圖像處理用于設(shè)施園藝管理系統(tǒng)的實(shí)踐分析

廖肖依,廖桂平,肖霖予,羅睿勍

(湖南農(nóng)業(yè)大學(xué),長沙 410125)

0 引言

設(shè)施園藝管理系統(tǒng)能夠在不利于作物生長的季節(jié)和區(qū)域內(nèi),利用人為制造的設(shè)施創(chuàng)造利于農(nóng)作物生長的環(huán)境,保證作物能夠高效、優(yōu)質(zhì)及穩(wěn)定地進(jìn)行生長,也是對農(nóng)作物生長過程的可控制研究結(jié)果[1-2]。設(shè)施園藝管理以作物生長管控模型和作物數(shù)據(jù)采集與診斷為基礎(chǔ),統(tǒng)一對作物的生長狀態(tài)信息進(jìn)行感知與調(diào)控[3]。

本文以設(shè)施園藝管理系統(tǒng)中的作物生長管理的精準(zhǔn)化控制為目標(biāo),設(shè)計(jì)了一種基于圖像采集、處理分析的設(shè)施園藝管理系統(tǒng),旨在為作物的精準(zhǔn)化生產(chǎn)控制水平奠定基礎(chǔ),保證作物的高效生長。

1 設(shè)施園藝管理系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

設(shè)施園藝管理系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)作物生長狀態(tài)的精準(zhǔn)化管控,通過對作物的生長狀態(tài)進(jìn)行全面感知,建立作物生長過程狀態(tài)模型,同時(shí)對生長過程的灌溉、施肥、光照等環(huán)境參數(shù)進(jìn)行智能化控制[4]。因此,采用圖像采集和光譜檢測的方式,對作物生長狀態(tài)進(jìn)行感知,系統(tǒng)功能層面包含感知層、控制層、服務(wù)層及應(yīng)用層,如圖1所示。

2 設(shè)施園藝管理系統(tǒng)功能層面設(shè)計(jì)

設(shè)施園藝管理系統(tǒng)進(jìn)行作物生長信息感知時(shí),均采用無線感知與數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆绞?實(shí)現(xiàn)作物生長區(qū)域內(nèi)的溫濕度、酸堿性、土壤墑情、光照強(qiáng)度及二氧化碳濃度等信息數(shù)據(jù)的采集、分析處理和傳輸[5-6]。圖2所示為設(shè)施園藝管理系統(tǒng)感知層功能架構(gòu)。

圖1 設(shè)施園藝管理系統(tǒng)總體框架圖Fig.1 Overall framework of facility horticulture management system

控制層主要對設(shè)施園藝區(qū)域內(nèi)的環(huán)境參數(shù)進(jìn)行控制,同時(shí)對作物生長過程中所需的元素進(jìn)行測控,根據(jù)作物生長狀態(tài)和環(huán)境參數(shù)信息控制作物生長所需的水肥供給,保證設(shè)施園藝作物生長所需的最佳條件[7]。

圖2 設(shè)施園藝管理系統(tǒng)感知層功能架構(gòu)Fig.2 Functional architecture of perception layer of facility horticulture management system

設(shè)施園藝環(huán)境控制系統(tǒng)采用變量溫濕度控制的方式,對園藝實(shí)施區(qū)域內(nèi)的光照強(qiáng)度、溫濕度、二氧化碳濃度等環(huán)境參數(shù)進(jìn)行控制;當(dāng)感知層獲取到的參數(shù)與作物生長過程的設(shè)定值不相符時(shí),內(nèi)置控制策略即可對相關(guān)的執(zhí)行設(shè)備進(jìn)行控制,調(diào)整設(shè)施園藝管理系統(tǒng)中的環(huán)境參數(shù)。與傳統(tǒng)的控制方式相比,設(shè)施園藝環(huán)境控制系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確進(jìn)行溫濕度的控制和調(diào)節(jié),保證作物生長過程環(huán)境參數(shù)的快速準(zhǔn)確調(diào)節(jié)[8-10]。圖3所示為設(shè)施園藝環(huán)境控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。

設(shè)施園藝作物生長所需的營養(yǎng)元素通過營養(yǎng)元素測控系統(tǒng)進(jìn)行一體化控制,包含作物生長區(qū)域內(nèi)的灌溉、施肥及參數(shù)采集功能,同時(shí)能夠根據(jù)內(nèi)置的環(huán)境參數(shù)預(yù)設(shè)值對營養(yǎng)元素進(jìn)行調(diào)整,使農(nóng)作物能夠在最優(yōu)的營養(yǎng)狀態(tài)下生長[11]。圖4所示為設(shè)施園藝管理系統(tǒng)營養(yǎng)元素測控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。

圖3 設(shè)施園藝環(huán)境控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Structure diagram of facility horticultural environment control system

圖4 園藝營養(yǎng)元素測控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Structure diagram of horticultural nutrient element measurement and control system

