基于立体视觉的植物冠层叶片角度分布监测技术研究

The morphological structure of plant canopies is close link with both its physiological function and yield. The morphological structure is also the result of plant populations adapting to environmental conditions, such as water, light and temperature. The leaf angle distribution in plan canopies is directly related to leaf water content and light interception, makes it an important indicator for reflecting crop physiological state, and a key parameter for descripting canopy morphological structure. As such in recent years the continuous online monitoring of leaf angle in plant canopies became a hot issue in agricultural information. The project selects binocular stereo vision technology as the quantitative acquirement method of leaf angle in plant canopies, against the problem of binocular stereo vision technology on crops growth monitoring is vulnerable to environment and crop itself. The major concern of this project is leaf image segmentation under Illumination invariant conditions, stereo matching and 3D Reconstruction of leaves under complex context, with the aim of establishing a quantitative model for measuring blade angle in plant canopies under natural field environment. The project wish to provide a fundamental approach and operative technology for evaluating high-yielding varieties, high-yield cultivation system.

植物冠层的形态结构与植物群体的生理功能和产量均存在直接的关系，体现了植物群体对肥水、光照和温度等调控措施或环境条件变化的响应。由于叶片的角度分布与叶片含水量和冠层光截获直接相关，是反应作物生理状态的重要指标，也是表述冠层形态结构的关键参数，因此植物冠层叶片角度的连续在线监测也是近年来国内外农业信息化领域的热点问题。本项目针对双目立体视觉技术在农作物生长监测上易受环境和作物本身影响等问题，以黄瓜为对象，重点研究自然光照条件下植物叶片图像分割方法，以及植物叶片的立体匹配与三维重建方法，并进而实现冠层叶片倾角和方位角的自动计算。从而为评价不同作物品种的冠层特征、对比不同生产管理措施对作物群体的影响等应用提供技术手段，促进农学、信息学、机电工程学之间的学科交叉和融合。

本项目针对作物育种、栽培管理措施优化、农业生产智能管控等应用中对植物表型的检测监测现实需求，围绕植物冠层器官分割和叶片角度的自动、准确、无损测量开展研究，提出并实现了融合颜色因子和GrabCut算法的植物图像分割算法、基于改进CenterNet模型的植物叶片快速识别和计数方法、基于多视角图像的作物群体三维点云重建和表型参数提取方法、基于深度学习的植物三维点云自动分割技术、基于深度学习目标识别模型的树上果实自动识别和计数技术算法，研制了两个植物图像自动采集装置，并开发了配套的软件系统，为植物冠层器官分割、计数以及叶面积、方位角、叶长和叶宽等表型参数的自动提取提供了核心算法和实用工具支撑。开展了植物冠层光能利用特性分析研究，定量研究了弱光对黄瓜干物质生产的影响，以及光照强度和CO2浓度对光合速率的影响，确定了冬季光合为表现最好的植物冠层结构。该项研究提供了一个解决温室冬季光照不足的办法，为探索光在温室的最佳利用提供了有益参考。. 项目执行期间，发表学术论文11篇，其中SCI期刊4篇，EI期刊3篇；申请国家发明专利2项，取得实用新型专利2项。培养了硕士研究生2名和本科生1名，另有4名硕士研究生在读；1人晋升教授职称，1人晋升副研究员。