一种基于图象技术测定棉花株高的方法及系统[发明专利]

(10)申请公布号
(43)申请公布日 (21)申请号 201410614840.7
(22)申请日 2014.11.04
G01B 11/02(2006.01)
(71)申请人赖军臣
地址839000 新疆维吾尔自治区哈密地区东
郊路23号楼3单元201号
申请人戴建国
(72)发明人赖军臣 戴建国
(74)专利代理机构北京市盛峰律师事务所
11337
代理人
于国富
(54)发明名称
一种基于图象技术测定棉花株高的方法及系
统
(57)摘要
本发明是一种基于图象技术测定棉花株高的
方法及系统，涉及农作物形态指标测定领域。

该
方法包括：S1、获取棉田数字图像：选取一块棉
田，采用图像采集设备获取棉田数字图像；S2、获
取棉田覆盖度：采用图像处理软件对所述棉田数
字图像进行处理，计算所述绿色冠层部分的面积
与整个图像面积的比值，即为所述棉田数字图像
中棉田的覆盖度；S3、计算棉花的株高：采用公式
y ＝9.9376e 0.0278x 计算棉花植株的平均株高。

本
发明解决了现有人工田间测量棉花植株株高的方
法，耗时长、效率低、操作复杂和影响棉花植株生
长的问题。

(51)Int.Cl.
(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请权利要求书2页 说明书5页 附图2页CN 105444677 A 2016.03.30
C N 105444677
A
1.一种基于图象技术测定棉花株高的方法，其特征在于，该方法包括：
S1、获取棉田数字图像
选取一块棉田，用图像采集设备获取棉田数字图像；
S2、获取棉田覆盖度
采用图像处理软件对所述棉田数字图像进行处理，计算所述绿色冠层面积与所述棉田数字图像面积的比值，所述比值即为所述棉田数字图像中棉田的覆盖度；
S3、计算棉花的株高
采用公式(1)计算棉花植株的平均株高：
y＝9.9376e0.0278x (1)
其中，y为所述棉田数字图像中棉花植株的平均株高，x为所述棉田数字图像中棉田的覆盖度。

2.根据权利要求1所述基于图象技术测定棉花株高的方法，其特征在于，在步骤S1之前还存在以下步骤：在棉田中安装图像采集设备。

3.根据权利要求1所述基于图象技术测定棉花株高的方法，其特征在于，步骤S1中，在晴天、室外、自然光照的条件下，获取所述棉田数字图像。

4.根据权利要求1所述基于图象技术测定棉花株高的方法，其特征在于，步骤S1中，所述棉田数字图像采用图像采集设备垂直地面拍摄棉田数字图像，获取棉田的俯视图，所述俯视图中棉花冠层上无阴影。

5.根据权利要求1所述基于图象技术测定棉花株高的方法，其特征在于，步骤S1中，所述图像采集设备为具有拍照功能的设备。

6.根据权利要求1所述基于图象技术测定棉花株高的方法，其特征在于，步骤S2，具体为：将所述棉田数字图像导入，将所述棉田数字图像中棉花绿色冠层分割出来，计算分割出来的所述棉花绿色冠层的面积，将所述棉花绿色冠层面积除以所述棉田数字图像面积，获得比值，所述比值即为所述棉田数字图像中棉田的覆盖度。

7.根据权利要求1所述基于图象技术测定棉花株高的方法，其特征在于，步骤S3中，所述公式(1)通过多次重复试验获取如下：
F1、选择至少3个棉花长势正常均匀的棉田，记做第一棉田小区、第二棉田小区、第三棉田小区、……第n棉田小区，所述n大于等于3，然后对每个所述棉田小区采取下述操作：从棉苗长出真叶开始，在所述棉田小区中，每隔7天的同一时间用所述图像采集设备垂直地面获取所述棉田小区的棉田数字图像，同时，用卷尺任意测量该所述棉田小区中的20株～30株棉花植株的株高，并记录数据，直至棉花植株打顶为止；
F2、将同一天同一时间获取的棉花植株的株高进行平均值计算，得到该测量时间的棉花植株的平均株高；
F3、用图像分析软件对得到的棉田数字图像进行分析，获取相应测量时间的棉花冠层的覆盖度，将同一天同一时间的棉花冠层的覆盖度进行平均值计算，获取每个测量时间的棉花冠层的覆盖度的平均值；
F4、建立直角坐标系，以同一天同一时间获得的棉花冠层的覆盖度的平均值为横坐标x，获得的棉花植株的平均株高为纵坐标y，获得曲线及曲线的公式，所述公式即为所述公式(1)。

