专利名称：叶面积指数测量系统、设备、方法和程序的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于测量叶面积指数的叶面积指数测量系统、叶面积指数测量设备、叶面积指数测量方法和叶面积指数测量程序。
背景技术：
叶面积指数(下文表示为“LAI ” )表示例如耕地或森林中植物种群的每单位面积内沿一个方向(例如，垂直方向)交叠的叶片的总面积。LAI用作了解植物生长或耕种状态的一种指数。作为LAI测量方法，提出了一种使用照度计间接测量LAI的方法作为示例。在该方法中，例如，测量植物种群中上方和下方的照度，并且基于测量的照度来估计LAI。作为与上述相关的技术，例如，在专利文献(PTL) I中描述了 LAI间接测量方法。在PTLl中描述的方法中，间接测量系统使用广角镜头和电子成像元件捕获针对近红外光和红光中的每一种的预定面积的图像。接着，间接测量系统获得通过划分预定面积而形成的每个细分面积中针对近红外光和红光中的每一种的亮度值。然后，间接测量系统计算每个细分面积的近红外光和红光的亮度值比，基于亮度值比来估计太阳辐射的相对量，并且根据太阳辐射的相对量计算LAI。现有技术文献专利文献PTLl:日本专利申请特开 N0.2007-171033。·
发明内容
技术问题然而，在使用照度计间接测量LAI的情况下，需要昂贵的照度计，并且还需要在移动照度计的同时多次执行测量，以便确定种群结构中多个位置中的每一位置的LAI。因此，需要大量劳动和成本。PTLl中描述的方法通过在间接测量系统中使用电子成像元件来代替照度计，实现了一定程度的成本减小。然而，由于使用日光，因此不能自由地控制来自光源的光的辐射方向，限制了测量太阳辐射的相对量的方向。因此，PTLl中描述的方法限制了能够测量LAI的位置或方向。鉴于上述，本发明的目的在于提供叶面积指数测量系统、叶面积指数测量设备、叶面积指数测量方法和叶面积指数测量程序，能够以低成本容易地自动测量叶面积指数，而不限制测量位置或方向。解决问题的手段根据本发明的叶面积指数测量系统包括:成像装置，用于捕获测量目标植物的图像，并且输出捕获到的图像；光源，置于测量目标植物与成像装置相对的一侧上，或者置于测量目标植物的位置处；强度计算装置，基于从成像装置输出的捕获到的图像来计算光源发光时的光强度；以及叶面积指数计算装置，基于强度计算装置计算的光强度计算叶面积指数。根据本发明的叶面积指数测量设备是一种叶面积指数测量系统中用于测量叶面积指数的叶面积指数测量设备，叶面积指数测量系统包括:成像装置，用于捕获测量目标植物的图像，并且输出捕获到的图像；光源，置于测量目标植物的与成像装置相对的一侧上，或者置于测量目标植物的位置处，叶面积指数测量设备包括:强度计算装置，基于从成像装置输出的捕获到的图像计算光源发光时的光强度；以及叶面积指数计算装置，基于强度计算装置计算的光强度计算叶面积指数。根据本发明的叶面积指数测量方法包括:提供成像装置，所述成像装置用于捕获测量目标植物的图像，并且输出捕获到的图像；提供光源，光源置于测量目标植物的与成像装置相对的一侧上，或者置于测量目标植物的位置处；基于从成像装置输出的捕获到的图像计算光源发光时的光强度；并且基于计算的光强度计算叶面积指数。根据本发明的叶面积指数测量程序是叶面积指数测量系统中用于测量叶面积指数的叶面积指数测量程序，叶面积指数测量系统包括:成像装置，用于捕获测量目标植物的图像，并且输出捕获到的图像；光源，置于测量目标植物的与成像装置相对的一侧上，或者置于测量目标植物的位置处，叶面积指数测量程序使计算机执行:强度计算过程，基于从成像装置输出的捕获到的图像计算光源发光时的光强度；以及叶面积指数计算过程，基于计算的光强度计算叶面积指数。本发明的有利效果根据本发明，能够以低成本容易地自动测量叶面积指数，而不限制测量位置或方向。
