高爾夫球場草坪狀況監(jiān)測系統(tǒng)的研制要點

1、指導(dǎo)教師 韓烈保 教授 梁樹友 高工農(nóng)推06級 孫勝高爾夫球場草坪狀況監(jiān)測系統(tǒng)的研制高爾夫球場草坪狀況監(jiān)測系統(tǒng)的研制The research and development of golf course turf grass monitoring system答辯提綱答辯提綱l系統(tǒng)概述l技術(shù)分析l研制過程l試驗及分析結(jié)果l結(jié)論及展望l致謝一、系統(tǒng)概述一、系統(tǒng)概述l高爾夫球場草坪異常狀況監(jiān)測系統(tǒng)簡述l高爾夫運動在國內(nèi)的發(fā)展?fàn)顩rl草坪監(jiān)測系統(tǒng)對于草坪管理的重要性l傳統(tǒng)檢測手段及其不足l草坪監(jiān)測在國內(nèi)外的發(fā)展?fàn)顩r高爾夫球場草坪異常狀況監(jiān)測系統(tǒng)高爾夫球場草坪異常狀況監(jiān)測系統(tǒng)l高爾夫球場草坪異常狀況監(jiān)測

2、系統(tǒng)是指采用計算機系統(tǒng)以及GPS定位系統(tǒng)在高爾夫球場草坪范圍內(nèi)，對高爾夫球場草坪的生長狀態(tài)作出全面的圖像采集，并根據(jù)一定的計算機圖形學(xué)原理，從所采集到的數(shù)碼影像中分析并提取出草坪當(dāng)前所有異常的圖像，并根據(jù)GPS系統(tǒng)標定此圖像采集的準確位置。以此為高爾夫草坪管理者提全面的資料，以利草坪管理者更好的控制草坪病蟲害的發(fā)生。 高爾夫運動在國內(nèi)的發(fā)展?fàn)顩r。高爾夫運動在國內(nèi)的發(fā)展?fàn)顩r。l我國高爾夫球運動起步很晚，發(fā)展歷史不過20幾年的時間。但發(fā)展速度較快，目前國內(nèi)已開業(yè)的球場達500多家，即將開業(yè)和正在建設(shè)的球場也有100多家，主要集中在北京、上海、廣東等經(jīng)濟相對比較發(fā)達的地區(qū)。 l中國高爾夫球場的較好的

3、運營狀況和經(jīng)濟效益以及國際性賽事在中國的舉辦和中國選手對國際及地區(qū)高爾夫賽事的參加都是促進高爾夫運動在中國不斷發(fā)展的重要因素。草坪監(jiān)測系統(tǒng)對于草坪管理的重要性草坪監(jiān)測系統(tǒng)對于草坪管理的重要性l高爾夫球場草坪的異常狀況的解決需要及時、準確、全面的發(fā)現(xiàn)和評估才能有效的對已經(jīng)發(fā)生的狀況作出正確的管理措施。 l球場草坪管理工作是長期工程。對工作成效的評估要基于長期效果來進行。l草坪的各項監(jiān)測數(shù)據(jù)需要按時、按地，全面細致的保存在數(shù)據(jù)庫中 傳統(tǒng)檢測手段及其不足傳統(tǒng)檢測手段及其不足l傳統(tǒng)做法一般使用人力作為草坪監(jiān)測的手段 草坪總監(jiān)，草坪部員工，球童，球手l依靠人力監(jiān)測草坪異常狀況有以下幾個缺點準確性低、效率

4、低下、受觀察者主觀性影響、信息來源分散 、精確度不高 、資料的保存、分析 。草坪監(jiān)測在國內(nèi)外的發(fā)展?fàn)顩r草坪監(jiān)測在國內(nèi)外的發(fā)展?fàn)顩r lNTEP(national turfgrass evaluation program)、國際草坪評估系統(tǒng)等將數(shù)字影像技術(shù)運用于草坪產(chǎn)品的質(zhì)量評測上。l數(shù)字影像技術(shù)主要用來為機械化農(nóng)業(yè)服務(wù)。l國內(nèi)研究人員在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上對圖像處理計數(shù)有一些初步的嘗試試驗，例如油菜葉片含氮量分析等。 二、技術(shù)分析二、技術(shù)分析l草坪狀況監(jiān)測系統(tǒng)的功能需求分析l草坪狀況監(jiān)測系統(tǒng)的功能模塊劃分 l草坪數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的技術(shù)及理論支撐l草坪狀況監(jiān)測數(shù)據(jù)庫的技術(shù)及理論支撐l草坪分析報告系統(tǒng)的技術(shù)及理論

