專(zhuān)利名稱(chēng)：盆栽水稻表型參數(shù)的全自動(dòng)無(wú)損測(cè)量系統(tǒng)及測(cè)量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及屬于機(jī)器視覺(jué)檢測(cè)技術(shù)，尤其涉及到一種盆栽水稻表型參數(shù)的測(cè)量系統(tǒng)及測(cè)量方法。
背景技術(shù)：
當(dāng)今農(nóng)業(yè)工程學(xué)科中，農(nóng)作物育種是熱點(diǎn)研究領(lǐng)域之一，而研究農(nóng)作物的育種離不開(kāi)對(duì)農(nóng)作物全生育期各種表型參數(shù)的測(cè)量和分析。在對(duì)表型分析的同時(shí)，聯(lián)系植物的生長(zhǎng)發(fā)育、遺傳變異、環(huán)境等各方面情況，可以對(duì)農(nóng)作物的育種提供有價(jià)值的信息，同時(shí)為促進(jìn)改良株型和改善管理提供強(qiáng)大的工具。水稻是世界主要糧食作物之一，據(jù)2009年世界糧食峰會(huì)關(guān)于食品安全的報(bào)告，到 2050年，需要增長(zhǎng)70%的糧食以滿足人口的增長(zhǎng)。中國(guó)是世界上最大的水稻消費(fèi)國(guó)，對(duì)水稻的需求顯得尤為重要。研究水稻的生長(zhǎng)信息時(shí)，表型數(shù)據(jù)是極為重要的。水稻的生長(zhǎng)發(fā)育、生理變化、遺傳變異等過(guò)程都會(huì)引起表型性狀的改變。水稻的表型性狀很大程度上決定了品種的地區(qū)和季節(jié)適應(yīng)性，是篩選和培育新品種的重要參考標(biāo)準(zhǔn)。水稻表型數(shù)據(jù)的數(shù)字化自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)可以高通量提取水稻的表型參數(shù)數(shù)據(jù)，從而快速篩選出有價(jià)值的基因，進(jìn)而加快遺傳改良鑒定的速度，這將極大的促進(jìn)水稻功能基因組學(xué)的發(fā)展。因此，在水稻的遺傳育種研究中，獲取和分析表型性狀參數(shù)是不可或缺的，如何準(zhǔn)確、快速、無(wú)損的獲取這些表型參數(shù)一直是農(nóng)業(yè)研究中的一個(gè)難題。目前，這些表型參數(shù)的獲取主要依靠人工測(cè)量，測(cè)量效率低、可重復(fù)性差、主觀誤差大，數(shù)據(jù)質(zhì)量參差不齊，以致對(duì)后續(xù)分析產(chǎn)生影響。人工測(cè)量的這些缺點(diǎn)使得測(cè)量性狀參數(shù)時(shí)只能采取抽樣的方式，無(wú)法實(shí)現(xiàn)大批量的測(cè)量，因此也就無(wú)法對(duì)單株水稻樣本進(jìn)行連續(xù)跟蹤觀測(cè)，遠(yuǎn)不能滿足現(xiàn)代育種的要求。開(kāi)展盆栽水稻表型參數(shù)的自動(dòng)化獲取和分析平臺(tái)，可降低現(xiàn)代育種成本，減少育種周期，在水稻育種研究領(lǐng)域有極大的應(yīng)用前景和經(jīng)濟(jì)效益。在此背景前提下，國(guó)外已經(jīng)有一些比較成熟的產(chǎn)品，如德國(guó)的Lemnatec公司設(shè)計(jì)了一套玉米表型參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)，而國(guó)內(nèi)尚未發(fā)現(xiàn)此類(lèi)產(chǎn)品。為了給國(guó)內(nèi)甚至世界水稻育種平臺(tái)提供快速檢測(cè)手段，本發(fā)明設(shè)計(jì)和制作一個(gè)全自動(dòng)高通量無(wú)損檢測(cè)盆栽水稻表型參數(shù)的系統(tǒng)。從系統(tǒng)的美觀和穩(wěn)定性考慮，本系統(tǒng)輸送線設(shè)計(jì)由不銹鋼構(gòu)成，控制部分使用可編程邏輯控制器件，測(cè)量部分使用可見(jiàn)光成像系統(tǒng)和X-射線成像系統(tǒng)構(gòu)成。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種盆栽水稻表型參數(shù)的全自動(dòng)無(wú)損測(cè)量系統(tǒng)及其測(cè)量方法，該系統(tǒng)能夠自動(dòng)測(cè)量盆栽水稻的表型參數(shù)，包括株高、分蘗和生物量。