图1是从植物 种群正面看根据本发明使用LAI测量系统的测量系统的正视图。图2是示出了 LAI测量系统的结构示例的框图。图3是示出了使用LAI测量系统测量LAI的操作示例的流程图。图4是示出了 LAI测量系统的最小结构的示例的框图。图5是示出了将EV值变换为LAI的表的示例的示例图。
具体实施例方式以下参照附图描述本发明的实施例。图1是从植物种群正面看根据本发明的使用LAI测量系统(叶面积指数测量系统)的测量系统的正视图。在该示例实施例中，假定植物种群30是按行布置农作物的植物的植物群，如图1所示。尽管图1示出了沿着植物种群30的截面看的截面图，植物种群30是沿着深度方向(如图1中所见，从植物种群30的正面到背面的方向，下文中也被称作“纵方向”)按行布置植物的植物群。如图1所示，在本示例实施例中，也使用诸如“垂直方向”和“水平方向”等表述。“垂直方向”表示与地面垂直的方向，“水平方向”表示与地面水平的方向，如图1所示。尽管本示例实施例作为示例描述了将LAI测量系统应用于对耕地(例如田地或塑料温室)中农作物(例如，西红柿、黄瓜)植物种群的LAI的测量，但是本发明不限于本示例实施例中的示例。LAI测量系统例如可以应用于对森林中树丛的LAI的测量。如图1中所示，在本示例实施例中，在植物种群30中布置多个光源10，并且在植物种群30之上放置用于捕获植物种群30的图像的摄像机20。具体地，光源10分别由能够产生预定波长的光的灯或LED来实现。尽管在图1中示出的示例中，布置了 8个光源10(如图1所示，每个植物种群30沿垂直方向布置四个光源10)，但是能够布置的光源10的个数不限于本示例实施例中的示例。例如，可以布置十个或更多个光源10 (可以每植物种群30沿垂直方向布置五个或更多个光源10)。摄像机20具体由能够捕获单色图像或彩色图像的成像设备(例如，数字摄像机)来实现。摄像机20不限于捕获静止图像的摄像机，并且例如可以由能够捕获运动图像的视频摄像机来实现，只要其能够捕获彩色图像。如图1所示，摄像机20具有以下功能:能够捕获沿植物种群30的方向的图像并且向下述LAI测量设备40 (图1中未示出)输出捕获到的图像。在本示例实施例中，将摄像机20放置在植物种群30的上方，以测量沿垂直方向的LAI，如图1所示，在沿垂直方向看时识别植物种群30中叶片的交叠状态。尽管图1中示出了放置一个摄像机20的示例，但是放置的摄像机20的个数不限于本示例实施例中 的示例。例如，可以放置两个或更多个摄像机20。即，放置至少一个摄像机20，以能够捕获沿植物种群30的方向的图像。在本示例实施例中，摄像机可以实质上直接置于植物种群30的上方，以便测量沿垂直方向的LAI,如图1所示。然而,摄像机20的位置不限于本示例实施例中的示例。摄像机20可以沿对角线置于植物种群30之上，只要摄像机20在使得能够测量沿垂直方向的LAI的位置处。在按照上述方式放置摄像机20的情况下，每个光源10可以不置于植物种群30中，而是置于在植物种群30的与摄像机20相对一侧上的位置处，并且与植物种群30略微偏移(即，置于其中植物种群30夹在每个光源10和摄像机20之间的位置关系中)。放置被实现为，使得确保每个光源10和摄像机20之间的高度差，从而实现对垂直方向上的LAI的测量。尽管图1中示出了在植物种群30的一个位置中沿垂直方向布置四个光源10来执行测量的情况，但是可以沿着植物种群30的纵方向以预定间隔(例如，50cm间隔)同样放置沿着垂直方向的四个光源10的阵列(即当从纵向侧面看时以网格布置反射器)来执行测量。这实现了 LAI测量系统，以同样测量沿着植物种群30的纵方向的LAI分布。此外，摄像机20可以放置为捕获沿水平方向的植物种群30的图像，以便不测量沿垂直方向的LAI，而是测量沿水平方向的LAI。在这种情况下，取代将多个光源10放置在植物种群30中，可以将光源10放置在植物种群30的一侧上，其中摄像机20置于植物种群30与光源10相对的一侧上，因此被夹在植物种群30中间。