8.一种基于图象技术测定棉花株高的系统，其特征在于，该系统包括：图像采集设备、控制服务器和数据处理中心；
所述图像采集设备安装在棉田中，且与所述控制服务器无线或有线连接，所述控制服务器控制所述图像采集设备获取棉田数字图像，并控制所述图像采集设备将所述棉田数字图像传送给所述数据处理中心进行数据处理，获取棉田数字图像中的棉花植株的平均株高；所述数据处理中心将获取的棉花植株的平均株高发送给所述控制服务器；
所述图像采集设备包括：具有摄像功能的移动终端、具有摄像功能和GPS功能的移动终端和摄像头。

9.根据权利要求8所述基于图象技术测定棉花株高的系统，其特征在于，所述具有摄像功能和GPS功能的移动终端，还具有获取棉田的经纬度坐标的功能。

一种基于图象技术测定棉花株高的方法及系统
技术领域
[0001] 本发明涉及农作物形态指标测定领域，尤其涉及一种基于图象技术测定棉花株高的方法。

背景技术
[0002] 通过定期测量棉花的株高(每隔2-3天)，测算棉花的每日生长量，从而获取棉花在不同的生长发育阶段生长发育状况，如旺长、正常、或弱小；营养生长和生殖生长是否协调，进而为水肥、化学调控等促控措施调节棉花的生长发育速度和方向提供直观的形态指标。

[0003] 现有方法在进行棉花植株株高测定时，采用人工田间测量，即用卷尺或皮尺从棉花根茎基部的地面部或子叶节到棉花顶心的高度。

棉花根茎基部的地面到顶心的高度称为棉花的自然株高度；子叶节到棉花顶心的高度称为棉花的株高。

但是传统方法存在耗时长、效率低、操作复杂等问题。

采用传统方法进行棉花植株株高测定时，扰动棉花，影响棉花的生长，棉花的产量会受到影响。

发明内容
[0004] 本发明的目的在于提供一种基于图象技术测定棉花株高的方法，从而解决现有技术中存在的前述问题。

[0005] 为了实现上述目的，本发明基于图象技术测定棉花株高的方法采用的技术方案如下，该方法包括：
[0006] S1、获取棉田数字图像
[0007] 选取一块棉田，用图像采集设备获取棉田数字图像；
[0008] S2、获取棉田覆盖度
[0009] 采用图像处理软件对所述棉田数字图像进行处理，计算所述绿色冠层面积与所述棉田数字图像面积的比值，所述比值即为所述棉田数字图像中棉田的覆盖度；
[0010] S3、计算棉花的株高
[0011] 采用公式(1)计算棉花植株的平均株高：
[0012] y＝9.9376e0.0278x (1)
[0013] 其中，y为所述棉田数字图像中棉花植株的平均株高，x为所述棉田数字图像中棉田的覆盖度。

[0014] 优选地，在步骤S1之前还存在以下步骤：在棉田中安装图像采集设备。

[0015] 优选地，步骤S1中，在晴天、室外、自然光照的条件下，获取所述棉田数字图像。

[0016] 优选地，步骤S1中，所述棉田数字图像采用图像采集设备垂直地面拍摄棉田数字图像，获取棉田的俯视图，所述俯视图中棉花冠层上无阴影。

[0017] 优选地，步骤S1中，所述图像采集设备为具有拍照功能的设备。

[0018] 优选地，步骤S2，具体为：将所述棉田数字图像导入，将所述棉田数字图像中棉花
绿色冠层分割出来，计算分割出来的所述棉花绿色冠层的面积，然后将所述棉花绿色冠层面积除以所述棉田数字图像面积，获得比值，所述比值即为所述棉田数字图像中棉田的覆盖度。

[0019] 优选地，步骤S3中，所述公式(1)通过多次重复试验获取如下：
[0020] F1、选择至少3个棉花长势正常均匀的棉田，记做第一棉田小区、第二棉田小区、第三棉田小区、……第n棉田小区，所述n大于等于3，然后对每个所述棉田小区采取下述操作：
[0021] 从棉苗长出真叶开始，在所述棉田小区中，每隔7天的同一时间用所述图像采集设备垂直地面获取所述棉田小区的棉田数字图像，同时，用卷尺任意测量该所述棉田小区中的20株～30株棉花植株的株高，并记录数据，直至棉花植株打顶为止；
[0022] F2、将同一天同一时间获取的棉花植株的株高进行平均值计算，得到该测量时间的棉花植株的平均株高；
[0023] F3、用图像分析软件对得到的棉田数字图像进行分析，获取相应测量时间的棉花冠层的覆盖度，将同一天同一时间的棉花冠层的覆盖度进行平均值计算，获取每个测量时间的棉花冠层的覆盖度的平均值；
[0024] F4、建立直角坐标系，以同一天同一时间获得的棉花冠层的覆盖度的平均值为横坐标x，获得的棉花植株的平均株高为纵坐标y，获得曲线及曲线的公式，所述公式即为所述公式(1)。