本發(fā)明提供的一種盆栽水稻表型參數(shù)的全自動(dòng)無(wú)損測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于，包括 X射線源、X射線探測(cè)器、頂視相機(jī)、側(cè)視相機(jī)、光源、輸入端接近開(kāi)關(guān)、檢測(cè)區(qū)對(duì)射式光電開(kāi)關(guān)、檢測(cè)區(qū)接近開(kāi)關(guān)，旋轉(zhuǎn)臺(tái)、盆栽水稻小車(chē)、輸入端電動(dòng)門(mén)、輸出端電動(dòng)門(mén)、輸入端輸送線、檢測(cè)區(qū)輸送線、輸出端輸送線、鉛房、可編程控制器和工作站；所述X射線源與所述X射線探測(cè)器分別安裝于檢測(cè)區(qū)輸送線的兩側(cè)，所述頂視相機(jī)固定在所述鉛房頂部，所述測(cè)試相機(jī)固定安裝于檢測(cè)區(qū)輸送線一側(cè)，所述旋轉(zhuǎn)臺(tái)安裝在檢測(cè)區(qū)輸送線上，所述輸入端電動(dòng)門(mén)和輸出端電動(dòng)門(mén)安裝在鉛房?jī)蓚?cè)，所述工作站分別與 X射線探測(cè)器、頂視相機(jī)、側(cè)視相機(jī)和可編程控制器相連，所述可編程控制器分別與X射線源、光源、輸入端接近開(kāi)關(guān)、檢測(cè)區(qū)對(duì)射式光電開(kāi)關(guān)、檢測(cè)區(qū)接近開(kāi)關(guān)、旋轉(zhuǎn)臺(tái)、輸入端電動(dòng)門(mén)、輸出端電動(dòng)門(mén)、輸入端輸送線、檢測(cè)區(qū)輸送線、和輸出端輸送線相連；所述盆栽水稻小車(chē)用于固定盆栽水稻使其在輸入端輸送線、檢測(cè)區(qū)輸送線、輸出端輸送線上運(yùn)行平穩(wěn)，所述光源用于為成像提供充足的照明。所述檢測(cè)區(qū)輸送線上還安裝升降臺(tái)，所述旋轉(zhuǎn)臺(tái)安裝在升降臺(tái)上，所述升降臺(tái)用于將盆栽水稻和電動(dòng)旋轉(zhuǎn)臺(tái)頂升至上位，便于所述X射線源、側(cè)視相機(jī)的掃描、拍攝，所述可編程控制器相連所述升降臺(tái)。所述盆栽水稻表型參數(shù)的全自動(dòng)無(wú)損測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量方法，其特征在于，包括以下步驟步驟i、打開(kāi)工作站和可編程控制器；步驟ii、所述輸入端輸送線輸送帶小車(chē)的盆栽水稻，所述輸入端接近開(kāi)關(guān)檢測(cè)到小車(chē)，所述輸入端電動(dòng)門(mén)打開(kāi)；步驟iii、盆栽水稻通過(guò)所述輸入端電動(dòng)門(mén)，經(jīng)檢測(cè)區(qū)輸送線輸送，所述檢測(cè)區(qū)對(duì)射式光電開(kāi)關(guān)檢測(cè)到水稻花盆，檢測(cè)區(qū)接近開(kāi)關(guān)感應(yīng)到小車(chē)，所述輸入端電動(dòng)門(mén)關(guān)閉，所述輸入端輸送線停止，所述檢測(cè)區(qū)輸送線停止，所述小車(chē)落在所述旋轉(zhuǎn)臺(tái)上；步驟iv、所述旋轉(zhuǎn)臺(tái)帶動(dòng)盆栽水稻旋轉(zhuǎn)，同時(shí)，頂視相機(jī)拍攝盆栽水稻的頂視圖片，側(cè)視相機(jī)每隔一定角度拍一張圖片，得到若干張側(cè)視圖像；X射線成像系統(tǒng)對(duì)水稻進(jìn)行斷層掃描，每隔一定角度獲取該方向的投影值，共得到若干個(gè)方向的投影正弦圖；步驟V、拍攝完之后，所述旋轉(zhuǎn)臺(tái)停止旋轉(zhuǎn)，所述輸出端電動(dòng)門(mén)打開(kāi)，所述輸入端輸送線和所述檢測(cè)區(qū)輸送線啟動(dòng)送走盆栽水稻并將下一盆水稻植株送到檢測(cè)區(qū)，延時(shí)一段時(shí)間后所述輸出端電動(dòng)門(mén)關(guān)閉；步驟vi、所述工作站接收到數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)字圖像處理和分析后，得到水稻的表型參數(shù)包括株高、分蘗和生物量。所述步驟iv中，在旋轉(zhuǎn)臺(tái)開(kāi)始旋轉(zhuǎn)之前，由升降臺(tái)頂升盆栽水稻至上位；所述步驟iv中，所述旋轉(zhuǎn)臺(tái)停止旋轉(zhuǎn)后，所述升降臺(tái)下降。