图2是示出了 LAI测量系统的结构示例的框图。如图2所示，除了图1所示捕获光源10的图像的摄像机20以外，LAI测量系统还包括LAI测量设备40。如图2所示，从摄像机20向LAI测量设备40输出捕获到的图像。LAI测量设备40具体由根据程序操作的信息处理设备(例如，个人计算机)来实现。如图2所示，LAI测量设备40包括图像分析装置41、数据库42、LAI计算装置43和LAI输出装置44。图像分析装置41具体由根据程序操作的信息处理设备的CPU来实现。图像分析装置41具有计算从摄像机20接收到的捕获图像的亮度值的功能。这里，图像分析装置41可以计算从摄像机20接收到的整个捕获图像的亮度值，或者从接收自摄像机20的整个捕获图像中提取部分图像，并且计算提取的部分图像的亮度值。例如，图像分析装置41在捕获到的图像中指定其中示出了发光的光源10的一部分，并且计算提取的部分图像的亮度值。在本示例实施例中，使光源10按顺序发光，并且图像分析装置41计算从植物种群30中泄露的光强度(例如，亮度或照度)。图像分析装置41还具有将计算的亮度值变换为照度的功能。在本示例实施例中，图像分析装置41通过从下述数据库42中存储的照度变换表中提取与图像分析装置41计算的亮度值相对应的照度来计算照度。数据库42具体由诸如磁盘设备或光盘设备等存储设备来实现。在本示例实施例中，数据库42存储用于将亮度值变换为照度的照度变换表。具体地，数据库42中存储的照度变换表包括彼此相关联的亮度值和照度。例如，在作为样本的若干条件下，通过设置通常使用的照度计而测量的照度以及从捕获到的图像获得的亮度值来预先创建数据库42中存储的照度变换表。数据库42还存储用于将照度变换为LAI的LAI变换表。具体地，数据库42中存储的LAI变换表包括彼此相关联的照度和LAI。例如，在作为样本的若干条件下，通过设置通常使用的照度计而测量的照度以及同时计算的LAI来预先创建数据库42中存储的LAI
变换表。LAI计算装置43具体由根据程序操作的信息处理设备的CPU来实现。LAI计算装置43具有基于图像分析 装置41计算的照度来计算LAI。具体地，LAI计算装置43通过从数据库42中存储的LAI变换表中提取与图像分析装置41计算的照度差值相对应的LAI来计算LAI。计算叶面积指数的方法不限于上述方法。作为示例，采用以下方法来计算叶面积指数。例如，使一个或更多个光源发光，并且自动设置光圈值和快门速度的图像传感器(例如，摄像机20)捕获图像。然后，LAI计算装置43使用预先创建的表，根据使用设置的光圈至和快门速度而确定的曝光值(EV值)，来计算叶面积指数。以下描述计算EV值的方法示例。根据以下方程使用Av值和Tv值的和Av+Tv来确定EV值，Av值和Tv值是根据光圈值N和快门速度t分别计算的。AV = 1g2N2 = 21og2N 方程(I)TV = log2l/t = -log2t 方程(2)以下描述创建用于将EV值变换为LAI的表的方法示例。首先，收集本申请方法所测量的EV值和相同状态下使用传统方法测量和计算的LAI的大量成对值。接着使用收集的EV值和LAI，通过计算每个特定EV值区间(A⑴至A(i+1)，其中i = 1，...，N)的LAI均值(L(i)，其中i = 1，...，N))来创建表，如图5中的表所示。这里，向A(I)至A(N+1)和L(I)至L(N)分配实际数字。LAI输出装置44具体由根据程序操作的信息处理设备的CPU和诸如显示器等显示设备来实现。LAI输出装置44具有输出LAI计算装置43计算的LAI的功能。例如，LAI输出装置44在诸如显示器等显示设备上显示LAI计算装置43计算的LAI。输出LAI的方法不限于本示例实施例中示出的方法。作为示例，LAI输出装置44可以输出包括LAI计算装置43计算的LAI在内的文件。作为另一示例，LAI输出装置44可以经由诸如LAN的网络向另一终端发送由LAI计算装置43计算的LAI。在本示例实施例中，LAI测量设备40的存储设备存储用于测量LAI的各种程序。例如，LAI测量设备40的存储设备存储用于使计算机执行以下过程的LAI (叶面积指数)测量程序:基于从成像装置输出的捕获图像，计算光源10发光时的光强度；以及基于计算的光强度计算叶面积指数。
