基于列空间分割算法的玉米田株高估算


发布时间:

2025-04-22

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随着信息技术的进步,植物基因组学研究方面取得了进步,但表型测量技术却未能跟上,阻碍了植物育种。玉米是中国三大主要粮食作物之一,准确测量株高对评估作物的生长和产量至关重要。本研究解决了大田条件下玉米群体的植物分割和株高提取不准确的难题。基于无人机 (UAV) 捕获的多视角图像序列,采用运动恢复结构-多视角立体 (SFM-MVS) 方法重建三维密集点云。为了改进植物分割,提出了一种列空间近似分割算法,该算法将列空间方法与封闭盒技术相结合。所提出的方法在茂密冠层条件下实现了超过 90% 的分割准确率,明显优于传统算法,例如区域增长(80%)和欧几里得聚类(75%)。此外,提取的植物高度与人工测量值具有较高的相关性,R2 值范围为 0.8884 至 0.9989,RMSE 值低至 0.0148 m。然而,由于处理大规模数据集时的计算需求以及不同环境条件下潜在的性能变化,该方法对于更大规模农业作业的可扩展性可能面临挑战。通过算法优化、并行处理和集成多光谱或 LiDAR 数据等其他数据源解决这些问题可以增强其可扩展性和鲁棒性。结果表明,该方法可以准确反映玉米植株的高度,为大规模、基于田间的玉米表型分析提供了可靠的解决方案。该方法在作物表型的高通量监测和精准农业中具有潜在的应用。

 

图1  玉米试验田的鸟瞰图。(a)试验田 1:占地面积约 0.3 公顷,(b)试验田 2:占地面积约 0.2 公顷。图像是在玉米出苗后第 30 天使用基于无人机的多视角成像技术拍摄的。

 

 图2无人机规划图。

 

图3基于列空间分割的玉米单株高度估测流程图。

 

图4点云预处理。

 

 图5提取高度的流程图。

 

 图6算法分割效果。

 

图7不同实验单一栽培的聚类。

 

图8使用点云提取方法估计不同尺寸环绕箱的玉米植株高度的直方图。

 

 图9方向角直方图。

 

 图10  法向量点云图。

 

 图11  列空间算法示例图。

 

 图12  每次测试的估计株高数据的箱线图。

 

图13  使用点云提取方法对五组试验估计的玉米植株高度数据进行直方图。每组试验的高度(a–e)均来自多视图重建方法生成的处理后的点云数据。

 

图14  五组试验中手动测量的玉米植株高度数据的直方图。每组试验(a–e)的高度均通过手动测量获得,作为与点云估计的地面实况比较。

 

 图15  五个试验组的植物高度比较验证图。

 

 图16  复合试验组株高比较验证图。

 
来 源

Zhang, H.; Liu, N.; Xia, J.; Chen, L.; Chen, S. Plant Height Estimation in Corn Fields Based on Column Space Segmentation Algorithm. Agriculture 2025, 15, 236. 

 

编辑

王春颖

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