所述步驟iv的數(shù)字圖像處理和分析株高，包括以下步驟(5_a)中值濾波將植株圖像進(jìn)行中值濾波去除噪聲；(5-b) 二值化將中值濾波后的圖像轉(zhuǎn)化為二值圖，這一步驟將綠色部分提取出來(lái)，判斷條件是RG兩色分量的相對(duì)大小，R偏大為黃色，G偏大為綠色；(5-c)去除小區(qū)域設(shè)定面積閾值，去掉連通區(qū)域面積在閾值以下的小區(qū)域；(5-d)搜索葉尖點(diǎn)對(duì)二值圖進(jìn)行逐像素掃描，按一定的準(zhǔn)則搜索所有葉尖點(diǎn)；(5-e)提取輪廓為每一個(gè)葉尖點(diǎn)搜索輪廓，從其附近的背景點(diǎn)開(kāi)始搜索輪廓，直到找不到下一個(gè)輪廓點(diǎn)為止； (5-f)計(jì)算葉尖點(diǎn)高度從葉尖點(diǎn)開(kāi)始搜索葉片外圍輪廓，計(jì)算每個(gè)葉尖點(diǎn)高度，將所有葉尖點(diǎn)高度中的最大值作為該角度下的水稻株高值。(5-g)比較所有角度下得到的水稻株高值，取最大值作為當(dāng)前水稻的株高。
所述步驟iv的數(shù)字圖像處理和分析生物量，包括以下步驟(6_a)目標(biāo)物體分割； (5-b)面積統(tǒng)計(jì)對(duì)經(jīng)過(guò)上述處理后的圖像，進(jìn)行面積統(tǒng)計(jì)，得到植株一個(gè)角度下的投影面積；(5-c)對(duì)所有頂視圖像和側(cè)視圖像進(jìn)行分割后，采用側(cè)視平均綠葉像素面積和頂視綠
葉像素面積雙變量的二元回歸法計(jì)算生物量像素值，即評(píng)=」Aside m_2xAtop，In(Fff)=
aln(PV) +b, PV :植株體積，F(xiàn)ff :植株鮮重，即文中的生物量，實(shí)驗(yàn)證明系統(tǒng)用此方法提取生物量參數(shù)較Lemnatec的方法具有更高的相關(guān)性。所述步驟iv的數(shù)字圖像處理和分析分蘗數(shù)，包括以下步驟(7_a)卷積濾波逆投影，將得到的各個(gè)方向的投影正弦圖，以投影正弦圖為起點(diǎn)，直接在空域中進(jìn)行修正，即將投影正弦圖與一個(gè)事先設(shè)計(jì)好的卷積函數(shù)進(jìn)行卷積運(yùn)算，然后將卷積結(jié)果作反投影，得到分蘗斷層重建圖；(7-b)中值濾波對(duì)重建出的圖像進(jìn)行中值濾波去除噪聲；(7-c)最大熵自動(dòng)閾值二值化將中值濾波后的圖像轉(zhuǎn)化為二值圖；(7-d)腐蝕將粘連在一起的區(qū)域分開(kāi)；(7-e)填充填充區(qū)域內(nèi)的小孔；(7-f)去除小區(qū)域設(shè)定面積閾值，去掉聯(lián)通區(qū)域面積在閾值以下的小區(qū)域；(7-g)區(qū)域計(jì)數(shù)對(duì)經(jīng)過(guò)上述處理后的圖像，進(jìn)行連通區(qū)域的計(jì)數(shù)， 最終得到分蘗數(shù)。本發(fā)明由預(yù)設(shè)的可編程控制器和計(jì)算機(jī)程序控制，采用X射線成像系統(tǒng)拍攝水稻的斷層圖像，通過(guò)數(shù)字圖像處理和分析技術(shù)得到分蘗數(shù)；可見(jiàn)光成像系統(tǒng)拍攝可見(jiàn)光圖像， 通過(guò)數(shù)字圖像處理和分析技術(shù)得到株高及生物量。本發(fā)明在利用工業(yè)控制技術(shù)的基礎(chǔ)上整合三維可見(jiàn)光成像，X射線斷層掃描成像， 國(guó)際上首次實(shí)現(xiàn)基于X射線斷層掃描技術(shù)的分蘗數(shù)在體無(wú)損提取，且將提取各個(gè)參數(shù)集成到一套系統(tǒng)中，成功建立第一套全自動(dòng)、高通量、多參數(shù)、無(wú)損和高精度的盆栽水稻表型參數(shù)自動(dòng)提取系統(tǒng)。


下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步具體說(shuō)明。
圖I為本發(fā)明盆栽水稻表型參數(shù)自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)的側(cè)視示意圖。
圖2為本發(fā)明盆栽水稻表型參數(shù)自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)的頂視示意圖。
圖3為本發(fā)明盆栽水稻表型參數(shù)自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)的工作流程圖。
圖4為目標(biāo)物體分割程序框圖。
圖5為株高測(cè)量的程序框圖。
圖6為生物量測(cè)量的示意圖。
圖7為分蘗測(cè)量的程序框圖。
圖8為株高系統(tǒng)測(cè)量值(X)與人工測(cè)量值(Y)散點(diǎn)圖。
圖9為生物量系統(tǒng)兩次重復(fù)測(cè)量結(jié)果散點(diǎn)圖。