以下描述了 LAI测量系统的操作。图3是示出了使用LAI测量系统测量LAI的操作示例的流程图。在本示例实施例中，在如图1所示在植物种群30中布置多个光源10的状态下开始测量，并且在使光源10按顺序发光的同时重复执行测量。在本示例实施例中，作为示例，在使位于沿着垂直方向布置四个光源10的顶部处的光源10首先发光并然后使下方光源10逐一发光时,执行测量。注意,使光源10发光的顺序不限于本不例实施例中的示例。例如，可以按照增加高度的顺序使光源10发光。此外，在本示例实施例中，可以在夜间环境或日光进不来的环境中执行测量。例如，在斜上方放置摄像机20使得甚至在使所有光源10同时发光时也能够在捕获到的图像中单独指定每个光源10的位置的情况下，可以在使所有光源10同时发光的同时测量LAI。首先，使多个光源10中的任一个发光(步骤S10)。摄像机20在光源10发光的状态下捕获沿着植物种群30的方向的图像(步骤Sll)。LAI测量设备40从摄像机20接收捕获到的图像。接着，LAI测量设备40计算从摄像机20接收到的捕获图像的亮度值(步骤S12)。LAI测量设备40将计算的亮度值变换为照度。在本示例实施例中，LAI测量设备40从数据库42中存储的照度变换表中提取与计算的亮度值相对应的照度。然后，LAI测量设备40基于步骤S12中获得的照度，计算放置了发光的光源10的位置的LAI (步骤S13)。在本示例实施例中，LAI测量设备40通过从数据库42中存储的LAI变换表中提取与照度相对应的LAI来计算LAI。尽管本示例实施例描述了使用预先将照度和LAI彼此相关联的LAI表来计算LAI的示例，但是LAI计算方法不限于本示例实施例中的示例。例如，LAI测量设备40可以基于计算的亮度值来计算LAI，而无需将捕获到的图像的亮度值变换为照度。在这种情况下，例如，可以预先准备将亮度值与LAI彼此相关联的表，使得LAI测量设备40通过从该表中提取与计算的亮度值相对应的LAI来计算LAI。作为备选方案，例如，LAI测量设备40可以通过执行使用以下示出的方程(3)的操作来计算LAI。1/1。= e_KF 方程(3)在方程(3)中，I表示植物种群30中测量点处的光强度(具体为照度，但也可以是亮度值等)。Itl表示植物种群30中参考点(在本示例中，附着在顶部处的光源10的位置，可用作参考光强度，这是因为在光源10与摄像机20之间几乎不存阻挡光的任何事物(例如，叶片))处的光强度(具体为照度，但也可以是亮度值等)。K表示吸收系数，根据植物而变化，甚至对于相同的植物根据诸如天气和时间等外部因素而变化。F是积分叶面积指数。
在本示例实施例中，针对置于植物种群30中的每个光源10重复执行步骤Sll至S13的过程，并且LAI测量设备40计算每个光源10的位置处的LAI。在由于使所有光源10发光而完成LAI测量的情况下，LAI测量设备40在诸如显示器等显示设备上显示测量的LAI (步骤S14)。这里，LAI测量设备40可以显示在每个测量点处测量的LAI。除此之外，例如，在沿着深度方向(纵方向)以预定间隔布置光源组并且在按照网格布置的这种光源10上执行测量的情况下，LAI测量设备40可以显示示出了 LAI随着作为水平轴的深度方向而改变的图。因此，各种显示方法可以显示LAI测量值。此外，LAI测量设备40例如可以输出包括测量的LAI在内的文件，或者经由网络向另一终端发送LAI。如上所述,在本示例实施例中，LAI测量设备40基于来自摄像机20的捕获图像来测量LAI，而不使用昂贵的照度计。