的科学方法,为将来的农作物品种识别、特征识别及病害诊断奠定了坚实的技术基础。
- 详细介绍：
- 本作品主要由便携式终端和叶面积测量软件两部分组成。便携式终端核心部件由微型主板、液晶显示器、USB摄像头。 由于焦距和拍摄角度是变化的,无法根据照片中的植物叶面轮廓直接计算叶面的实际面积,本文通过引入参照正方形解决了这一问题。参照正方形是人工黏附于叶面表面的已知边长的正方形纸片(比如边长为1cm),把这个正方形纸片成为参照纸片。在使用便携设备拍摄叶面前,将参照纸片黏附在叶面表面。这样拍摄的照片中既有叶面的轮廓又有参照纸片的轮廓,通过计算两者轮廓的面积比值,就可以结合参照纸片的实际面积根据比例关系计算叶面的实际面积。 利用摄像头捕获一定分辨率的含有样本植物叶片图像,提取叶片图片中的叶片对象,利用边缘检测、类间最大方差法求阈值和灰度化处理等计算机图像处理技术得到被测叶片与参照物的像素个数比，即得面积比，通过已知参照物面积从而求得叶片面积。
作品图片
作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 发明目的:本作品针对传统叶面积测量缺点,对测量精度、易用性、价格等各种因素综合考虑,提出一种新的方案来测量叶面积。 基本思路:以数字图像处理技术为基础,提出一种简化、高精度的叶面积测量方案并运用到便携式终端上,对摄像头获得的含参照物和叶片影像的图像通过终端软件进行处理计算。 创新点： 1.实现任意形状和大小的叶面积测量,测量简单、精度高 2.可以满足无损伤测量叶面积,无需采摘叶片 3.便携式终端具有结构模块化的特点,适用性强,可扩展性强,可以通过模块接口扩展其功能 4.简化业务处理流程、简单、快捷 5.计算机编程实现叶子与纸片的像素个数比(即面积比),已知纸片面积,从而计算出叶子的面积参数,体现科学性 6.可以实现对单株植物的连续性测量和累加测量 技术关键： 1.硬件方面：硬件主要考虑到系统的便携以及是否具有模块化的特点,最终的便携式终端具有体积小,使用灵活,可扩展性强,带有可触摸的液晶显示器,可通过模块接口扩展功能。 2.软件方面：本系统采用VC++实现,通过对摄像头采集的含有参照物叶片图片,经过终端软件的处理,最终计算出叶片的面积数据。 主要技术指标： 1.测量精度：面积精度±1％；测量范围：0.1-500平方厘米 2.理论最大测量面积：任意大小的任意形状叶片的面积 3.终端尺寸：275×250×30毫米，重量：1.8公斤 4.终端显示方式：液晶触摸屏显示加触摸笔 5.具有累加测量和存贮功能：最大存贮面积值为65535平方厘米
科学性、先进性
- 科学性:本作品为基于数字图像处理的便携式终端,可以满足从事叶面积测量的研究人员对移动性、数据采集便捷性的需求。同时,便携式终端具有结构模块化的特点,适用性强,使用灵活,可扩展性强,可以通过模块接口扩展其功能,如温湿度传感器等。克服传统测量方法的高成本,测量精度低,耗时多,破坏性等缺点。 先进性:采用计算机编程手段实现叶面积测量,解决传统测量方法在业务流程上的繁琐,把测量叶面积的步骤,通过程序一步步来实现,加快农业信息化进程。 相比传统方法本发明具有以下优点： 1.便携式终端具有微型体积,便于野外操作,携带方便 2.可以测量任意形状和大小的叶子面积,而其他一些叶面积测量仪只能测量一定范围大小的叶片面积 3.简化业务处理流程,测量简单,快捷,精度高。传统的测量叶面积的方法,如方格法,复印称重法精度不高并且费时费料,扩大了业务处理流程 4.低成本。目前市场上便携式PDA价格低廉,而叶面积仪等一些专业测量叶面积工具价格昂贵,大多数都在3万以上
