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基本信息
- 項目名稱：
- 基于圖像處理技術(shù)的便攜式終端實現(xiàn)葉面積測量
- 小類：
- 生命科學(xué)
- 大類：
- 科技發(fā)明制作B類
- 簡介：
- 葉面積作為標(biāo)定植物生長發(fā)育、長勢、遺傳特性等生理生化反應(yīng)過程的主要參數(shù),廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)科研服務(wù)和生產(chǎn)中。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上常根據(jù)葉面積大小判斷作物群體大小,并決定是否采取調(diào)控措施。人們對農(nóng)作物葉面積的測量進(jìn)行了大量的研究,葉面積傳統(tǒng)測量方法主要有網(wǎng)格法、稱重法、比值法、葉面積儀法等,但是他們各自都有自己的缺點。 近年來隨著計算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展,數(shù)字圖像處理技術(shù)不斷成熟和完善,因此可以考慮使用圖像處理技術(shù)輔助以計算機(jī)圖像獲取設(shè)備和計算機(jī)編程實現(xiàn)對農(nóng)作物葉面積的快速計算。 本作品為基于數(shù)字圖像處理的葉面積測量系統(tǒng)實現(xiàn)于便攜式終端之上,在農(nóng)業(yè)上不但可以進(jìn)行葉面積的簡單快速測量,而且有著體積小、成本低廉、野外攜帶方便、耗能低、應(yīng)用靈活、功能強(qiáng)大、可靠性強(qiáng)等諸多優(yōu)點,其測量有效性不受葉片大小、形狀差異，無需采摘葉片,保護(hù)了農(nóng)作物生長的連續(xù)性,滿足非破壞性測量優(yōu)勢。 本文提出的測量方案可以推廣到農(nóng)田作物,廣泛運(yùn)用到植物葉面積的測量中,為廣大農(nóng)民和科研人員提供了切實可行的科學(xué)方法,為將來的農(nóng)作物品種識別、特征識別及病害診斷奠定了堅實的技術(shù)基礎(chǔ)。
- 詳細(xì)介紹：
- 本作品主要由便攜式終端和葉面積測量軟件兩部分組成。便攜式終端核心部件由微型主板、液晶顯示器、USB攝像頭。 由于焦距和拍攝角度是變化的,無法根據(jù)照片中的植物葉面輪廓直接計算葉面的實際面積,本文通過引入?yún)⒄照叫谓鉀Q了這一問題。參照正方形是人工黏附于葉面表面的已知邊長的正方形紙片(比如邊長為1cm),把這個正方形紙片成為參照紙片。在使用便攜設(shè)備拍攝葉面前,將參照紙片黏附在葉面表面。這樣拍攝的照片中既有葉面的輪廓又有參照紙片的輪廓,通過計算兩者輪廓的面積比值,就可以結(jié)合參照紙片的實際面積根據(jù)比例關(guān)系計算葉面的實際面積。 利用攝像頭捕獲一定分辨率的含有樣本植物葉片圖像,提取葉片圖片中的葉片對象,利用邊緣檢測、類間最大方差法求閾值和灰度化處理等計算機(jī)圖像處理技術(shù)得到被測葉片與參照物的像素個數(shù)比，即得面積比，通過已知參照物面積從而求得葉片面積。
作品圖片
作品專業(yè)信息
設(shè)計、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)
- 發(fā)明目的:本作品針對傳統(tǒng)葉面積測量缺點,對測量精度、易用性、價格等各種因素綜合考慮,提出一種新的方案來測量葉面積。 基本思路:以數(shù)字圖像處理技術(shù)為基礎(chǔ),提出一種簡化、高精度的葉面積測量方案并運(yùn)用到便攜式終端上,對攝像頭獲得的含參照物和葉片影像的圖像通過終端軟件進(jìn)行處理計算。 創(chuàng)新點： 1.實現(xiàn)任意形狀和大小的葉面積測量,測量簡單、精度高 2.可以滿足無損傷測量葉面積,無需采摘葉片 3.