此外，LAI测量设备40通过使用日光作为光源但不使用光源10，来执行LAI测量。这使得LAI测量设备40能够以低成本容易地自动测量LAI (叶面积指数)，而不受限于测量位置或方向。在降低测量工作的劳动方面，可以建议沿着垂直方向或深度方向布置多个照度计来测量LAI的结构。然而，这样的结构需要使用许多昂贵的照度计，导致成本增加。在本示例实施例中，另一方面，LAI测量设备40能够通过处理摄像机20捕获到的图像简单地一次测量垂直方向或深度方向上的LAI，而不使用昂贵的照度计。因此，LAI测量设备40可以实现成本降低和LAI测量的工作量的降低。
如果照度计放置在户外，例如，耕地或森林，则照度计易于污损。这需要针对维护的工作量，并且增加了故障的可能性。在本示例实施例中，另一方面，LAI测量设备40能够仅通过布置许多光源10来容易地执行测量。这里，可以防止针对维护或故障的任何工作量。以下描述根据本发明的LAI (叶面积指数)测量系统的最小结构。图4是示出了LAI测量系统的最小结构的示例的框图。如图4所示,LAI测量系统包括光源10、摄像机20、图像分析装置41和LAI计算装置43。光源放置在测量目标植物种群中。摄像机20具有测量目标植物种群的图像并且示出捕获到的图像的功能。图像分析装置41基于从摄像机20输出的捕获图像，计算光源10发光时从植物种群泄露的光强度(例如，照度、亮度值)。LAI计算装置43具有基于图像分析装置41计算的光强度计算LAI (叶面积指数)的功能。具有图4中示出的最小结构的LAI测量系统能够以低成本容易地自动执行测量叶面积指数，而不受限于测量位置或方向。注意，上述示例实施例示出了如以下(I)至(5)中的LAI(叶面积指数)测量系统的特性结构。(I)叶面积指数测量系统包括:成像装置(例如，摄像机20)，并且用于捕获测量目标植物的图像，并且输出捕获到的图像；光源(例如，光源10)，置于测量目标植物的与成像装置相对的一侧上，或者测量目标植物的位置处；强度计算装置(例如，由图像分析装置41来实现)，基于从成像装置输出的捕获图像计算光源发光时的光强度(例如，照度、亮度值)；以及叶面积指数计算装置(例如，由LAI计算装置43来实现)，基于强度计算装置计算的光强度计算叶面积指数。
(2)在叶面积指数测量系统中，强度计算装置可以计算光源发光时捕获到的图像的亮度值，作为光强度，其中叶面积指数计算装置基于强度计算装置计算的作为光强度的亮度值来计算叶面积指数。(3)在叶面积指数测量系统中，强度计算装置可以基于光源发光时捕获到的图像的亮度值来计算照度，其中叶面积指数计算装置基于强度计算装置计算的作为光强度的照度来计算叶面积指数。(4)叶面积指数测量系统可以包括:存储装置(例如，数据库42)，与光强度相关联地存储叶面积指数，其中，叶面积指数计算装置通过从存储装置中提取与强度计算装置计算的光强度相对应的叶面积指数来计算叶面积指数。(5)叶面积指数测量系统可以包括沿着垂直方向布置的多个光源，其中，使多个光源按照预定顺序单独发光，并且其中成像装置捕获每次多个光源中的任一个发光时测量目标植物的图像，并且输出捕获到的图像。尽管已经参照以上示例实施例和示例描述了本发明，但是本发明不限于以上示例实施例和示例。可以在本发明的范围内对本发明的结构和细节进行本领域技术人员可理解的各种改变。本申请要求基于2010年12月2日递交的日本专利申请N0.2010-269719的优先权,其全部公开内容通过引用合并于此。工业实用性本发明适用于对耕地或森林中植物种群的LAI (叶面积指数)的测量。附图标记列表 10 光源20摄像机30植物种群40 LAI测量设备41图像分析装置42数据库43 LAI计算装置44 LAI输出装置
权利要求
