速生阔叶树苗的缺水识别与三维可视化

In this study, an interface for discriminating water shortage of fast-growing hardwood seedlings is constructed. Several kinds of fast-growing hardwood seedlings are planted and water is controlled. To establish the samples library, CCD camera is utilized to take the normal growth and water shortage fast-growing hardwood seedlings leaves, and the depth camera is used to collect the corresponding leaves space measurement.An image segmentation method based on intuitionistic fuzzy set is first proposed to obtain the samples leaves, then anisotropic diffusion map manifold learning method is used for leaves features extraction, and then SVM (Support Vector Machine) is adopted to construct recognition classifier. According to the leaves space sizes, texture features, color characteristics and morphological characteristics of the corresponding leaves, 3D visualization reconstruction interface is constructed, which can discriminate the water deficiency of fast-growing hardwood seedlings on line.

本课题主要采用计算机视觉技术对育苗期的多种速生阔叶树缺水进行识别研究。人工培育多种速生阔叶树苗，人为控制供水量。采用CCD摄像机对培育期的正常与缺水速生阔叶树叶进行样本采集，并采用深度摄像机对相应叶片的空间尺寸进行测量，建立样本库；对采集的样本图片首先采用基于直觉模糊集叶图像分割法分割出叶片样本，然后采用各向异性核扩散流形学习降维方法进行特征提取，最后应用SVM（Support Vector Machine）算法建立多种速生阔叶树苗缺水识别分类器；根据叶片空间位置信息、纹理特征、颜色特征以及形态特征对相应的叶片进行三维可视化重构，构建多类阔叶树苗缺水判别可视化界面。

为了更直观地观察到速生阔叶树生长状态，对相应的速生阔叶苗进行三维可视化，构建多种速生阔叶树苗培育期缺水识别三维可视化的显示界面。该识别系统界面可应用于分时在线识别阔叶树苗缺水判别，也可以通过接口程序与自动灌水系统连接，构建实时监控自动灌水系统。本研究为科学管理、提高苗木质量提供科学指导。该课题主要研究内容有样本培育、叶片分割，特征提取，缺水识别，三维可视化界面开发以及自动灌溉模拟系统。2014年、2015年与2016年3月到6月培育多种阔叶苗。采用盆栽培育方式，培育苗在自然环境中生长。为了进行对比实验，除了培育速生阔叶苗，同时培育生长较慢的阔叶苗。主要培育了银杏苗、速生柳树苗、速生杨树苗以及速生桉树苗。当苗长到一定的时候，为了进行实验观察，将盆栽搬入具有光照且能遮挡雨水的温室或者阳光房，分批次进行缺水实验。在缺水三天开始每隔一天进行样本采集，缺水与正常均采集样本图片并建立样本库，到缺水一周左右就每天采集图片建立样本库。在人眼能观察到明显缺水时候，一部分苗开始灌水，一部分继续缺水，直至枯萎。已建立三批相应的正常样本库，随缺水时间的样本库。对树苗提出了基于PSO算法的叶片分割算法，并提出采用NURBS算法对分割出的叶片进行三维可视化重构，并用VC++与OpenGL图像库实现了杨树、白蜡树以及桉树等阔叶苗三维可视化正常与缺水可视化界面。已建立缺水识别分类器、阔叶苗缺水识别可视化界面以及阔叶苗缺水识别自动控制模拟系统，大量实验结果表明，该系统能有效地实现阔叶苗缺水状态判别与显示，并同时能实现自动灌溉。