專利名稱:一種土壤地表秸稈覆蓋率人工輔助識別系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種土壤地表秸稈覆蓋率人工輔助識別系統(tǒng)，主要包括用于拍攝土壤地表秸稈圖像的數(shù)碼相機，用于粗調(diào)數(shù)碼相機水平的三腳架和云臺，用于精調(diào)數(shù)碼相機水平的三向水平儀，用于實時獲取數(shù)碼相機位置信息的GPS定位模塊，用于基于GPS定位模塊反饋的數(shù)碼相機位置信息和數(shù)碼相機反饋的圖像信息進行處理的筆記本電腦；數(shù)碼相機和GPS定位模塊分別安裝在云臺上，GPS定位模塊與數(shù)碼相機連接；三向水平儀與數(shù)碼相機連接；云臺與三腳架連接。本實用新型所述土壤地表秸稈覆蓋率人工輔助識別系統(tǒng)，可以克服現(xiàn)有技術(shù)中勞動量大、數(shù)據(jù)處理量大、成本高、自動化程度低等缺陷，以實現(xiàn)勞動量小、數(shù)據(jù)處理量小、成本低和自動化程度高的優(yōu)點。
【專利說明】一種土壤地表秸稈覆蓋率人工輔助識別系統(tǒng)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實用新型涉及圖像處理【技術(shù)領(lǐng)域】，具體地，涉及一種土壤地表秸桿覆蓋率人工輔助識別系統(tǒng)。

【背景技術(shù)】
[0002]隨著我國生態(tài)環(huán)境的持續(xù)惡化，國家越來越重視可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略。在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，秸桿焚燒是導致空氣污染的重要因素，現(xiàn)各地已明令禁止焚燒秸桿，要求秸桿還田，通過粉碎、掩埋，達到既不污染環(huán)境，又可改善土壤結(jié)構(gòu)和提高土壤肥力的目的。獲取土壤地表秸桿覆蓋率，對于評估土壤肥力恢復、實施變量施肥，具有重要的意義。傳統(tǒng)的“拉網(wǎng)數(shù)格法”獲取土壤地表秸桿覆蓋率，已不能滿足現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的要求，數(shù)字圖像處理技術(shù)的引入，有效提高了秸桿覆蓋率獲取效率。目前，數(shù)字圖像處理方法尚不能自動提取秸桿覆蓋率，而通過人工干預，在像素級別提取秸桿覆蓋率又異常繁瑣，且計算處理復雜，難以應用推廣。
[0003]針對土壤與秸桿光譜特征差異顯著的特點，可以采用圖像光譜的方法進行處理，如二分法、基本運算等。采用像素級別的地物判別方法，通過空間位置以及光譜位置信息，結(jié)合訓練區(qū)樣本的對比信息，可以得到秸桿覆蓋率，但是該算法復雜、工作量大，不適于非專業(yè)人員使用。現(xiàn)實中，常出現(xiàn)土壤與秸桿的光譜特征空間重疊十分嚴重的情況。此時，如果使用多光譜傳感器將導致成本過高，使用普通相機獲取圖像光譜的效果又不理想。因此，需要考慮利用圖像的其他特征，比如圖像紋理。
[0004]在實現(xiàn)本實用新型的過程中，發(fā)明人發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有技術(shù)中至少存在勞動量大、數(shù)據(jù)處理量大、成本高、自動化程度低等缺陷。
實用新型內(nèi)容
[0005]本實用新型的目的在于，針對上述問題，提出一種土壤地表秸桿覆蓋率人工輔助識別系統(tǒng)，以實現(xiàn)勞動量小、數(shù)據(jù)處理量小、成本低、自動化程度高的優(yōu)點。
[0006]為實現(xiàn)上述目的，本實用新型采用的技術(shù)方案是:一種土壤地表秸桿覆蓋率人工輔助識別系統(tǒng)，主要包括用于拍攝土壤地表秸桿圖像的數(shù)碼相機，用于粗調(diào)所述數(shù)碼相機水平的三腳架和云臺，用于精調(diào)所述數(shù)碼相機水平的三向水平儀，用于實時獲取所述數(shù)碼相機位置信息的GPS定位模塊，以及用于基于所述GPS定位模塊反饋的數(shù)碼相機的位置信息和數(shù)碼相機反饋的圖像信息進行處理的筆記本電腦；
