计算机图像识别在玉米生长模型中的应用

分类：论文范文 发表时间：2020-04-29 10:14

　　摘要:为了应对玉米植株的自动化监控，有效预测玉米产量，设计了玉米的生长模型系统。该系统以图像识别技术为基础，选择植株形貌参数，可有效预测玉米果实质量。整个系统包含图像分析、生长参数分析和玉米生长模型系统3部分。首先进行图像灰度化处理，进行二值分割，后采用中值滤波改进方法去除噪声;最后采用Hilditch细化算法，得到玉米植株骨架图。利用本系统对同一玉米植株进行27天观察，探索植株高度H、宽度W和节结个数N与时间之间的关系。系统以植株高度H、宽度W和节结个数N作为自变量，以植株玉米果实质量作为应变量，建立关系式，预测结果与实际结果吻合良好。

　　关键词:玉米生长模型;图像识别;图像分割;图像细化

　　0引言

　　玉米具有产量高、生长周期快及对于环境要求较低的特点，是国家支柱型粮食作物［1］。玉米的稳产、高产对于国家的粮食安全起到关键性作用。随着人口老龄化社会的来临及农村青壮年劳动力的流失，从事农业生产的劳动力越来越少［2］。对于大规模种植的玉米等粮食作物，急需实现自动化监控，准确实现产量预计。传统的植株生长模型重点在于记录植株的施肥量［3］、补水量和光照强度等可控因素［4］，忽略对玉米果实产量的预测。此类模型可以保证植株养分充足，但会出现植株生长茂盛、果实产量较低的情况［5］。为了准确预测植株产量，以植株成长过程中的形态参数作为研究对象，基于图像识别技术对植株图像进行处理，得到植株形状学参数。同时，记录选定参数随时间的变化规律，拟合果实质量和选定参数之间的关系。结果表明，本模型与实际情况吻合良好。

　　1系统组成

　　系统主要包括图像分析系统、植株生长参数分析系统及玉米分析系统，如图1所示。CCD摄像机采集玉米植株图像，图像分析系统首先进行图像灰度化处理，对数据量进行压缩;其次，进行图像分割(即进行二值化处理)采用中值滤波改进方法对其进行降噪处理;最后，采用图像细化的算法，对图像进行处理，得到玉米植株的骨干图。植物形态学分析表明，植株高度H、宽度W和节结个数N能表明植株的生长状态。因此，利用本系统对玉米植株进行27天图像处理，分别对3个因素与时间进行拟合，探寻之间的关系，最终输出植株高度H、宽度W和节结个数N;以植株高度H、宽度W和节结个数N为自变量，以玉米质量m为应变量，进行拟合，建立3因素与玉米果实质量之间的关系，完成生长模型建立。

　　2图像处理

　　2．1图像灰度化

　　图片中的任何一种颜色都由红、蓝、绿3种颜色通过不同强度叠加而成［6］。系统以CCD相机作为检测元件，当被拍摄物体光线进入CCD矩阵时，会在相应的像素点上产生强度向量Pi(Ｒ，G，B)，在驱动电压和时钟的作用下，输出强度矩阵是像素矩阵数据量的3倍［7］。图像分析时，如果对某一单通道进行分析，造成样本信息不完整，分析结果可靠性差;如果对三通道同时进行分析，就会造成计算量大，算法复杂。因此，提出新的强度量I来综合表征三通道的强度，在保证图像特征的前提下，压缩数据量到原来数据量的1/3。转化公式如式(1)所示。对玉米植株彩色图像进行灰度化处理［8］，玉米植株图像完整，轮廓清晰，如图2所示。I=0．229Ｒ+0．578G+0．114B(1)

　　2．2图像分割与降噪

　　研究玉米植株的形态重点在于植株的轮廓及轮廓中心线的走向，因此对灰度图像进行进一步化简，只包含植株和背景两部分，植株所在位置像素强度赋值255，背景强度赋值为0。现需确定植株部分判定标准，即阈值T:像素强度大于T，认为该像素为植株部分;像素强度小于T，认为该像素为背景，从而实现图像分割。求解阈值T过程如下:1)阈值初始化如式(2)所示。其中，Imax为图像中最强灰度值;Imin为图像中最弱灰度值。通常认为，I＞Tk的像素点为植株，I＜Tk的像素点为背景。Tk=Imax+Imin2(2)2)计算步骤1)中植株像素点的平均灰度Iok和背景像素点的平均灰度Ibk，即Iok=I(m∑，n)＞TkI(m，n)I(m∑，n)＞Tk1Ibk=I(m∑，n)＜TkI(m，n)I(m∑，n)＜Tk1(3)

　　3植株生长参数分析

　　植物形态学分析表明:植物的株高H、植株宽度W和植株节结数N可以反映植株的生长状况。植株高度对于植物生长具有重要意义，植物过高会造成土壤养分到叶片进行光合作用的转移距离加大，影响光合作用效率，不利于果实坐果与生长，且防风性能变差，容易倒伏;植株高度过低，其他植物会对其造成遮挡，影响植物光照强度，光合作用下降，且气体流动性降低，CO2的获取量下降，会直接影响光合作用效率［11］。植物宽度体现了叶子的伸张程度，宽度越大，植物的伸张程度越好;叶子接收阳光进行光合作用的效果越好。植物节数体现了叶子数量，同时与根系发育相关，茎节密集根系越发大，同时植物的抗倒伏能力越大。因此，选定植株高度为H、植株最大宽度为W和植株节数作为表征玉米植株生产状态的参量，采用本系统对同一玉米植株进行27天观察，3个参数随时间的变化如图6所示。

　　参考文献:

　　［1］黄贱荣，谭上勇．玉米优良品种及栽培技术的推广措施［J］．吉林农业，2018(22):31－33．

　　［2］廖柳文，高晓路．人口老龄化对乡村发展影响研究进展与展望［J］．地理科学进展，2018，37(5):617－626．

　　［3］尚辉．化肥减量对玉米农田土壤氮分布及作物氮吸收的影响［J］．江苏农业科学，2018，46(20):66－69．

　　［4］李晓光．不同栽培方式对玉米光合特性及产量的影响［J］．中国集体经济，2018(27):162－163．

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