一種識別大田作物長勢監(jiān)控圖像中綠色植物的方法及系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種識別大田作物長勢監(jiān)控圖像中綠色植物的方法及系統(tǒng)。該方法包括：首先在HSV顏色空間對大田作物長勢監(jiān)控圖像中的圖像元素進行顏色分布分析，得出綠色植物區(qū)別于其他背景圖像元素的色調(diào)值范圍和飽和度值范圍；之后構(gòu)建基于色調(diào)H的帶通濾波器BPH(H)和基于飽和度S的帶通濾波器BPS(S)，使大田作物長勢監(jiān)控圖像依次通過帶通濾波器BPH(H)和帶通濾波器BPS(S)，即可將大田作物長勢監(jiān)控圖像中除綠色植物外的其他背景圖像元素給濾除掉，后續(xù)利用綠色因子法和閾值分割法就能識別出大田作物長勢監(jiān)控圖像中的綠色植物。本發(fā)明能夠正確識別復(fù)雜天氣條件和復(fù)雜背景下拍攝的大田作物長勢監(jiān)控圖像中的綠色植物。
【專利說明】一種識別大田作物長勢監(jiān)控圖像中綠色植物的方法及系統(tǒng)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及模式識別和機器視覺領(lǐng)域，具體地說是一種識別大田作物長勢監(jiān)控圖 像中綠色植物的方法及系統(tǒng)。

【背景技術(shù)】
[0002] 耕地減少、人口增長、自然災(zāi)害頻發(fā)，迫使各國政府不得不考慮本國的糧食安全問 題。為了保證糧食的穩(wěn)產(chǎn)、高產(chǎn)，農(nóng)業(yè)科學(xué)家提出了"精細(xì)農(nóng)業(yè)"的概念，核心思想就是通過 對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的各個環(huán)節(jié)（如播種、施肥、灌溉、除蟲等）進行精細(xì)化管理，保證莊稼能夠健康 成長。作物長勢監(jiān)控是精細(xì)農(nóng)業(yè)中的一個重要研宄課題。
[0003] 作物長勢作為作物生長過程中的重要屬性，已經(jīng)成為農(nóng)學(xué)中的研宄熱點。通過作 物長勢，可以幫助農(nóng)業(yè)科學(xué)家分析大田作物的生產(chǎn)過程與作物生長狀態(tài)間的關(guān)系，并由此 提供有效的農(nóng)業(yè)決策服務(wù)（如施肥量、灌溉時間、病蟲害防治等），最終提高農(nóng)作物產(chǎn)量。利 用田間相機采集大田作物長勢監(jiān)控圖像進行作物長勢分析非常適合對地塊級的作物長勢 進行精確監(jiān)控。
[0004]由于大田作物長勢監(jiān)控圖像采集于野外大田環(huán)境，因此圖像質(zhì)量容易受天氣陰 晴、土壤顏色、表面覆蓋物等因素影響，這些因素都使得從大田作物長勢監(jiān)控圖像中正確識 別出其中的綠色植物從而判斷其長勢變得極其困難。
[0005] 常見的綠色植物識別方法為基于可見光譜因子的識別方法，主要包括：綠色因子 法（ExcessGreenIndex，ExG)，綠色減紅色因子法（ExcessGreenminusRedIndex， ExGR)，植被指數(shù)法（VegetativeIndex，VEG)，綜合指數(shù)法（CombinedIndex，COM)等。這 些方法都假設(shè)圖像具有正常的亮度和對比度，圖像中的綠色植物為明亮的綠色，且背景只 有單一的土壤，但事實上這個假設(shè)并不總是成立。