[0007]所述數(shù)碼相機和GPS定位模塊分別安裝在云臺上，所述GPS定位模塊與數(shù)碼相機連接，所述三向水平儀與數(shù)碼相機連接。
[0008]以上所述的土壤地表秸桿覆蓋率人工輔助識別系統(tǒng)，還包括用于調(diào)節(jié)數(shù)碼相機水平的云臺；所述云臺安裝在三腳架上。
[0009]進一步地，所述筆記本電腦基于GPS定位模塊反饋的數(shù)碼相機的位置信息和數(shù)碼相機反饋的圖像信息進行處理的操作，具體包括:
[0010]模擬“拉網(wǎng)數(shù)格法”，通過將數(shù)字圖像分割成n*m個區(qū)域，即完成劃分n*m個格子的“拉網(wǎng)”工作；人工參與標識土壤格子，計算機輔助檢測標識格子鄰近的與其同類的其他格子并記錄，從記錄的格子開始重復檢測，直到?jīng)]有新的記錄為止，人工去除誤判的格子，即完成“數(shù)格”工作；
[0011]基于上述“數(shù)格”工作，結(jié)合空間特征變量和自定義特征變量，提取土壤圖像特征，計算土壤覆蓋率，進而反算秸桿覆蓋率。
[0012]進一步地，所述模擬“拉網(wǎng)數(shù)格法”，通過將數(shù)字圖像分割成n*m個區(qū)域，即完成劃分n*m個格子的“拉網(wǎng)”工作的操作，具體包括:
[0013]將原始圖像三個波段灰度化，并將灰度值劃分為5級，選取相鄰像素的變化進行計算得到灰度共生矩陣。
[0014]進一步地，所述結(jié)合空間特征變量和自定義特征變量的操作，具體包括:
[0015]對產(chǎn)生的灰度圖像進行邊緣提取，統(tǒng)計邊界中單像素點、雙像素點以及三像素點占邊緣圖像的比例，即點特征變量。
[0016]進一步地，所述提取土壤圖像特征的操作，具體包括:
[0017]把產(chǎn)生的灰度圖像劃分成若干條線，每條線上相鄰點的灰度值近似，統(tǒng)計不同長度線條的數(shù)量，通過統(tǒng)計短線條所占比例，即可描述土壤圖像。
[0018]本實用新型各實施例的土壤地表秸桿覆蓋率人工輔助識別系統(tǒng)，由于主要包括用于拍攝土壤地表秸桿圖像的數(shù)碼相機，用于粗調(diào)數(shù)碼相機水平的三腳架和云臺，用于精調(diào)數(shù)碼相機水平的三向水平儀，用于實時獲取數(shù)碼相機位置信息的GPS定位模塊，用于基于GPS定位模塊反饋的數(shù)碼相機位置信息和數(shù)碼相機反饋的圖像信息進行處理的筆記本電腦；數(shù)碼相機和GPS定位模塊分別安裝在云臺上，GPS定位模塊與數(shù)碼相機連接，三向水平儀與數(shù)碼相機連接；可以采用現(xiàn)有設備和裝置進行整合；從而可以克服現(xiàn)有技術(shù)中勞動量大、數(shù)據(jù)處理量大、成本高、自動化程度低的缺陷，以實現(xiàn)勞動量小、數(shù)據(jù)處理量小、成本低、自動化程度高的優(yōu)點。
[0019]本實用新型的其它特征和優(yōu)點將在隨后的說明書中闡述，并且，部分地從說明書中變得顯而易見，或者通過實施本實用新型而了解。
[0020]下面通過附圖和實施例，對本實用新型的技術(shù)方案做進一步的詳細描述。

【附圖說明】

[0021]附圖用來提供對本實用新型的進一步理解，并且構(gòu)成說明書的一部分，與本實用新型的實施例一起用于解釋本實用新型，并不構(gòu)成對本實用新型的限制。在附圖中:
[0022]圖1為本實用新型土壤地表秸桿覆蓋率人工輔助識別系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0023]圖2為本實用新型土壤地表秸桿覆蓋率人工輔助識別系統(tǒng)的工作原理示意圖；
[0024]圖3為本實用新型土壤地表秸桿覆蓋率人工輔助識別系統(tǒng)的獲取的地表秸桿原圖；
[0025]圖4為本實用新型土壤地表秸桿覆蓋率人工輔助識別系統(tǒng)僅計算灰度共生矩陣空間特征變量的結(jié)果圖；
[0026]圖5為本實用新型土壤地表秸桿覆蓋率人工輔助識別系統(tǒng)僅計算點特征變量的結(jié)果圖；
[0027]圖6為本實用新型土壤地表秸桿覆蓋率人工輔助識別系統(tǒng)僅計算線特征變量的結(jié)果圖。
[0028]結(jié)合附圖，本實用新型實施例中附圖標記如下:
[0029]1-筆記本電腦；2_三向水平儀；3_數(shù)碼相機；4_三腳架；5_GPS定位模塊；6_云臺ο