5、支撐功能需求分析功能需求分析l草坪數(shù)據(jù)采集. 此處所述的草坪數(shù)據(jù),包括,草坪的高分辨率彩色數(shù)碼照片,草坪的地理位置坐標,采集時的具體時間,采集時的光照度。l草坪信息數(shù)據(jù)庫。l數(shù)字化虛擬草坪。l草坪數(shù)碼照片分析。l病害數(shù)據(jù)庫。l快捷分析報告。功能模塊劃分功能模塊劃分l草坪數(shù)據(jù)采集模塊，包含的子模塊：數(shù)字圖像采集設(shè)備 GPS定位設(shè)備 光照度采集設(shè)備l草坪狀況監(jiān)測系統(tǒng)草坪狀況監(jiān)測系統(tǒng) l草坪分析報告模塊，主要包括：用戶界面、分析報告算法。l系統(tǒng)擴展性，數(shù)據(jù)接口及應(yīng)用程序接口 采集系統(tǒng)采集系統(tǒng)l草坪數(shù)碼圖像采集，具有擴展編程接口的數(shù)碼相機系統(tǒng)，高分辨率、高快門速度。 l草坪圖像的GPS定位，民用GPS

6、接收機，精度5米。l草坪圖像的照度采集，帶通訊接口的數(shù)字化照度計。 監(jiān)測數(shù)據(jù)庫監(jiān)測數(shù)據(jù)庫l需求：滿足海量數(shù)據(jù)存儲l數(shù)據(jù)量：100萬平方米,圖片有效面積按4平方米計算，折合250000張圖片。圖像尺寸為1600 x1200，Jpg格式，輕微壓縮，文件大小約在200KB左右。一輪采集得到的圖片數(shù)量在 0.2MB*250000= 50000MB=50GB。分析報告系統(tǒng)分析報告系統(tǒng)l人對草坪顏色質(zhì)量的視覺感受主要是由草坪圖像的色相(HUE)決定的 l色相(HUE)是基于HSB色彩模型，HSB即:色相Hue,飽和度Saturation,亮度Brightness.l健康草皮的HUE值一般在80-115之間

7、.HUE 環(huán)與草坪樣本環(huán)與草坪樣本三、研制過程三、研制過程l草坪數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 圖像采集設(shè)備、圖像采集軟件、GPS數(shù)據(jù)處理l數(shù)據(jù)庫建立維護 l分析報告系統(tǒng) 草坪圖像的色相快速提取算法 草坪的健康覆蓋度評估算法 草坪的含氮量評估算法 l數(shù)字化虛擬球場實景 草坪數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)草坪數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)l硬件系統(tǒng)整合：l采用 Nikon D90 單反數(shù)碼相機作為圖像采集設(shè)備，軟件通過編程接口直接控制相機取圖。 l采用基于SiRFIII的GPS模塊。該GPS模塊通過串口與上位機通信。 l采用數(shù)字照度計-DE-3350作為照度采集模塊 。l使用一臺筆記本電腦作為采集平臺的中央控制系統(tǒng)。數(shù)碼相機、GPS模塊、數(shù)字照度計

8、均通過數(shù)據(jù)電纜與之相連。l采用一臺高爾夫剪草機作為采集系統(tǒng)的安裝平臺。剪草是周期性的，覆蓋性的工作，他的工作性質(zhì)恰好和全面采集草坪數(shù)據(jù)的需求相吻合。 草坪數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)草坪數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)l軟件功能及實現(xiàn)：l操作相機自動連續(xù)拍攝，將相機內(nèi)存卡中的文件導(dǎo)入筆記本中指定文件夾中。l以1次/秒的頻率與GPS模塊通訊并將結(jié)果保存到筆記本的數(shù)據(jù)文件內(nèi)。l以1次/秒的頻率與照度計通訊并將結(jié)果保存到筆記本的數(shù)據(jù)文件。l預(yù)處理采集到的圖片，包括剪切、縮放、綁定GPS坐標等。數(shù)據(jù)庫建立維護數(shù)據(jù)庫建立維護l硬件配置上，選用了一款HP ProLiant ML150 G6 服務(wù)器。 l這臺服務(wù)器配置了4x1500GB的硬盤

9、。作了 RAID 0+1的磁盤陣列。 保證了高安全性和高效率。l服務(wù)器安裝Microsoft的Windows Server 2003 操作系統(tǒng)，以及 Microsoft SQL 2005 企業(yè)版數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)。 球場數(shù)據(jù)的用途球場數(shù)據(jù)的用途l通過數(shù)據(jù)記錄，可把對應(yīng)的球場圖像繪制到地圖中，建立虛擬球場場景。 l可以統(tǒng)計和顯示采集設(shè)備在指定時間內(nèi)的工作效率。 l可以再現(xiàn)指定設(shè)備的工作路線。 l以圖像分析結(jié)果數(shù)據(jù)為依據(jù)，可以計算并顯示球場相關(guān)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計圖表 l可以獲得基于時間變化的統(tǒng)計結(jié)果，如葉片含氮量變化曲線，病害區(qū)域變化曲線等。分析報告系統(tǒng)分析報告系統(tǒng)l色相快速提取算法l需求的提出，一分鐘處理一張圖