[0006] 實際拍攝的大田作物圖像，其亮度和對比度受天氣狀況和拍攝時間的影響很大， 比如晴天時亮度和對比度較高，而陰天時較低；植物的顏色也不總是明亮的綠色，而是與作 物的生長狀態(tài)（如健康、患病、缺肥、干旱、蟲害等）密切相關(guān)；圖像的背景也不僅僅是單 一顏色的土壤，大田的土壤可能是黑土、黃土或紅土，土壤表面可能覆蓋著麥秸、玉米秸、地 膜、燃燒秸桿產(chǎn)生的灰燼等。上述因素導(dǎo)致基于可見光譜因子的方法對自然光條件下拍攝 的大田作物長勢監(jiān)控圖像中的綠色植物識別率較低甚至無法識別，因此亟需尋找一種能夠 適應(yīng)大田環(huán)境的綠色植物識別方法。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明的目的之一就是提供一種識別大田作物長勢監(jiān)控圖像中綠色植物的方法， 以解決現(xiàn)有的基于可見光譜因子的方法對自然光條件下拍攝的大田作物長勢監(jiān)控圖像中 的綠色植物識別率較低甚至無法識別的問題。
[0008] 本發(fā)明的目的之二就是提供一種識別大田作物長勢監(jiān)控圖像中綠色植物的系統(tǒng)， 采用該系統(tǒng)可準(zhǔn)確識別出大田作物長勢監(jiān)控圖像中的綠色植物，以便對大田作物長勢進行 正確分析。
[0009] 本發(fā)明的目的之一是這樣實現(xiàn)的：一種識別大田作物長勢監(jiān)控圖像中綠色植物的 方法，包括如下步驟：
[0010] 第一步、對大田作物長勢監(jiān)控圖像中的圖像元素在HSV顏色空間進行顏色分布分 析，得出綠色植物圖像元素區(qū)別于其他圖像元素的最小色調(diào)值hmin、最大色調(diào)值hmax、最小飽 和度值8_和最大飽和度值S
[0011] 第二步、構(gòu)建基于色調(diào)H的帶通濾波器BPH(H)，滿足如下公式：
[0012]

【權(quán)利要求】
1. 一種識別大田作物長勢監(jiān)控圖像中綠色植物的方法，其特征是，包括如下步驟： 第一步、對大田作物長勢監(jiān)控圖像中的圖像元素在HSV顏色空間進行顏色分布分析， 得出綠色植物圖像元素區(qū)別于其他圖像元素的最小色調(diào)值hmin、最大色調(diào)值h_、最小飽和 度值8_和最大飽和度值S 第二步、構(gòu)建基于色調(diào)H的帶通濾波器BPH(H)，滿足如下公式：
式（1)中，H是大田作物長勢監(jiān)控圖像中圖像元素在HSV顏色空間的色調(diào)H分量； 第三步、通過帶通濾波器BPH(H)從大田作物長勢監(jiān)控圖像中濾掉色調(diào)與綠色植物圖 像元素色調(diào)不符的圖像元素，得到色調(diào)與綠色植物圖像元素色調(diào)相符的圖像I1，圖像1在 RGB顏色空間表示為： I1= [R11G11B1] (2) 式⑵中，Ri、Gi和B1的表達式如下：
式中，R、G、B分別為大田作物長勢監(jiān)控圖像中圖像元素在RGB顏色空間的紅、綠、藍(lán)三 個顏色分量，RpGpB1分別為色調(diào)與綠色植物圖像元素色調(diào)相符的圖像I:在RGB顏色空間 的紅、綠、藍(lán)三個顏色分量； 第四步、構(gòu)建基于飽和度S的帶通濾波器BPS(S)，滿足如下公式：
式（6)中，S是大田作物長勢監(jiān)控圖像中圖像元素在HSV顏色空間的飽和度S分量； 第五步、通過帶通濾波器BPS(S)從圖像I1中濾掉飽和度與綠色植物圖像元素飽和度 不符的圖像元素，得到色調(diào)和飽和度與綠色植物圖像元素中色調(diào)和飽和度均相符的圖像 I2，圖像12在RGB顏色空間表示為： I2= [R2,G2,B2] (7) 式（7)中，R2、GjPB2的表達式如下：