圖10為分蘗數(shù)系統(tǒng)測(cè)量值(X)與人工測(cè)量值(Y)散點(diǎn)圖。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明提供的盆栽水稻表型參數(shù)全自動(dòng)高通量的測(cè)量系統(tǒng)，包括X射線源I、X射線源支架2、X射線探測(cè)器3、X射線探測(cè)器支架4、頂視相機(jī)5、側(cè)視相機(jī)6、側(cè)視相機(jī)支架7、光源8、輸入端接近開(kāi)關(guān)9、檢測(cè)區(qū)對(duì)射式光電開(kāi)關(guān)10、檢測(cè)區(qū)接近開(kāi)關(guān)11，電動(dòng)旋轉(zhuǎn)臺(tái)12、 電動(dòng)升降臺(tái)13、盆栽水稻小車(chē)14、輸入端電動(dòng)門(mén)15、輸出端電動(dòng)門(mén)16、輸入端輸送線17、檢測(cè)區(qū)輸送線18、輸出端輸送線19、鉛房20、可編程控制器21和工作站22。X射線源I固定在X射線源支架2上，X射線探測(cè)器3固定在X射線探測(cè)器支架4上，頂視相機(jī)固定在鉛房 20頂部測(cè)試相機(jī)6固定在測(cè)試相機(jī)支架上7，電動(dòng)旋轉(zhuǎn)臺(tái)12安裝在電動(dòng)升降臺(tái)13上，輸入端電動(dòng)門(mén)15和輸出端電動(dòng)門(mén)16安裝在鉛房20兩側(cè)，電動(dòng)門(mén)是盆栽水稻進(jìn)出鉛房20的通道，鉛房20和電動(dòng)門(mén)的主要作用是防止輻射，形成暗室，排除環(huán)境光的干擾，形成一個(gè)穩(wěn)定的光照環(huán)境，工作站22分別與X射線探測(cè)器3、頂視相機(jī)5、側(cè)視相機(jī)6、和控制器21相連， 控制器21分別與X射線源I、光源8、輸入端接近開(kāi)關(guān)9、檢測(cè)區(qū)對(duì)射式光電開(kāi)關(guān)10、檢測(cè)區(qū)接近開(kāi)關(guān)11電動(dòng)旋轉(zhuǎn)臺(tái)12、電動(dòng)升降臺(tái)14、輸入端電動(dòng)門(mén)15、輸出端電動(dòng)門(mén)16、輸入端輸送線17、檢測(cè)區(qū)輸送線18、和輸出端輸送線19相連。小車(chē)14用于固定盆栽水稻使其在輸送線上運(yùn)行平穩(wěn)，電動(dòng)升降臺(tái)13用于將盆栽水稻和電動(dòng)旋轉(zhuǎn)臺(tái)12頂升置上位，電動(dòng)旋轉(zhuǎn)臺(tái) 12用來(lái)帶動(dòng)盆栽水稻旋轉(zhuǎn)，盆栽水稻由輸入端輸送線17通過(guò)檢測(cè)區(qū)輸送線18送至檢測(cè)區(qū)域(電動(dòng)旋轉(zhuǎn)臺(tái)所在位置)，檢測(cè)完之后再由檢測(cè)區(qū)輸送線18送至輸出端輸送線19，頂視相機(jī)5置于檢測(cè)區(qū)域正上方，側(cè)視相機(jī)6和X射線源I置于檢測(cè)區(qū)域一側(cè)的不同高度，X射線探測(cè)器2置于檢測(cè)區(qū)域稻另一側(cè)，光源8置于檢測(cè)區(qū)域兩側(cè)，以便為成像提供充足的照明。檢測(cè)模塊包括兩套成像系統(tǒng)可見(jiàn)光成像系統(tǒng)及X射線成像系統(tǒng)。其中，可見(jiàn)光成像系統(tǒng)主要包括頂視相機(jī)5、側(cè)視相機(jī)6、光源8，用于測(cè)量株高及生物量；X射線成像系統(tǒng)主要包括X射線源I及X射線探測(cè)器3，用于測(cè)量分蘗。其中，包括輸入端輸送線17、檢測(cè)區(qū)輸送線18、輸出端輸送線19、電動(dòng)旋轉(zhuǎn)臺(tái)12和電動(dòng)升降臺(tái)13構(gòu)成輸送線運(yùn)輸系統(tǒng)，為定做的，輸送線采用不銹鋼，防腐蝕且耐用。輸入端電動(dòng)門(mén)15、輸出端電動(dòng)門(mén)16和鉛房20構(gòu)成一個(gè)暗室,該暗室提供了一個(gè)安全而穩(wěn)定的成像環(huán)境。X射線源I和X射線探測(cè)器3構(gòu)成X射線成像系統(tǒng)，該成像系統(tǒng)采用扇束X射線源， 發(fā)出扇形X射線束，與之相對(duì)應(yīng)的X射線探測(cè)器也是采用線陣列，X射線成像系統(tǒng)采用線掃描的方式成像。頂視相機(jī)5、側(cè)視相機(jī)6、光源8構(gòu)成可見(jiàn)光成像系統(tǒng)。此外本發(fā)明中小車(chē)14用來(lái)固定盆栽水稻讓其在輸送線上平穩(wěn)運(yùn)行，也為訂做。