便攜式終端具有結(jié)構(gòu)模塊化的特點,適用性強(qiáng),可擴(kuò)展性強(qiáng),可以通過模塊接口擴(kuò)展其功能 4.簡化業(yè)務(wù)處理流程、簡單、快捷 5.計算機(jī)編程實現(xiàn)葉子與紙片的像素個數(shù)比(即面積比),已知紙片面積,從而計算出葉子的面積參數(shù),體現(xiàn)科學(xué)性 6.可以實現(xiàn)對單株植物的連續(xù)性測量和累加測量 技術(shù)關(guān)鍵： 1.硬件方面：硬件主要考慮到系統(tǒng)的便攜以及是否具有模塊化的特點,最終的便攜式終端具有體積小,使用靈活,可擴(kuò)展性強(qiáng),帶有可觸摸的液晶顯示器,可通過模塊接口擴(kuò)展功能。 2.軟件方面：本系統(tǒng)采用VC++實現(xiàn),通過對攝像頭采集的含有參照物葉片圖片,經(jīng)過終端軟件的處理,最終計算出葉片的面積數(shù)據(jù)。 主要技術(shù)指標(biāo)： 1.測量精度：面積精度±1％；測量范圍：0.1-500平方厘米 2.理論最大測量面積：任意大小的任意形狀葉片的面積 3.終端尺寸：275×250×30毫米，重量：1.8公斤 4.終端顯示方式：液晶觸摸屏顯示加觸摸筆 5.具有累加測量和存貯功能：最大存貯面積值為65535平方厘米
科學(xué)性、先進(jìn)性
- 科學(xué)性:本作品為基于數(shù)字圖像處理的便攜式終端,可以滿足從事葉面積測量的研究人員對移動性、數(shù)據(jù)采集便捷性的需求。同時,便攜式終端具有結(jié)構(gòu)模塊化的特點,適用性強(qiáng),使用靈活,可擴(kuò)展性強(qiáng),可以通過模塊接口擴(kuò)展其功能,如溫濕度傳感器等?？朔鹘y(tǒng)測量方法的高成本,測量精度低,耗時多,破壞性等缺點。 先進(jìn)性:采用計算機(jī)編程手段實現(xiàn)葉面積測量,解決傳統(tǒng)測量方法在業(yè)務(wù)流程上的繁瑣,把測量葉面積的步驟,通過程序一步步來實現(xiàn),加快農(nóng)業(yè)信息化進(jìn)程。 相比傳統(tǒng)方法本發(fā)明具有以下優(yōu)點： 1.便攜式終端具有微型體積,便于野外操作,攜帶方便 2.可以測量任意形狀和大小的葉子面積,而其他一些葉面積測量儀只能測量一定范圍大小的葉片面積 3.簡化業(yè)務(wù)處理流程,測量簡單,快捷,精度高。傳統(tǒng)的測量葉面積的方法,如方格法,復(fù)印稱重法精度不高并且費(fèi)時費(fèi)料,擴(kuò)大了業(yè)務(wù)處理流程 4.低成本。目前市場上便攜式PDA價格低廉,而葉面積儀等一些專業(yè)測量葉面積工具價格昂貴,大多數(shù)都在3萬以上
獲獎情況及鑒定結(jié)果
作品所處階段
- 中試階段
技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式
- 合作
作品可展示的形式
- 實物、產(chǎn)品，模型，現(xiàn)場演示，圖片，錄像，樣品
使用說明,技術(shù)特點和優(yōu)勢,適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說明,市場分析,經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測
- 使用說明:將一張邊長為1cm的正方形白色紙片粘貼到待測的植物葉片上,運(yùn)行葉面積測量軟件實現(xiàn)攝像頭拍攝圖片,分析計算。 技術(shù)特點和優(yōu)勢：成本低,無需采摘葉片,保護(hù)農(nóng)作物生長的連續(xù)性,滿足非破壞性測量,可測量任意形狀和大小的葉片,體積小,操作方便、耗能低。 適應(yīng)范圍：廣大農(nóng)村地區(qū)和技術(shù)人員、科研人員。 技術(shù)性說明：攝像頭動態(tài)連接器關(guān)鍵代碼實現(xiàn),以及圖像處理算法實現(xiàn)。 市場分析：農(nóng)業(yè)上葉面積參數(shù)非常重要,市場需求量具有很大潛力。