[0025] 本发明基于图象技术测定棉花株高的系统，该系统包括：图像采集设备、控制服务器和数据处理中心；
[0026] 所述图像采集设备安装在棉田中，且与所述控制服务器无线或有线连接，所述控制服务器控制所述图像采集设备获取棉田数字图像，并控制所述图像采集设备将所述棉田数字图像传送给所述数据处理中心进行数据处理，获取棉田数字图像中的棉花植株的平均株高；所述数据处理中心将获取的棉花植株的平均株高发送给所述控制服务器；[0027] 所述图像采集设备包括：具有摄像功能的移动终端、具有摄像功能和GPS功能的移动终端和摄像头。

[0028] 优选地，所述具有摄像功能和GPS功能的移动终端，还具有获取棉田的经纬度坐标的功能。

[0029] 本发明的有益效果是：
[0030] 本发明采用的棉花株高测定方法是根据棉花株高变化和覆盖度变化的正向相关性，通过拍摄棉田图象，用计算机图象技术将这种覆盖度的变化量化，并与棉花株高建立对应的函数关系，即只要知道了棉花的覆盖度，就可通过这种函数关系计算棉花的株高，因此本发明耗时短、效率高、操作简单。

最终实现基于图象技术测定棉花株高的目的，实现测定棉花株高和株高生长的速度，从而用以判断作物生长状况，指导作物生产中的施肥、灌溉和化调。

与传统方法相比，本发明的测量方法时间减少了30倍，可实现株高监控的无人化、自动化和信息化，大大提高了工作效率，降低了人工成本。

附图说明
[0031] 图1是本发明的基于图象技术测定棉花株高的方法流程示意图；
[0032] 图2是实施例1中所述公式(1)的曲线图；
[0033] 图3是实际测得的棉花株高与通过实施例1的公式预测得到的棉花株高的对比曲线图；
[0034] 图4是本发明基于图象技术测定棉花株高的系统结构示意图。

具体实施方式
[0035] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图，对本发明进行进一步详细说明。

应当理解，此处所描述的具体实施方式仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

[0036] 参照图1，实施例1、一种基于图象技术测定棉花株高的方法，该方法包括：[0037] S1、获取棉田数字图像
[0038] 在晴天、室外、自然光照的条件下，选取一块棉田，采用图像采集设备获取棉田数字图像；
[0039] 步骤S1中，所述棉田数字图像采用摄像设备垂直地面拍摄棉田数字图像，获取棉田的俯视图，所述俯视图中棉花冠层上无阴影；
[0040] S2、获取棉田覆盖度
[0041] 采用图像处理软件对所述棉田数字图像进行处理，计算所述绿色冠层部分的面积；
[0042] 具体为：将所述棉田数字图像导入，将所述棉田数字图像中棉花绿色冠层部分与地面图像和地膜等异物分割，计算分割出来的所述棉花绿色冠层的面积，然后将所述棉花绿色冠层面积除以所述棉田数字图像面积，获得比值，所述比值即为所述棉田数字图像中棉田的覆盖度；
[0043] S3、计算棉花的株高
[0044] 采用公式(1)计算棉花植株的平均株高：
[0045] y＝9.9376e0.0278x (1)
[0046] 其中，y为所述棉田数字图像中棉花植株的平均株高，x为所述棉田数字图像中棉田的覆盖度。

[0047] 在步骤S1之前还存在以下步骤：在棉田中安装图像采集设备。

[0048] 步骤S1中所述图像处理软件为具有自动分割出背景和绿色冠层功能的软件。

[0049] 步骤S1中，所述摄像设备为具有拍照功能的设备；
[0050] 步骤S3中，所述公式(1)通过多次重复试验获取如下：
[0051] F1、选择至少3个棉花长势正常均匀的棉田，记做第一棉田小区、第二棉田小区、第三棉田小区、……第n棉田小区，所述n大于等于3，然后对每个所述棉田小区采取下述操作：
[0052] 从棉苗长出真叶开始，在所述棉田小区中，每隔7天的同一时间用所述图像采集设备垂直地面获取所述棉田小区的棉田数字图像，同时，用卷尺任意测量该所述棉田小区中的20株～30株棉花植株的株高，并记录数据，直至棉花植株打顶为止；
[0053] F2、将同一天同一时间获取的棉花植株的株高进行平均值计算，得到该测量时间的棉花植株的平均株高；
[0054] F3、用图像分析软件对得到的棉田数字图像进行分析，获取相应测量时间的棉花冠层的覆盖度，将同一天同一时间的棉花冠层的覆盖度进行平均值计算，获取每个测量时间的棉花冠层的覆盖度的平均值；
[0055] F4、建立直角坐标系，以同一天同一时间获得的棉花冠层的覆盖度的平均值为横坐标x，获得的棉花植株的平均株高为纵坐标y，获得曲线及曲线的公式，所述公式即为所述公式(1)，y＝9.9376e0.0278x，y为所述棉田数字图像中棉花植株的平均株高，x为所述棉田数字图像中棉田的覆盖度。