通過(guò)接近開(kāi)關(guān)來(lái)判斷小車(chē)的位置從而確定盆栽水稻的位置，可以避免水稻葉片的干擾，同時(shí)檢測(cè)區(qū)對(duì)射式光電開(kāi)關(guān)10可以用于判斷操作人員是否將盆栽水稻放入了小車(chē)中，若沒(méi)有放入則不進(jìn)行檢測(cè)，保證了系統(tǒng)高效穩(wěn)定的運(yùn)行。水稻表型參數(shù)全自動(dòng)無(wú)損高通量測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量方法，按以下步驟進(jìn)行(I)打開(kāi)工作站和控制器；(2)輸入端輸送線輸送帶小車(chē)的盆栽水稻，輸入端接近開(kāi)關(guān)檢測(cè)到小車(chē)，輸入端電動(dòng)門(mén)打開(kāi)。(3)盆栽水稻通過(guò)輸入端電動(dòng)門(mén)，經(jīng)檢測(cè)區(qū)輸送線輸送，檢測(cè)區(qū)對(duì)射式光電開(kāi)關(guān)檢測(cè)到水稻花盆，檢測(cè)區(qū)接近開(kāi)關(guān)感應(yīng)到小車(chē)，輸入端電動(dòng)門(mén)關(guān)閉，輸入端輸送線停止，檢測(cè)區(qū)輸送線停止。(4)電動(dòng)升降臺(tái)上升達(dá)到上位后，電動(dòng)旋轉(zhuǎn)臺(tái)開(kāi)始旋轉(zhuǎn)，總共轉(zhuǎn)360°，此間，頂視相機(jī)拍攝一張頂視圖片，側(cè)視相機(jī)每隔12°拍一張圖片，共30張側(cè)視圖像，同時(shí)，X射線成像系統(tǒng)對(duì)水稻進(jìn)行斷層掃描，每隔O. 84°獲取該方向的投影值，總共取282.24°，共得到336個(gè)方向的投影正弦圖。(5)拍攝完之后，電動(dòng)升降臺(tái)下降，輸出端電動(dòng)門(mén)打開(kāi)，輸入端輸送線和檢測(cè)區(qū)輸送線啟動(dòng)送走盆栽水稻并將下一盆水稻植株送到檢測(cè)區(qū)，延時(shí)一段時(shí)間后輸出端電動(dòng)門(mén)關(guān)閉；(3)工作站接收到數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)字圖像處理和分析后，得到水稻的表型參數(shù)包括株高、分蘗和生物量。數(shù)字圖像處理和分析包括以下幾個(gè)方面(I)株高測(cè)量。株高通過(guò)分析30張不同角度下拍攝的側(cè)視圖像得到。對(duì)于每一張側(cè)視圖，圖像處理算法主要包括目標(biāo)物體分割和輪廓跟蹤兩部分。目標(biāo)物體分割程序框圖如圖4所示，具體步驟如下(a)中值濾波將植株圖像進(jìn)行中值濾波去除噪聲；(b) 二值化將中值濾波后的圖像轉(zhuǎn)化為二值圖，這一步驟將綠色部分提取出來(lái)，判斷條件是RG兩色分量的相對(duì)大小，R偏大為黃色，G偏大為綠色；(c) 去除小區(qū)域設(shè)定面積閾值，去掉連通區(qū)域面積在閾值以下的小區(qū)域。輪廓跟蹤程序框圖如圖4所示，具體步驟如下(a)搜索葉尖點(diǎn)對(duì)二值圖進(jìn)行逐像素掃描，按一定的準(zhǔn)則搜索所有葉尖點(diǎn)；(b)提取輪廓為每一個(gè)葉尖點(diǎn)搜索輪廓，從其附近的背景點(diǎn)開(kāi)始搜索輪廓，直到找不到下一個(gè)輪廓點(diǎn)為止；(c)計(jì)算葉尖點(diǎn)高度從葉尖點(diǎn)開(kāi)始搜索葉片外圍輪廓，計(jì)算每個(gè)葉尖點(diǎn)高度，將所有葉尖點(diǎn)高度中的最大值作為該角度下的水稻株高值。最后，比較30 個(gè)角度下得到的水稻株高值，取最大值作為當(dāng)前水稻的株高。(2)生物量測(cè)量。測(cè)量算法分為圖像處理和建模兩部分，圖像處理按照以下步驟進(jìn)行；(a)目標(biāo)物體分割；(b)面積統(tǒng)計(jì)對(duì)經(jīng)過(guò)上述處理后的圖像，進(jìn)行面積統(tǒng)計(jì)，得到植株一個(gè)角度下的投影面積。計(jì)算部分對(duì)I張頂視圖像和30張側(cè)視圖像進(jìn)行分割后， 采用側(cè)視平均綠葉像素面積和頂視綠葉像素面積雙變量的二元回歸法計(jì)算生物量像素值
(PV = ^Aside_mean2 XAtop，In (Fff) = aln (PV) +b，PV :植株體積，F(xiàn)ff :植株鮮重，即文中的生物