設(shè)施園藝管理系統(tǒng)服務(wù)層主要用于提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的分析處理、決策生成支持及作物生長模式分析等服務(wù),采用多種作物生長分析算法,對作物的生長狀態(tài)特性進(jìn)行分析[12]。設(shè)施園藝管理系統(tǒng)服務(wù)層可采用圖像識別的方式,對作物的生長階段和生長特性進(jìn)行分析,并利用光譜對設(shè)施園藝區(qū)域內(nèi)的不同作物生長特性進(jìn)行識別[13]。

對作物生長狀態(tài)進(jìn)行圖像識別時(shí),采用可見光圖像對設(shè)施園藝內(nèi)的作物種類進(jìn)行識別,同時(shí)進(jìn)行圖像的分析處理,識別作物的葉、莖及果實(shí),并根據(jù)作物的結(jié)構(gòu)元素,采用多尺度分析的方法對圖像進(jìn)行分析,反映作物生長階段的視覺特性[14]。圖5所示為設(shè)施園藝管理系統(tǒng)圖像識別處理流程。

圖5 設(shè)施園藝圖像識別處理流程圖Fig.5 Flow chart of facility horticulture image recognition and processing

利用光譜對作物的生長特性進(jìn)行識別時(shí),要求能對作物的葉密度和營養(yǎng)元素進(jìn)行快速檢測,確定作物生長過程中的葉密度與營養(yǎng)元素關(guān)系,從而識別不同作物的生長特性。利用光譜進(jìn)行作物生長特性識別時(shí),先通過傳感器對作物生物信息量進(jìn)行檢測,采用信息技術(shù)獲取作物生長信息標(biāo)準(zhǔn)參數(shù),通過數(shù)據(jù)推導(dǎo)的方式建立傳感器測量值與作物生長信息之間的邏輯關(guān)系,從而確定作物的生長狀態(tài)特性。

設(shè)施園藝區(qū)域內(nèi)的作物種類識別和作物生長特性識別完成后,即可建立區(qū)域內(nèi)作物生長信息數(shù)據(jù)庫,通過數(shù)學(xué)分析功能進(jìn)行作物生長狀態(tài)信息的分析處理,不斷優(yōu)化設(shè)施園藝區(qū)域內(nèi)的控制參數(shù)設(shè)置和控制策略優(yōu)化,從而實(shí)現(xiàn)設(shè)施園藝作物生長過程的最優(yōu)化控制。數(shù)據(jù)分析過程包含多種算法,能夠?qū)ψ魑锷L狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行各種服務(wù)診斷,并將數(shù)據(jù)進(jìn)行有機(jī)結(jié)合,決策作物生長狀態(tài)所需的控制模式。圖6所示為設(shè)施園藝作物最優(yōu)生長模式分析流程圖。

圖6 作物最優(yōu)生長模式分析流程圖Fig.6 Analysis flow chart of optimal crop growth mode

設(shè)施園藝管理系統(tǒng)應(yīng)用層主要對系統(tǒng)當(dāng)中的用戶界面、人機(jī)交互、移動(dòng)應(yīng)用及數(shù)據(jù)拓展服務(wù)進(jìn)行設(shè)置,便于系統(tǒng)使用人員的操作和管理。

3 植株圖像處理與參數(shù)提取

植株特征參數(shù)直接反應(yīng)作物的生長狀態(tài),故通過對植株圖像進(jìn)行采集,經(jīng)圖像分析處理后,從圖像中提取植株的特征參數(shù)。在參數(shù)提取過程中,利用長方體的包圍框?qū)χ仓陥D像進(jìn)行包圍,由此獲取到植株的外輪廓特征參數(shù)。

首先,提取植株圖像中心點(diǎn),假設(shè)圖像分割點(diǎn)集合為P={pi|i=1,2,…,n},n為點(diǎn)的數(shù)量,則圖像點(diǎn)的中心為

中心點(diǎn)獲取完成后,求圖像特征點(diǎn)協(xié)方差矩陣,為簡化數(shù)據(jù)計(jì)算量,在此僅獲取3×3協(xié)方差矩陣,即

由于協(xié)方差矩陣為對稱實(shí)矩陣,因此可以得出協(xié)方差矩陣的非負(fù)特征值和相應(yīng)的特征向量為

Cpei=λiei,i∈{0,1,2}

綜上所述,根據(jù)植株圖像,獲取到植株特征參數(shù)輪廓如圖7所示。

圖7 植株圖像特征參數(shù)輪廓Fig.7 Plant image feature parameter contour

4 結(jié)論

以圖像處理與識別算法為基礎(chǔ),建立設(shè)施園藝管理系統(tǒng)的感知層,獲取到作物植株的特征參數(shù),可精準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)設(shè)施園藝管理的精準(zhǔn)化管控,為精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的推廣奠定理論基礎(chǔ)。