【具體實施方式】
[0030]以下結(jié)合附圖對本實用新型的優(yōu)選實施例進行說明，應當理解，此處所描述的優(yōu)選實施例僅用于說明和解釋本實用新型，并不用于限定本實用新型。
[0031]根據(jù)本實用新型實施例，如圖1至圖6所示，提供了一種土壤地表秸桿覆蓋率人工輔助識別系統(tǒng)。
[0032]本實施例的土壤地表秸桿覆蓋率人工輔助識別系統(tǒng)，主要包括用于拍攝土壤地表秸桿圖像的數(shù)碼相機(如數(shù)碼相機3)，用于粗調(diào)數(shù)碼相機水平的三腳架(如三腳架4)和云臺(如云臺6)，用于精調(diào)數(shù)碼相機水平的三向水平儀(如三向水平儀2)，用于實時獲取數(shù)碼相機位置信息的GPS定位模塊(如GPS定位模塊5)，以及用于基于GPS定位模塊反饋的數(shù)碼相機的位置信息和數(shù)碼相機反饋的圖像信息進行處理的筆記本電腦(如筆記本電腦I);數(shù)碼相機和GPS定位模塊分別安裝在云臺上，GPS定位模塊與數(shù)碼相機連接，三向水平儀與數(shù)碼相機連接；所述云臺安裝在三腳架上。
[0033]其中，上述筆記本電腦基于GPS定位模塊反饋的數(shù)碼相機的位置信息和數(shù)碼相機反饋的圖像信息進行處理的操作，具體包括:
[0034]模擬“拉網(wǎng)數(shù)格法”，通過將數(shù)字圖像分割成n*m個區(qū)域，即完成劃分n*m個格子的“拉網(wǎng)”工作；人工參與標識土壤格子，計算機輔助檢測標識格子鄰近的與其同類的其他格子并記錄，從記錄的格子開始重復檢測，直到?jīng)]有新的記錄為止，人工去除誤判的格子，即完成“數(shù)格”工作；
[0035]基于上述“數(shù)格”工作，結(jié)合空間特征變量和自定義特征變量，提取土壤圖像特征，計算土壤覆蓋率，進而反算秸桿覆蓋率。
[0036]上述模擬“拉網(wǎng)數(shù)格法”，通過將數(shù)字圖像分割成n*m個區(qū)域，即完成劃分n*m個格子的“拉網(wǎng)”工作的操作，具體包括:將原始圖像三個波段灰度化，并將灰度值劃分為5級，選取相鄰像素的變化進行計算得到灰度共生矩陣。結(jié)合空間特征變量和自定義特征變量的操作，具體包括:對產(chǎn)生的灰度圖像進行邊緣提取，統(tǒng)計邊界中單像素點、雙像素點以及三像素點占邊緣圖像的比例，即點特征變量。提取土壤圖像特征的操作，具體包括:把產(chǎn)生的灰度圖像劃分成若干條線，每條線上相鄰點的灰度值近似，統(tǒng)計不同長度線條的數(shù)量，通過統(tǒng)計短線條所占比例，即可描述土壤圖像。
[0037]上述實施例的土壤地表秸桿覆蓋率人工輔助識別系統(tǒng)，采用現(xiàn)有設備和裝置進行整合，設計土壤地表秸桿覆蓋率自動檢測系統(tǒng)，包括硬件系統(tǒng)。
[0038]在上述實施例中，硬件系統(tǒng)包括筆記本電腦、數(shù)碼相機、GPS定位模塊、數(shù)據(jù)連接線、三腳架、云臺、三向水平儀，如圖1所示。GPS定位模塊與數(shù)碼相機連接，實時獲取數(shù)碼相機的位置信息。拍攝過程中，三腳架和云臺粗調(diào)水平，再根據(jù)數(shù)碼相機上粘合的三向水平儀精調(diào)，使數(shù)碼相機完全垂直于地面進行拍攝。利用筆記本電腦對數(shù)碼相機進行控制，從而排除手觸操作對數(shù)碼相機產(chǎn)生的不穩(wěn)定因素，數(shù)碼相機拍攝后的照片直接存儲在電腦上，利用電腦可直接進行處理。
[0039]在上述實施例中，電腦處理方面，具體包括:模擬“拉網(wǎng)數(shù)格法”;通過將數(shù)字圖像分割成n*m個區(qū)域，即完成劃分n*m個格子的“拉網(wǎng)”工作；人工參與標識土壤格子，計算機輔助檢測標識格子鄰近的與其同類的其他格子并記錄，從記錄的格子開始重復檢測，直到?jīng)]有新的記錄為止，人工去除誤判的格子，即完成“數(shù)格”工作。從而計算土壤覆蓋率，進而反算秸桿覆蓋率。該土壤地表秸桿覆蓋率人工輔助識別系統(tǒng)的創(chuàng)新點在于土壤圖像特征提取，主要是空間特征變量和自定義特征變量的結(jié)合。
