[发明专利]一种基于3D温度特征的作物水分胁迫检测方法

说明书

本发明属于作物水分胁迫检测领域，特别是涉及一种基于3D温度特征的作物水分胁迫检测方法。本发明利用热红外相机获取作物的温度图像和温度矩阵，利用双目可见光相机获取作物的左、右可见光图像，进行双目立体视觉匹配并计算出可见光双目三维点云；通过摄影测量的方法将热红外图像与双目可见光相机左摄像头拍摄的可见光图像进行精配准；然后将经过单应变换的热红外相机的温度信息与双目可见光相机的三维点云进行信息融合，生成作物的3D温度特征；并通过基于区域生长的Meanshift聚类分割算法分割出叶片；最后利用作物不同空间分布的叶片在时序上的温度变化差异确定作物水分胁迫指数检测的最优位置。

技术领域

本发明属于作物水分胁迫检测领域，特别是涉及一种基于3D温度特征的作物水分胁迫检测方法。

背景技术

气候变化和水资源短缺极大地威胁着全球粮食安全，并限制了作物生产，因此，需要对整个生长季节的水分状况进行有效监测，以便有效地最大限度地提高作物的产量和质量。植物对水分亏缺的直接反应是关闭叶片气孔，导致冠层温度升高。作物表面温度的检测对于及时评估水分胁迫具有重要意义。近年来，热红外相机广泛应用于作物的水分胁迫检测，尽管热图像包含作物和背景信息，但由于散射分布和微小的温差，识别作物和提取其表面温度很困难。因此，一些研究人员将热图像与其他图像(如颜色和光谱图像)相结合来识别作物冠层。然而，由于缺乏精确的图像配准方法，将热彩色成像系统应用于作物冠层温度提取的有效性受到了限制。并且，目前大多数研究都集中在作物二维温度特性的测量上，例如，中国发明专利申请“一种农田表面温度监测数据精量甄别方法及系统”(CN113748867A)只对作物冠层多点温度或整个冠层温度获取，没能从作物温度的空间分布差异性考虑，即对作物水分胁迫状态在何位置检测方面的研究很少；中国发明专利申请“基于冠层温度的作物水分胁迫诊断方法及系统”(CN110020793A)没能从作物在时序上的生理活动变化考虑，具体的对作物水分胁迫状态在何时检测方面的研究很少；此外，水分胁迫条件下作物的温度特性与冠层结构有关，获取作物的三维信息，这有助于将温度、叶片形状和作物冠层结构结合起来，作为综合分析的输入。

发明内容

针对以上技术问题，本发明的目的是提供一种基于3D温度特征的作物水分胁迫检测方法，利用摄影测量的技术将可见光图像与热红外图像精配准，利用作物不同空间分布的叶片在时序上的温度变化差异确定作物水分胁迫指数在何位置检测。

为了实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：

一种基于3D温度特征的作物水分胁迫检测方法，包括如下步骤：

S1、热红外相机、双目可见光相机立体标定；

热红外相机和双目可见光相机同时分别拍摄多张不同摆放位置的棋盘格图像，并将棋盘格图像分为双目可见光相机左、右摄像头标定组和双目可见光相机左摄像头与热红外相机标定组，标定获得热红外相机和双目可见光相机的标定参数；所述标定参数包括双目可见光相机左摄像头的内部参数矩阵、双目可见光相机右摄像头的内部参数矩阵、热红外相机的内部参数矩阵、双目可见光相机左摄像头与双目可见光相机右摄像头之间的外部参数、热红外相机与双目可见光相机左摄像头之间的外部参数、双目可见光相机左摄像头的畸变参数、双目可见光相机右摄像头的畸变参数以及热红外相机的畸变参数；其中，

S2、热红外图像和可见光图像的粗配准；

S2.1、通过热红外相机和双目可见光相机垂直于地面对作物进行图像采集，连续获取多组同一株作物一天中不同时间段的包含湿参考面的左、右可见光图像和热红外图像；

S2.2、对每组左、右可见光图像和热红外图像进行处理，根据步骤S1获得的标定参数分别对左、右可见光图像进行立体校正、消除畸变和行对准，获得校正后的左、右可见光图像；

S2.3、采用SURF算法分别检测各组校正后的左、右可见光图像的特征点；运用三角测量原理计算出左、右可见光图像之间相对应的特征点对的世界坐标，并通过公式1将特征点对的世界坐标反投影到热红外图像上；