一种基于数码图像技术获取灌木分枝长度的方法

摘要

本发明涉及一种基于数码图像技术获取灌木分枝长度的方法，该方法利用数码相机获取的数码图像、计算机图像处理以及分形特征方法，设计了可准确获取植物分形特征的装置，并给出了根据植物分形盒维数来获得植物分枝长度的方法，通过对图像分形特征的分析，快速、无损和准确的获取植物分枝长度，本发明所述方法为定量研究荒漠灌木地上部生长动态特征提供了一种新的思路，为促进野外准确和快速获取荒漠植物生长动态监测的发展和完善具有重要意义，克服了现有植物地上部器官生长连续测定方法中存在的缺点。

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于数码图像技术分析灌木分形特征获得植物 分枝长度的方法，该方法对于植物生长动态非破坏性调查具有重要的 实用价值。

背景技术

荒漠植被作为荒漠生态系统的重要组成部分，其生长发育过程对 荒漠生境的响应和适应，尤其是荒漠植物生长发育对水分条件的响应 和适应，对干旱区荒漠生态系统的生态恢复及植被演替的研究具有重 要意义。因此，研究荒漠植物的生长动态特征及其对生境条件改变的 响应是其急需解决的核心问题。目前，对荒漠植物的调查研究大多采 用破坏性采用，无法准确获取植物各类器官的连续生长动态特征，而 分形特征可以用来表征具有自相似特征物体在空间变化特征以及部 分定量特征。目前，分形特征已经广泛采用来表征植物地上部和根系 在空间的发育特征，利用植物的分形特征与植物生物学特征之间的相 关性，就可以较为容易获取荒漠植物生长的动态变化。

本发明以准确获取植物地上部分枝长度为目的，利用数码相机获 取的数码图像、计算机图像处理方法以及分形特征方法，设计了可准 确获取植物分形特征的装置，并给出了根据植物分形盒维数来获得植 物分枝长度的方法。本发明所述方法为定量研究荒漠灌木地上部生长 动态特征提供了一种新的思路和方法。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种基于数码图像技术获取灌木分枝长 度的方法，该方法利用数码相机获取的数码图像、计算机图像处理以 及分形特征方法，设计了可准确获取植物分形特征的装置，并给出了 根据植物分形盒维数来获得植物分枝长度的方法，通过对图像分形特 征的分析，快速、无损和准确的获取植物分枝长度，本发明所述方法 为定量研究荒漠灌木地上部生长动态特征提供了一种新的思路，为促 进野外准确和快速获取荒漠植物生长动态监测的发展和完善具有重 要意义，克服了现有植物地上部器官生长连续测定方法中存在的缺 点。

本发明所述的一种基于数码图像技术获取灌木分枝长度的方法， 该方法中所涉及的装置为数码相机、伸缩式三脚架、被拍照的植物、 白色背景板和已知长度的标定物组成，具体操作按以下步骤进行：

a、首先将要拍摄的植物（3）放置在已固定好的数码相机（1） 和白色背景板（4）之间，调整好数码相机（1）的拍摄高度、距离和 角度，进行数码图像的拍摄，获取植物拍摄图像；

b、采用常规的图像处理软件对获取的图像进行裁剪，转化为二 值图；

c、基于常规的分形理论中盒维数的定义，采用常规的VC++在 Windows平台下面向对象的编程方法实现植物分形特征参数计算程序 的编译，利用编译的计算程序获取该图像的分形维数和截距；

d、根据实测的分枝长度与分枝的分形维数和截距拟合线性回归 方程，利用该方程即可得到具有不同分形特征的同种植物的分枝长 度。

步骤a中所述的装置中数码相机（1）固定在伸缩式三脚架（2） 上，被拍照的植物（3）固定在数码相机（1）和白色背景板（4）之 间，在白色背景板（4）上设有已知长度的标定物（5）。

步骤a中所述的装置中植物为360°旋转，数码相机（1）为上 下左右移动，白色背景板（4）为前后移动。

步骤a中所述的装置中数码相机（1）的拍摄高度需根据被拍照 的植物（3）的高度进行调整，拍摄角度为0-360°任意一个角度、被 拍照的植物（3）与白色背景板（4）之间的距离为100cm。