[0056] 参照图2，所述图2表示本实施例中对3个棉田小区进行多次重复试验获取的棉田中的棉花植株和棉田覆盖度的曲线示意图，由图2可以看出计算得到的公式为y＝9.9376e0.0278x，x表示棉田数字图像中棉田的覆盖度，y表示棉田数字图像中棉田植株的株高。

[0057] 在棉田中安装图像采集设备为实时图像采集设备，所述实时图像采集设备与控制服务器通过无线或有线连接。

[0058] 因为移动终端具有便携性和智能性，再结合利用手机的图像处理和分析功能，获取棉田的覆盖度，所以本实施例中所述棉田的覆盖度可以通过移动终端获取，最后通过本实施例中所述的公式计算棉花植株的株高，实现棉花株高的快速测定。

[0059] 本实施例在田间安装摄像头，定时抓拍棉田田间图像并传回终端，利用终端的功能化软件，获取棉田覆盖度，从本实施例的公式计算棉花株高，对棉田的株高进行无人实时监控，实现棉花株高的自动传感，工作人员通过棉田中棉花的株高进行水肥调控和化学调节。

[0060] 参照图3，实际测得的棉花株高与通过本实施例的公式预测的棉花株高的对比曲线，由曲线可知：虽然本发明中所述公式预测的株高与实测株高的标准误为6厘米，可以达到实际应用的要求。

在生产实际中经常使用的是日生长量这个指标，通过间隔两次株高的差再除以间隔天数求得，而间隔两次株高的差可以去除系统误差，所以日生长量这个监测指标更为精确。

[0061] 参照图4，一种基于图象技术测定棉花株高的系统，该系统包括：图像采集设备、控制服务器和数据处理中心；
[0062] 所述图像采集设备安装在棉田中，且与所述控制服务器无线或有线连接，所述控制服务器控制所述图像采集设备获取棉田数字图像，并控制所述图像采集设备将所述棉田数字图像传送给所述数据处理中心进行数据处理，获取棉田数字图像中的棉花植株的平均株高；所述数据处理中心将获取的棉花植株的平均株高发送给所述控制服务器；所述图像采集设备包括：具有摄像功能的移动终端、具有摄像功能和GPS功能的移动终端和摄像头。

[0063] 在本实施例中，所述图像采集设备具体为具有摄像功能和GPS功能的移动终端，所述具有摄像功能和GPS功能的移动终端还具有获取棉田的经纬度坐标的功能。

[0064] 所述数据处理中心中的图像分析软件获取所述棉田数字图像的棉田覆盖度，在结合公式y＝9.9376e0.0278x，y为所述棉田数字图像中棉花植株的平均株高，x为所述棉田数字图像中棉田的覆盖度，计算棉花植株的平均株高。

[0065] 本领域的技术人员通过所述控制服务器显示的所述棉花植株的平均株高，再结合历史数据，做出水肥调控和化学调节。

[0066] 本发明提出的基于图象技术测定棉花株高的方法，是根据棉田棉花由苗期到花期封行打顶前，株高不断增高，其冠层的覆盖度不断变大，通过拍摄棉花冠层图象，用计算机图象技术将覆盖度的变化量化，并与棉花的株高建立对应的函数关系，即只要知道了棉田的覆盖度，就可通过这种函数关系计算棉花的株高，实现用图象技术测定棉花株高的目的。

[0067] 通过采用本发明公开的上述技术方案，得到了如下有益的效果：
[0068] 本发明采用的棉花株高测定方法是根据棉花株高变化和覆盖度变化的正向相关性，通过拍摄棉田图象，用计算机图象技术将这种覆盖度的变化量化，并与棉花株高建立对应的函数关系，即只要知道了棉花的覆盖度，就可通过这种函数关系计算棉花的株高，因此本发明耗时短、效率高、操作简单。

最终实现基于图象技术测定棉花株高的目的，实现测定棉花株高和株高生长的速度，从而用以判断作物生长状况，指导作物生产中的施肥、灌溉和化调。

[0069] 以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视本发明的保护范围。

图1
图2
图3
图4。