1.一种叶面积指数测量系统，所述叶面积指数测量系统包括: 成像装置，所述成像装置用于捕获测量目标植物的图像，并且输出捕获到的图像； 光源，所述光源置于所述测量目标植物与所述成像装置相对的一侧上，或者置于所述测量目标植物的位置处； 强度计算装置，所述强度计算装置用于基于从所述成像装置输出的所述捕获到的图像，计算所述光源发光时的光强度；以及 叶面积指数计算装置，所述叶面积指数计算装置用于基于所述强度计算装置计算的所述光强度，计算叶面积指数。
2.根据权利要求1所述的叶面积指数测量系统，其中，所述强度计算装置计算所述光源发光时所述捕获到的图像的亮度值作为所述光强度，并且 其中，所述叶面积指数计算装置基于所述强度计算装置计算的作为所述光强度的所述亮度值，计算所述叶面积指数。
3.根据权利要求1所述的叶面积指数测量系统，其中，所述强度计算装置基于当所述光源发光时所述捕获到的图像的所述亮度值，计算照度作为所述光强度，并且 其中，所述叶面积指数计算装置基于所述强度计算装置计算的作为所述光强度的所述照度，计算所述叶面积指数。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的叶面积指数测量系统，包括: 存储装置，所述存储装置用于与所述光强度相关联地存储所述叶面积指数， 其中，所述叶面积指数计算 装置通过从所述存储装置中提取与所述强度计算装置计算的所述光强度相对应的所述叶面积指数，计算所述叶面积指数。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的叶面积指数测量系统，包括: 多个光源，所述多个光源沿着垂直方向布置， 其中，使所述多个光源分别按照预定顺序发光，并且 其中，所述成像装置在每次所述多个光源中的任一光源发光时捕获所述测量目标植物的所述图像，并且输出所述捕获到的图像。
6.一种叶面积指数测量系统中用于测量叶面积指数的叶面积指数测量设备，所述叶面积指数测量系统包括:成像装置，所述成像装置用于捕获测量目标植物的图像，并且输出捕获到的图像；光源，所述光源置于所述测量目标植物与所述成像装置相对的一侧上，或者置于所述测量目标植物的位置处，所述叶面积指数测量设备包括: 强度计算装置，所述强度计算装置用于基于从所述成像装置输出的所述捕获到的图像计算所述光源发光时的光强度；以及 叶面积指数计算装置，所述叶面积指数计算装置用于基于所述强度计算装置计算的所述光强度计算叶面积指数。
7.一种叶面积指数测量方法，所述叶面积指数测量方法包括: 设置成像装置，所述成像装置用于捕获测量目标植物的图像，并且输出捕获到的图像； 设置光源，所述光源置于所述测量目标植物与所述成像装置相对的一侧上，或者置于所述测量目标植物的位置处； 基于从所述成像装置输出的所述捕获到的图像，计算所述光源发光时的光强度；并且基于计算的所述光强度，计算叶面积指数。
8.一种叶面积指数测量系统中用于测量叶面积指数的叶面积指数测量程序，所述叶面积指数测量系统包括:成像装置，所述成像装置用于捕获测量目标植物的图像，并且输出捕获到的图像；以及光源，所述光源置于所述测量目标植物与所述成像装置相对的一侧上，或者置于所述测量目标植物的位置处，所述叶面积指数测量程序使计算机执行:强度计算过程，所述强度计算过程基于从所述成像装置输出的所述捕获到的图像，计算所述光源发光时的光强度；以及叶面积指数计算过程，所述叶面积指数计算过程基于计算的所述光强度，计算叶面 积指数。
全文摘要
一种叶面积指数测量系统包括成像装置，用于捕获测量目标植物的图像，并且输出捕获到的图像；光源，置于测量目标植物与成像装置相对的一侧上，或者置于测量目标植物的位置处；强度计算装置，基于从成像装置输出的捕获到的图像计算光源发光时的光强度；以及叶面积指数计算装置，基于强度计算装置计算的光强度来计算叶面积指数。
文档编号G01B11/28GK103238058SQ20118005795
公开日2013年8月7日 申请日期2011年12月2日 优先权日2010年12月2日
发明者芹泽昌宏 申请人:日本电气株式会社