本发明所述的一种基于数码图像技术获取灌木分枝长度的方法， 该方法所涉及的装置为包括要测定的目标植物、可以连续进行拍照获 取植物图像的数码相机、固定相机的伸缩式三脚架、白色背景板和已 知长度的标定物五个部分；该方法中被测的目标植物是固定的，植物 可以360°旋转，但不能前后左右上下移动，数码相机是可以上下左 右移动以调整拍摄高度和目标物之间的距离，白色背景板可以前后移 动用以调整与拍摄植物之间的距离，而背景板可根据被拍摄植物的冠 幅大小和高度进行尺寸的选择；另外，背景板上须附上已知准确长度 的标尺，用以根据植物分枝分形特征参数来计算分枝长度。本发明所 述的方法中的装置结构简单，制作和操作也较容易。

本发明一种基于数码图像技术获取灌木分枝长度的方法，该方法 首先将要拍摄的植物放置在已固定好的数码相机和白色背景板之间， 调整好适当的拍摄高度和距离，进行数码图像的拍摄；

利用采用图像处理软件对获取的图像进行裁剪，转化为二值图； 基于分形理论中盒维数的定义，设图像的边长为L（图像长度，包含 一定数量的像素），以r为小正方形的边长（其取值从1到L），计算 不同的r值情况下图像所截取的以边长为r的正方形的数量，并记为 N(r)；随着r从1到L的变化，N(r)可以取到一系列的不同值，并且 N(r)的值随着r的减少而逐渐增大；在获得r和N(r)值后，分别以 log(r)与log(N(r))作为自变量与应变量，进行log(r)与log(N(r)) 的直线回归分析，得到方程：

log(N(r))＝-F_dlog(r)+log(k)

式中：K是定值（截距），F_d即为所求得的植物的分形维数（斜率）； F_d的微小变化一般会反映出植物形态的急剧变化，可以作为不同生长 条件与年龄植物分枝与生长特征的描述；

计算植物分形特征值F_d是采用VC++在Windows平台下面向对象 的编程方法实现植物分形特征参数计算程序的编译，利用编译的程序 获取图像所对应的植物分枝的分形维数和截距；

根据试验验证结果，表明分形维数与植物分枝长度之间没有较好 的相关性，而分形截距与植物分枝长度之间存在显著的线性相关；根 据实测的分枝长度和分形截距拟合线性回归方程，利用该方程便可用 以计算具有不同分形特征同种植物的分枝长度。

附图说明

图1为本发明中装置示意图。

具体实施方式

实施例1：测定不同拍摄距离与角度下植物的分形特征：

将数码相机1固定在伸缩式三脚架2上，被拍照植物3梭梭2 年龄幼苗植株固定在数码相机1和2m×2m白色背景板4之间，在 白色背景板4上设有已知长度的标定物5；植物3为360°旋转，不 能前后左右上下移动；数码相机1为上下左右移动；白色背景板4为 前后移动；

首先将要拍摄的植物3梭梭2年龄幼苗植株放置在已固定好的数 码相机1和白色背景板4之间，调整好数码相机1，设置不同拍摄距 离和拍摄角度分别采集梭梭2年龄幼苗植株的图像，按表1设定不同 拍摄距离与拍摄角度进行梭梭2年龄幼苗植株图像的获取；

表1不同因素的水平设定以及拍摄组合的设定

在不同组合设定拍照结束后，对植物梭梭2年龄幼苗植株的各分 枝长度进行测定，以获得不同拍摄距离与角度下梭梭2年龄幼苗植株 分形特征参数值与梭梭2年龄幼苗植株分枝长度之间的相关性；

利用图像处理分析软件对获取的图像进行裁剪，转化为二值图；

利用编译的植物分形特征计算程序进行图像所对应的植物分形 特征参数的计算（分形维数和截距）；

根据实测的分枝长度和不同拍摄距离、角度下的分形截距拟合线 性回归方程，根据各方程的相关系数便可获得最佳的拍摄距离和拍摄 角度。

实施例2：测定不同拍摄距离与拍摄高度下植物的分形特征：

与实施例1相同方法布设拍摄装置，利用相同的梭梭2年龄幼苗 植株，设置不同拍摄距离与拍摄高度分别采集梭梭2年龄幼苗植株图 像，按表1设定不同拍摄距离与拍摄高度进行梭梭幼苗图像的获取；

在不同组合设定拍照结束后，对植物的各分枝长度进行测定，以 获得不同拍摄距离与角度下梭梭2年龄幼苗植株分形特征参数值与 梭梭分枝长度之间的相关性；

利用图像处理软件对获取的图像进行裁剪，转化为二值图；

利用编译的植物分形特征计算程序进行图像所对应的植物分形 特征参数的计算（分形维数和截距）；

根据实测的分枝长度和不同拍摄距离、高度下的分形截距拟合线 性回归方程，根据各方程的相关系数便可获得最佳的拍摄距离和拍摄 高度。