获奖情况及鉴定结果
作品所处阶段
- 中试阶段
技术转让方式
- 合作
作品可展示的形式
- 实物、产品，模型，现场演示，图片，录像，样品
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 使用说明:将一张边长为1cm的正方形白色纸片粘贴到待测的植物叶片上,运行叶面积测量软件实现摄像头拍摄图片,分析计算。 技术特点和优势：成本低,无需采摘叶片,保护农作物生长的连续性,满足非破坏性测量,可测量任意形状和大小的叶片,体积小,操作方便、耗能低。 适应范围：广大农村地区和技术人员、科研人员。 技术性说明：摄像头动态连接器关键代码实现,以及图像处理算法实现。 市场分析：农业上叶面积参数非常重要,市场需求量具有很大潜力。相比传统测量叶面积的方法,本作品具有突出的优势。 经济效益预测： 本作品核心部件主要有微型主板(约1400元)、液晶显示器(约300元) 、USB摄像头(约30元)三部分组成，以及包装盒的费用,成本约1800。按保守估算,即XX省约1000个乡镇,平均每个乡镇配备5台,按售价2000元计算（利润率10%）,经济效益约100万元,再加上全国乡镇总数,潜在经济效益巨大
同类课题研究水平概述
- 随着计算机技术的不断发展,数字图像处理技术不断成熟和完善,图像处理技术在农业上对植物叶面积测量方面的研究得到了深入的开展。 国防科技大学的翟红芳、卢焕章针对中值滤波和边缘检测技术在背景复杂的灰度图像分割中的应用进行了研究,采用一种基于中值滤波、Sobel算子和数学形态学相结合的边缘检测算法,比传统的边缘检测能更有效地抑制噪声, 提高边缘检测精度,具有更好地边缘提取效果和边缘连续性,着重研究其基本思想。 针对植物叶面图像,华中科技大学的侯国祥和翁章卓在《基于图像处理的树叶面积测量系统》中以数字图像处理技术为基础,对数码相机拍摄的含有参照硬板和树叶的照片进行图像分析处理,提出获取树叶实际面积测量系统的一种独特实现方案。 荷兰Wageningen大学的VanHentenEJ等人研究植物叶冠相对覆盖率与植物干重之间的关系，建立3种数学模型,并且利用图像处理技术和有损测量对莴苣做对比实验,利用线性回归方法得到一个最优的模型。实验证实植物的叶面积与植物干重之间的确存在线性关系,图像处理方法误差只有5%。这一研究结果为图像处理方法测量叶面积,预测植物干湿重提供了理论依据。 张全法,冯绚等利用以CCD为图像传感器的数字化图像采集设备,将植物叶片的图像输人到计算机进行处理,得到叶片所对应的像元数通过测量已知面积的物体(标准物体)，可以实现对系统的标定,得到一个比例系数,即每个像元所对应的实际面积将叶片所对应的像元数乘以该比例系数即得其面积。杨劲峰,陈清等采用平台扫描仪获取叶片的数字图像,建立运用数字图像处理技术测定蔬菜叶面积的方法,同时与目前较常用的交叉网格法,CID仪器法，复印称重法和生产上常用的直尺法进行比较分析,结果表明,图像处理方法与其它方法相比具有准确,快速,适用范围广,容易普及等优点,适用于科研和生产推广使用。 本作品将基于图像处理的叶面积测量系统应用于便携式终端上,利用边缘检测,最大阈值和灰度化处理等计算机图像处理技术,得到被测量叶片与参照物的像素个数比,再求得叶片面积。 本终端在农业上可精确地测量农作物叶面积，对于调整群体结构、保护生态环境、合理种植、充分利用光热资源，从而指导作物栽培密度及合理施肥以获得作物高产有着重要的意义。