[0040]上述實施例的土壤地表秸桿覆蓋率人工輔助識別系統(tǒng)，可以將原始圖像三個波段灰度化，并將灰度值劃分為5級，選取相鄰像素的變化進行計算得到灰度共生矩陣。僅通過一個訓練區(qū)，以圖3為例，可以得到結(jié)果圖4?？梢詫Ξa(chǎn)生的灰度圖像進行邊緣提取，統(tǒng)計邊界中單像素點、雙像素點以及三像素點占邊緣圖像的比例，即點特征變量。僅通過一個訓練區(qū)，以圖3為例，可以得到結(jié)果圖5?？梢园旬a(chǎn)生的灰度圖像劃分成若干條線，每條線上相鄰點的灰度值近似，統(tǒng)計不同長度線條的數(shù)量，通過統(tǒng)計短線條所占比例，即可描述土壤圖像。僅通過一個訓練區(qū)，以圖3為例，可以得到結(jié)果圖6。該土壤地表秸桿覆蓋率人工輔助識別系統(tǒng)，綜合這三種方法，進行人工輔助訓練樣區(qū)的臨近搜索，可以準確加速完成“數(shù)格”工作。
[0041]上述實施例的土壤地表秸桿覆蓋率人工輔助識別系統(tǒng)，整合了一套可行的系統(tǒng)，即利用CDD數(shù)碼照相機在田間采樣，然后通過圖像處理提取每張相片的秸桿覆蓋率，最后插值出整個區(qū)域的秸桿覆蓋率分布圖。該土壤地表秸桿覆蓋率人工輔助識別系統(tǒng)，設計了基于CDD數(shù)碼照相機拍攝的土壤秸桿圖像的秸桿覆蓋率計算方法，主要思路如下所述。以CDD數(shù)碼照相機拍攝的土壤秸桿圖像為對象，按照傳統(tǒng)“人工格網(wǎng)法”的思想，將圖像分割成n*m個矩形區(qū)域，并制定了矩形內(nèi)檢測土壤相關(guān)性的標準，選擇識別土壤而非秸桿是因為土壤的特性更為單一、更易提取。該土壤地表秸桿覆蓋率人工輔助識別系統(tǒng)，制定的檢測標準，綜合了土壤光譜特征變量、土壤紋理的空間特征變和其他特征變量(自定義的特征值，點特征變量和線特征變量)。通過人工交互選取土壤矩形的訓練區(qū)，模型根據(jù)標準計算其他矩形的土壤相關(guān)性，從而得到土壤的分布，最后逆向反求秸桿的分布，獲得土壤背景下秸桿的覆蓋率。
[0042]綜上所述，本實用新型上述各實施例的土壤地表秸桿覆蓋率人工輔助識別系統(tǒng)，可以達到的效果主要體現(xiàn)在:
[0043](I)整合了一套適用于田間的土壤地表秸桿覆蓋率硬件采集裝置，包括筆記本電腦、數(shù)碼相機、GPS定位模塊、數(shù)據(jù)連接線、三腳架、云臺、三向水平儀；通過筆記本電腦控制數(shù)碼相機進行地表秸桿圖像采集，并進行實時結(jié)果分析；
[0044](2)設計并實現(xiàn)了土壤地表秸桿覆蓋率人工輔助算法，包括人工交互界面和圖像自動匹配計算方法，從而獲得精度可控的計算結(jié)果；
[0045](3)提取土壤覆蓋率，從而反算土壤地表秸桿覆蓋率，提出了針對土壤覆蓋率檢測的點和線特征變量，二者具有較好的針對性，且具有很好的借鑒作用和推廣意義。
[0046]最后應說明的是:以上所述僅為本實用新型的優(yōu)選實施例而已，并不用于限制本實用新型，盡管參照前述實施例對本實用新型進行了詳細的說明，對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，其依然可以對前述各實施例所記載的技術(shù)方案進行修改，或者對其中部分技術(shù)特征進行等同替換。凡在本實用新型的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本實用新型的保護范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種土壤地表秸桿覆蓋率人工輔助識別系統(tǒng)，其特征在于，主要包括用于拍攝土壤地表秸桿圖像的數(shù)碼相機，用于粗調(diào)所述數(shù)碼相機水平的三腳架和云臺，用于精調(diào)所述數(shù)碼相機水平的三向水平儀，用于實時獲取所述數(shù)碼相機位置信息的GPS定位模塊，以及用于基于所述GPS定位模塊反饋的數(shù)碼相機位置信息和數(shù)碼相機反饋的圖像信息進行處理的筆記本電腦；所述數(shù)碼相機和GPS定位模塊分別安裝在云臺上，所述GPS定位模塊與數(shù)碼相機連接，所述三向水平儀與數(shù)碼相機連接；所述云臺與三腳架連接。
【文檔編號】G06T7-00GK204270319SQ201420628705
【發(fā)明者】吳才聰, 蔡亞平, 蘇懷洪 [申請人]中國農(nóng)業(yè)大學