量)，實(shí)驗(yàn)證明系統(tǒng)用此方法提取生物量參數(shù)較Lemnatec的方法具有更高的相關(guān)性，計(jì)算示意如圖5所示。(3)分蘗數(shù)測(cè)量，程序框圖見(jiàn)圖7，具體提取步驟如下(a)卷積濾波逆投影將得到的336個(gè)方向的投影正弦圖，以投影正弦圖為起點(diǎn)，直接在空域中進(jìn)行修正，即將投影正弦圖與一個(gè)事先設(shè)計(jì)好的卷積函數(shù)進(jìn)行卷積運(yùn)算，然后將卷積結(jié)果作反投影，得到分蘗斷層重建圖；(b)中值濾波對(duì)重建出的圖像進(jìn)行中值濾波去除噪聲；(c)最大熵自動(dòng)閾值二值化將中值濾波后的圖像轉(zhuǎn)化為二值圖；(d)腐蝕將粘連在一起的區(qū)域分開(kāi)；(e)填充 填充區(qū)域內(nèi)的小孔；(f)去除小區(qū)域設(shè)定面積閾值，去掉聯(lián)通區(qū)域面積在閾值以下的小區(qū)域；(g)區(qū)域計(jì)數(shù)對(duì)經(jīng)過(guò)上述處理后的圖像，進(jìn)行連通區(qū)域的計(jì)數(shù)，最終得到分蘗數(shù)。整個(gè)過(guò)程中，輸送線運(yùn)輸系統(tǒng)、X射線成像系統(tǒng)和可見(jiàn)光成像系統(tǒng)都是連續(xù)工作。實(shí)例I、實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)材料處于灌漿時(shí)期的盆栽水稻，樣品總數(shù)2830份人工方法測(cè)量方法人工測(cè)量株高的方法是手工收攏葉片、拉直測(cè)高，分蘗數(shù)的測(cè)量方法是分開(kāi)稻株、逐一計(jì)數(shù)，十人配合測(cè)量，每天工作8小時(shí)，一天可以測(cè)量280盆左右。 結(jié)果見(jiàn)圖8、圖9和圖10。將盆栽水稻放在輸入端輸送線的小車(chē)上，沿圖2中大箭頭方向運(yùn)行，按上述方法進(jìn)行操作。最后得到總的運(yùn)行時(shí)間16小時(shí)(每天工作8小時(shí)，耗時(shí)兩天)，平均20s/株，人工和系統(tǒng)測(cè)量株高的平均絕對(duì)誤差為19mm，相對(duì)誤差為2. 4%，人工測(cè)量值與系統(tǒng)測(cè)量值的相關(guān)系數(shù)O. 99 ;生物量?jī)纱沃貜?fù)測(cè)量的相關(guān)系數(shù)O. 98 ;分蘗數(shù)的絕對(duì)誤差±1.3蘗，分蘗數(shù)人工測(cè)量結(jié)果及系統(tǒng)測(cè)量結(jié)果的相關(guān)系數(shù)為O. 99。
2、實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)材料199份處于分蘗時(shí)期和198份處于抽穗時(shí)期的盆栽水稻。人工測(cè)量生物量方法在盆沿處剪下水稻，放在電子天平上稱(chēng)重。將盆栽水稻放在輸入端輸送線的小車(chē)上，沿圖2中大箭頭方向運(yùn)行，按上述方法進(jìn)行操作。最后得到生物量的平均絕對(duì)誤差分別為8. 39g和8. 62g，相對(duì)誤差為13. 21%和
8.25%，相關(guān)系數(shù)分別為O. 94和O. 98。最后所應(yīng)說(shuō)明的是，以上具體實(shí)施方式
僅用以說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制， 盡管參照較佳實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)說(shuō)明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，可以對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的精神和范圍，其均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍當(dāng)中。
權(quán)利要求
1.一種盆栽水稻表型參數(shù)的全自動(dòng)無(wú)損測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于，包括X射線源、X射線探測(cè)器、頂視相機(jī)、側(cè)視相機(jī)、光源、輸入端接近開(kāi)關(guān)、檢測(cè)區(qū)對(duì)射式光電開(kāi)關(guān)、檢測(cè)區(qū)接近開(kāi)關(guān)，旋轉(zhuǎn)臺(tái)、盆栽水稻小車(chē)、輸入端電動(dòng)門(mén)、輸出端電動(dòng)門(mén)、輸入端輸送線、檢測(cè)區(qū)輸送線、 