相比傳統(tǒng)測量葉面積的方法,本作品具有突出的優(yōu)勢。 經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測： 本作品核心部件主要有微型主板(約1400元)、液晶顯示器(約300元) 、USB攝像頭(約30元)三部分組成，以及包裝盒的費(fèi)用,成本約1800。按保守估算,即XX省約1000個鄉(xiāng)鎮(zhèn),平均每個鄉(xiāng)鎮(zhèn)配備5臺,按售價2000元計算（利潤率10%）,經(jīng)濟(jì)效益約100萬元,再加上全國鄉(xiāng)鎮(zhèn)總數(shù),潛在經(jīng)濟(jì)效益巨大
同類課題研究水平概述
- 隨著計算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展,數(shù)字圖像處理技術(shù)不斷成熟和完善,圖像處理技術(shù)在農(nóng)業(yè)上對植物葉面積測量方面的研究得到了深入的開展。 國防科技大學(xué)的翟紅芳、盧煥章針對中值濾波和邊緣檢測技術(shù)在背景復(fù)雜的灰度圖像分割中的應(yīng)用進(jìn)行了研究,采用一種基于中值濾波、Sobel算子和數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)相結(jié)合的邊緣檢測算法,比傳統(tǒng)的邊緣檢測能更有效地抑制噪聲, 提高邊緣檢測精度,具有更好地邊緣提取效果和邊緣連續(xù)性,著重研究其基本思想。 針對植物葉面圖像,華中科技大學(xué)的侯國祥和翁章卓在《基于圖像處理的樹葉面積測量系統(tǒng)》中以數(shù)字圖像處理技術(shù)為基礎(chǔ),對數(shù)碼相機(jī)拍攝的含有參照硬板和樹葉的照片進(jìn)行圖像分析處理,提出獲取樹葉實際面積測量系統(tǒng)的一種獨(dú)特實現(xiàn)方案。 荷蘭Wageningen大學(xué)的VanHentenEJ等人研究植物葉冠相對覆蓋率與植物干重之間的關(guān)系，建立3種數(shù)學(xué)模型,并且利用圖像處理技術(shù)和有損測量對萵苣做對比實驗,利用線性回歸方法得到一個最優(yōu)的模型。實驗證實植物的葉面積與植物干重之間的確存在線性關(guān)系,圖像處理方法誤差只有5%。這一研究結(jié)果為圖像處理方法測量葉面積,預(yù)測植物干濕重提供了理論依據(jù)。 張全法,馮絢等利用以CCD為圖像傳感器的數(shù)字化圖像采集設(shè)備,將植物葉片的圖像輸人到計算機(jī)進(jìn)行處理,得到葉片所對應(yīng)的像元數(shù)通過測量已知面積的物體(標(biāo)準(zhǔn)物體)，可以實現(xiàn)對系統(tǒng)的標(biāo)定,得到一個比例系數(shù),即每個像元所對應(yīng)的實際面積將葉片所對應(yīng)的像元數(shù)乘以該比例系數(shù)即得其面積。楊勁峰,陳清等采用平臺掃描儀獲取葉片的數(shù)字圖像,建立運(yùn)用數(shù)字圖像處理技術(shù)測定蔬菜葉面積的方法,同時與目前較常用的交叉網(wǎng)格法,CID儀器法，復(fù)印稱重法和生產(chǎn)上常用的直尺法進(jìn)行比較分析,結(jié)果表明,圖像處理方法與其它方法相比具有準(zhǔn)確,快速,適用范圍廣,容易普及等優(yōu)點,適用于科研和生產(chǎn)推廣使用。 本作品將基于圖像處理的葉面積測量系統(tǒng)應(yīng)用于便攜式終端上,利用邊緣檢測,最大閾值和灰度化處理等計算機(jī)圖像處理技術(shù),得到被測量葉片與參照物的像素個數(shù)比,再求得葉片面積。 本終端在農(nóng)業(yè)上可精確地測量農(nóng)作物葉面積，對于調(diào)整群體結(jié)構(gòu)、保護(hù)生態(tài)環(huán)境、合理種植、充分利用光熱資源，從而指導(dǎo)作物栽培密度及合理施肥以獲得作物高產(chǎn)有著重要的意義。