式中，R2、G2、B2分別為色調(diào)和飽和度與綠色植物圖像元素中色調(diào)和飽和度均相符的圖 像12在RGB顏色空間的紅、綠、藍(lán)三個顏色分量； 第六步、對圖像I2利用綠色因子法計算綠色因子矩陣Mg，具體計算公式為： Mg= 2G2-R2-B2 (11) 第七步、利用閾值分割法識別矩陣Mg中的綠色植物，得到綠色植物目標(biāo)圖像Og，滿足下 式：
式（12)中，T為分割閾值。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的識別大田作物長勢監(jiān)控圖像中綠色植物的方法，其特征是， 第一步中，大田作物為大田玉米，大田作物長勢監(jiān)控圖像中的圖像元素包括綠色植物、 土壤、麥秸、玉米秸、地膜和秸桿燃燒后產(chǎn)生的灰燼； 第三步中，所得到的圖像I1為從大田作物長勢監(jiān)控圖像中去除了土壤、玉米秸、地膜和 秸桿燃燒后產(chǎn)生的灰燼后的圖像； 第五步中，所得到的圖像12為從圖像Ii中去除了麥秸后的圖像。
3. -種識別大田作物長勢監(jiān)控圖像中綠色植物的系統(tǒng)，其特征是，包括： 背景圖像元素去除模塊，用于去除大田作物長勢監(jiān)控圖像中除綠色植物圖像元素外的 其他背景圖像元素； 綠色因子矩陣計算模塊，用于計算由所述背景圖像元素去除模塊作用后的圖像中的綠 色因子矩陣；以及 綠色植物識別模塊，用于對所述綠色因子矩陣進行閾值分割，以得到綠色植物目標(biāo)圖 像。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的識別大田作物長勢監(jiān)控圖像中綠色植物的系統(tǒng)，其特征是， 所述背景圖像元素去除模塊包括： 綠色植物區(qū)別單元，用于根據(jù)大田作物長勢監(jiān)控圖像中圖像元素在HSV顏色空間的顏 色分布，得出綠色植物圖像元素區(qū)別于其他背景圖像元素的最小色調(diào)值^1_、最大色調(diào)值 hmax、最小飽和度值Smin和最大飽和度值smax; 色調(diào)濾除單元，用于通過帶通濾波器BPH(H)從大田作物長勢監(jiān)控圖像中濾掉色調(diào)與 綠色植物圖像元素色調(diào)不符的圖像元素，得到色調(diào)與綠色植物圖像元素色調(diào)相符的圖像 Ii; 帶通濾波器BPH(H)滿足如下公式：
圖像1在RGB顏色空間的紅、綠、藍(lán)三個顏色分量分別為RGpB1;RGp足如下 公式：
式中，R、G、B分別為大田作物長勢監(jiān)控圖像中圖像元素在RGB顏色空間的紅、綠、藍(lán)三 個顏色分量； 飽和度濾除單元，用于通過帶通濾波器BPS(S)從圖像I1中濾掉飽和度與綠色植物圖 像元素飽和度不符的圖像元素，得到色調(diào)和飽和度與綠色植物圖像元素中色調(diào)和飽和度均 相符的圖像I2; 帶通濾波器BPS(S)滿足如下公式：
圖像12在RGB顏色空間的紅、綠、藍(lán)三個顏色分量分別為R2、G2、B2;R2、G2、82滿足如下 公式：
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的識別大田作物長勢監(jiān)控圖像中綠色植物的系統(tǒng)，其特征是， 所述背景圖像元素去除模塊用于去除大田作物長勢監(jiān)控圖像中除綠色植物圖像元素外的 土壤、麥秸、玉米秸、地膜和秸桿燃燒后產(chǎn)生的灰燼五種背景圖像元素。
【文檔編號】G06K9/00GK104504736SQ201510024750
【公開日】2015年4月8日 申請日期:2015年1月19日 優(yōu)先權(quán)日:2015年1月19日
【發(fā)明者】楊敬偉, 王思樂, 李道亮, 楊文柱, 陳英義, 李振波, 盧素魁 申請人:河北大學(xué)