輸出端輸送線、鉛房、可編程控制器和工作站；所述X射線源與所述X射線探測(cè)器分別安裝于檢測(cè)區(qū)輸送線的兩側(cè)，所述頂視相機(jī)固定在所述鉛房頂部，所述測(cè)試相機(jī)固定安裝于檢測(cè)區(qū)輸送線一側(cè)，所述旋轉(zhuǎn)臺(tái)安裝在檢測(cè)區(qū)輸送線上，所述輸入端電動(dòng)門(mén)和輸出端電動(dòng)門(mén)安裝在鉛房?jī)蓚?cè)，所述工作站分別與X射線探測(cè)器、頂視相機(jī)、側(cè)視相機(jī)和可編程控制器相連，所述可編程控制器分別與X射線源、 光源、輸入端接近開(kāi)關(guān)、檢測(cè)區(qū)對(duì)射式光電開(kāi)關(guān)、檢測(cè)區(qū)接近開(kāi)關(guān)、旋轉(zhuǎn)臺(tái)、輸入端電動(dòng)門(mén)、 輸出端電動(dòng)門(mén)、輸入端輸送線、檢測(cè)區(qū)輸送線、和輸出端輸送線相連；所述盆栽水稻小車(chē)用于固定盆栽水稻使其在輸入端輸送線、檢測(cè)區(qū)輸送線、輸出端輸送線上運(yùn)行平穩(wěn)，所述光源用于為成像提供充足的照明。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的盆栽水稻表型參數(shù)的全自動(dòng)無(wú)損測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于，所述檢測(cè)區(qū)輸送線上還安裝升降臺(tái)，所述旋轉(zhuǎn)臺(tái)安裝在升降臺(tái)上，所述升降臺(tái)用于將盆栽水稻和電動(dòng)旋轉(zhuǎn)臺(tái)頂升至上位，便于所述X射線源、側(cè)視相機(jī)的掃描、拍攝，所述可編程控制器相連所述升降臺(tái)。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述盆栽水稻表型參數(shù)的全自動(dòng)無(wú)損測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量方法，其特征在于，包括以下步驟步驟i、打開(kāi)工作站和可編程控制器；步驟ii、所述輸入端輸送線輸送帶小車(chē)的盆栽水稻，所述輸入端接近開(kāi)關(guān)檢測(cè)到小車(chē)， 所述輸入端電動(dòng)門(mén)打開(kāi)；步驟i i i、盆栽水稻通過(guò)所述輸入端電動(dòng)門(mén)，經(jīng)檢測(cè)區(qū)輸送線輸送，所述檢測(cè)區(qū)對(duì)射式光電開(kāi)關(guān)檢測(cè)到水稻花盆，檢測(cè)區(qū)接近開(kāi)關(guān)感應(yīng)到小車(chē)，所述輸入端電動(dòng)門(mén)關(guān)閉，所述輸入端輸送線停止，所述檢測(cè)區(qū)輸送線停止，所述小車(chē)落在所述旋轉(zhuǎn)臺(tái)上；步驟iv、所述旋轉(zhuǎn)臺(tái)帶動(dòng)盆栽水稻旋轉(zhuǎn)，同時(shí)，頂視相機(jī)拍攝盆栽水稻的頂視圖片，側(cè)視相機(jī)每隔一定角度拍一張圖片，得到若干張側(cè)視圖像；X射線成像系統(tǒng)對(duì)水稻進(jìn)行斷層掃描，每隔一定角度獲取該方向的投影值，共得到若干個(gè)方向的投影正弦圖；步驟V、拍攝完之后，所述旋轉(zhuǎn)臺(tái)停止旋轉(zhuǎn)，所述輸出端電動(dòng)門(mén)打開(kāi)，所述輸入端輸送線和所述檢測(cè)區(qū)輸送線啟動(dòng)送走盆栽水稻并將下一盆水稻植株送到檢測(cè)區(qū)，延時(shí)一段時(shí)間后所述輸出端電動(dòng)門(mén)關(guān)閉；步驟Vi、所述工作站接收到數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)字圖像處理和分析后，得到水稻的表型參數(shù)包括株聞、分蘗和生物量。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述盆栽水稻表型參數(shù)的全自動(dòng)無(wú)損測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量方法，其特征在于，所述步驟iv中，在旋轉(zhuǎn)臺(tái)開(kāi)始旋轉(zhuǎn)之前，由升降臺(tái)頂升盆栽水稻至上位；所述步驟iv 中，所述旋轉(zhuǎn)臺(tái)停止旋轉(zhuǎn)后，所述升降臺(tái)下降。