10、片速度太慢。l算法的實現(xiàn)，突破點放在RGBtoHSB的轉(zhuǎn)換公式上。l效率提升，處理速度為舊算法的100倍以上。（1分鐘：300ms）l原有的公式：l新的公式分析報告系統(tǒng)分析報告系統(tǒng)l健康覆蓋度評估算法l健康草坪的HUE值一般分布在57 107。l該值根據(jù)草種的不同有一定的變化。l讀入待處理圖像，統(tǒng)計其所有像素的HUE值，取平均值，這個值如果在設(shè)定的HUE區(qū)間內(nèi)，說明該圖像屬于基本健康草坪。l進一步對每個象素進行分析統(tǒng)計，異常值達到設(shè)定的過濾百分比，則表明該草坪出現(xiàn)異常狀況。健康覆蓋度評估算法實例圖健康覆蓋度評估算法實例圖l左上：原始圖。l右上：異常像素突出顯示。l左下：HUE強化顯示。l病斑顏

11、色的HUE偏向黃色、紅色 算法評估的優(yōu)越性算法評估的優(yōu)越性l圖片與GPS坐標對應(yīng)，準確地標注異常狀況的位置。l通過圖像處理進行監(jiān)測，將不受評估人員水平的限制，給出客觀公正的評價。 l高效率。人眼對色彩的識別受到視力的影響、限制。效率不高，質(zhì)量受疲勞程度影響。算法評估可以快速對海量數(shù)據(jù)進行精確的全面處理分析報告系統(tǒng)分析報告系統(tǒng)l含氮量評估算法 l草坪色澤和施用氮肥的類型與含量有關(guān)。一定的范圍內(nèi)，肥料中含氮量越高，草坪色澤越好。 l本系統(tǒng)中采用G/R值的變化幅度作為草坪含氮量變化的一個參考數(shù)據(jù)。lG/R值在直接換算為含氮量的時候具有一定的偏差，難以用作定量計算，但是用來表示變化趨勢是可行的，對草坪

12、的管理養(yǎng)護工作具有參考意義。 分析報告系統(tǒng)分析報告系統(tǒng)l數(shù)字化虛擬球場實景。l基于圖片-坐標的對應(yīng)關(guān)系，生成2D/3D的視圖。l3D實現(xiàn)基于D3D技術(shù)。當(dāng)前主流的開發(fā)平臺。 試驗及分析結(jié)果試驗及分析結(jié)果l蓋度分析樣本788張圖片試驗及分析結(jié)果試驗及分析結(jié)果l蓋度分析結(jié)果及效率試驗及分析結(jié)果試驗及分析結(jié)果l含氮量分析樣本試驗及分析結(jié)果試驗及分析結(jié)果lG/R值與葉片含氮量分析結(jié)果。存在的問題存在的問題l設(shè)備震動影響畫面質(zhì)量。 l光照度對于照片的G/R值存在影響，需要設(shè)計一個基于光照度的糾正算法。 l球場地面角度的起伏變化導(dǎo)致采集時會拍到沙坑等區(qū)域。需要進行區(qū)域劃分處理以避免誤報。結(jié)論及展望結(jié)論及展望l本課題結(jié)合了數(shù)字圖像采集、數(shù)字圖像處理技術(shù)、GPS定位技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)，設(shè)計和實現(xiàn)了高爾夫球場草坪狀況監(jiān)測系統(tǒng)。 l創(chuàng)新設(shè)計了一種全面覆蓋采集高爾夫球場草坪數(shù)據(jù)的方法。l創(chuàng)造了一種快速處理算法以HUE值用來評估草坪健康度。l評估草坪圖像中G/R值用來評估草坪含氮量的可行性。l研究了GPS定位系統(tǒng)的技術(shù)指標及開發(fā)接口并將采集的數(shù)據(jù)應(yīng)用于高爾夫球場草坪數(shù)字化虛擬實景系統(tǒng) 開發(fā)中。 可進一步研究的內(nèi)容可進一步研究的內(nèi)容 l實現(xiàn)采集系統(tǒng)的高度集成化。l促進產(chǎn)品的實用化。l依據(jù)計算機圖形學(xué)中的模式識別原理，為