5.根據(jù)權(quán)利要求3或4所述盆栽水稻表型參數(shù)的全自動(dòng)無(wú)損測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量方法， 其特征在于，所述步驟iv的數(shù)字圖像處理和分析株高，包括以下步驟(5-a)中值濾波將植株圖像進(jìn)行中值濾波去除噪聲；(5_b) 二值化將中值濾波后的圖像轉(zhuǎn)化為二值圖，這一步驟將綠色部分提取出來(lái)，判斷條件是RG兩色分量的相對(duì)大小，R偏大為黃色，G偏大為綠色；(5-c)去除小區(qū)域設(shè)定面積閾值，去掉連通區(qū)域面積在閾值以下的小區(qū)域；(5-d)搜索葉尖點(diǎn)對(duì)二值圖進(jìn)行逐像素掃描，按一定的準(zhǔn)則搜索所有葉尖點(diǎn)；(5_e)提取輪廓 為每一個(gè)葉尖點(diǎn)搜索輪廓，從其附近的背景點(diǎn)開(kāi)始搜索輪廓，直到找不到下一個(gè)輪廓點(diǎn)為止; (5_f)計(jì)算葉尖點(diǎn)高度從葉尖點(diǎn)開(kāi)始搜索葉片外圍輪廓，計(jì)算每個(gè)葉尖點(diǎn)高度，將所有葉尖點(diǎn)高度中的最大值作為該角度下的水稻株高值。(5-g)比較所有角度下得到的水稻株高值，取最大值作為當(dāng)前水稻的株高。
6.根據(jù)權(quán)利要求3或4所述盆栽水稻表型參數(shù)的全自動(dòng)無(wú)損測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量方法，其特征在于，所述步驟iv的數(shù)字圖像處理和分析生物量，包括以下步驟(6_a)目標(biāo)物體分割；(5_b)面積統(tǒng)計(jì)對(duì)經(jīng)過(guò)上述處理后的圖像，進(jìn)行面積統(tǒng)計(jì)，得到植株一個(gè)角度下的投影面積；(5-c)對(duì)所有頂視圖像和側(cè)視圖像進(jìn)行分割后，采用側(cè)視平均綠葉像素面積和頂視綠葉像素面積雙變量的二元回歸法計(jì)算生物量像素值，即評(píng)=」A.-—m_2xAtop，In(Fff)=aln(PV) +b, PV :植株體積，F(xiàn)ff :植株鮮重，即文中的生物量。
7.根據(jù)權(quán)利要求3或4所述盆栽水稻表型參數(shù)的全自動(dòng)無(wú)損測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量方法，其特征在于，所述步驟iv的數(shù)字圖像處理和分析分蘗數(shù)，包括以下步驟(7-a)卷積濾波逆投影，將得到的各個(gè)方向的投影正弦圖，以投影正弦圖為起點(diǎn)，直接在空域中進(jìn)行修正，即將投影正弦圖與一個(gè)事先設(shè)計(jì)好的卷積函數(shù)進(jìn)行卷積運(yùn)算，然后將卷積結(jié)果作反投影，得到分蘗斷層重建圖；(7_b)中值濾波對(duì)重建出的圖像進(jìn)行中值濾波去除噪聲；(7-c)最大熵自動(dòng)閾值二值化將中值濾波后的圖像轉(zhuǎn)化為二值圖；(7-d)腐蝕將粘連在一起的區(qū)域分開(kāi)；(7-e)填充填充區(qū)域內(nèi)的小孔；(7-f)去除小區(qū)域設(shè)定面積閾值，去掉聯(lián)通區(qū)域面積在閾值以下的小區(qū)域；(7-g)區(qū)域計(jì)數(shù)對(duì)經(jīng)過(guò)上述處理后的圖像，進(jìn)行連通區(qū)域的計(jì)數(shù)， 最終得到分蘗數(shù)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種盆栽水稻表型參數(shù)全自動(dòng)無(wú)損高通量的測(cè)量系統(tǒng)及測(cè)量方法，本發(fā)明由可編程控制器控制，輸送線輸送盆栽水稻，采用X射線成像系統(tǒng)拍攝水稻斷層圖像，三維可見(jiàn)光成像系統(tǒng)拍攝可見(jiàn)光圖像，由工作站對(duì)所得圖像進(jìn)行處理，得到水稻各項(xiàng)參數(shù)。本發(fā)明首次提出并實(shí)現(xiàn)X射線斷層掃描成像測(cè)定水稻分蘗數(shù)的新方法，將提取各個(gè)參數(shù)集成到一套系統(tǒng)中，成功建立第一套全自動(dòng)、高通量、多參數(shù)和高精度的盆栽水稻表型參數(shù)自動(dòng)提取系統(tǒng)。
文檔編號(hào)G01N21/84GK102589441SQ20121000692
公開(kāi)日2012年7月18日 申請(qǐng)日期2012年1月11日 優(yōu)先權(quán)日2012年1月11日
發(fā)明者馮慧, 劉謙, 方偉, 楊萬(wàn)能, 段凌鳳, 蔣霓, 駱清銘, 黃成龍 申請(qǐng)人:華中科技大學(xué)