高尔夫球场草坪状况监测系统的研制要点

1、指导教师 韩烈保 教授 梁树友 高工农推06级 孙胜高尔夫球场草坪状况监测系统的研制高尔夫球场草坪状况监测系统的研制The research and development of golf course turf grass monitoring system答辩提纲答辩提纲l系统概述l技术分析l研制过程l试验及分析结果l结论及展望l致谢一、系统概述一、系统概述l高尔夫球场草坪异常状况监测系统简述l高尔夫运动在国内的发展状况l草坪监测系统对于草坪管理的重要性l传统检测手段及其不足l草坪监测在国内外的发展状况高尔夫球场草坪异常状况监测系统高尔夫球场草坪异常状况监测系统l高尔夫球场草坪异常状况监测

2、系统是指采用计算机系统以及GPS定位系统在高尔夫球场草坪范围内，对高尔夫球场草坪的生长状态作出全面的图像采集，并根据一定的计算机图形学原理，从所采集到的数码影像中分析并提取出草坪当前所有异常的图像，并根据GPS系统标定此图像采集的准确位置。以此为高尔夫草坪管理者提全面的资料，以利草坪管理者更好的控制草坪病虫害的发生。 高尔夫运动在国内的发展状况。高尔夫运动在国内的发展状况。l我国高尔夫球运动起步很晚，发展历史不过20几年的时间。但发展速度较快，目前国内已开业的球场达500多家，即将开业和正在建设的球场也有100多家，主要集中在北京、上海、广东等经济相对比较发达的地区。 l中国高尔夫球场的较好的

3、运营状况和经济效益以及国际性赛事在中国的举办和中国选手对国际及地区高尔夫赛事的参加都是促进高尔夫运动在中国不断发展的重要因素。草坪监测系统对于草坪管理的重要性草坪监测系统对于草坪管理的重要性l高尔夫球场草坪的异常状况的解决需要及时、准确、全面的发现和评估才能有效的对已经发生的状况作出正确的管理措施。 l球场草坪管理工作是长期工程。对工作成效的评估要基于长期效果来进行。l草坪的各项监测数据需要按时、按地，全面细致的保存在数据库中 传统检测手段及其不足传统检测手段及其不足l传统做法一般使用人力作为草坪监测的手段 草坪总监，草坪部员工，球童，球手l依靠人力监测草坪异常状况有以下几个缺点准确性低、效率

4、低下、受观察者主观性影响、信息来源分散 、精确度不高 、资料的保存、分析 。草坪监测在国内外的发展状况草坪监测在国内外的发展状况 lNTEP(national turfgrass evaluation program)、国际草坪评估系统等将数字影像技术运用于草坪产品的质量评测上。l数字影像技术主要用来为机械化农业服务。l国内研究人员在农业生产上对图像处理计数有一些初步的尝试试验，例如油菜叶片含氮量分析等。 二、技术分析二、技术分析l草坪状况监测系统的功能需求分析l草坪状况监测系统的功能模块划分 l草坪数据采集系统的技术及理论支撑l草坪状况监测数据库的技术及理论支撑l草坪分析报告系统的技术及理论

5、支撑功能需求分析功能需求分析l草坪数据采集. 此处所述的草坪数据,包括,草坪的高分辨率彩色数码照片,草坪的地理位置坐标,采集时的具体时间,采集时的光照度。l草坪信息数据库。l数字化虚拟草坪。l草坪数码照片分析。l病害数据库。l快捷分析报告。功能模块划分功能模块划分l草坪数据采集模块，包含的子模块：数字图像采集设备 GPS定位设备 光照度采集设备l草坪状况监测系统草坪状况监测系统 l草坪分析报告模块，主要包括：用户界面、分析报告算法。l系统扩展性，数据接口及应用程序接口 采集系统采集系统l草坪数码图像采集，具有扩展编程接口的数码相机系统，高分辨率、高快门速度。 l草坪图像的GPS定位，民用GPS

6、接收机，精度5米。l草坪图像的照度采集，带通讯接口的数字化照度计。 监测数据库监测数据库l需求：满足海量数据存储l数据量：100万平方米,图片有效面积按4平方米计算，折合250000张图片。图像尺寸为1600 x1200，Jpg格式，轻微压缩，文件大小约在200KB左右。一轮采集得到的图片数量在 0.2MB*250000= 50000MB=50GB。分析报告系统分析报告系统l人对草坪颜色质量的视觉感受主要是由草坪图像的色相(HUE)决定的 l色相(HUE)是基于HSB色彩模型，HSB即:色相Hue,饱和度Saturation,亮度Brightness.l健康草皮的HUE值一般在80-115之间

7、.HUE 环与草坪样本环与草坪样本三、研制过程三、研制过程l草坪数据采集系统 图像采集设备、图像采集软件、GPS数据处理l数据库建立维护 l分析报告系统 草坪图像的色相快速提取算法 草坪的健康覆盖度评估算法 草坪的含氮量评估算法 l数字化虚拟球场实景 草坪数据采集系统草坪数据采集系统l硬件系统整合：l采用 Nikon D90 单反数码相机作为图像采集设备，软件通过编程接口直接控制相机取图。 l采用基于SiRFIII的GPS模块。该GPS模块通过串口与上位机通信。 l采用数字照度计-DE-3350作为照度采集模块 。l使用一台笔记本电脑作为采集平台的中央控制系统。数码相机、GPS模块、数字照度计

8、均通过数据电缆与之相连。l采用一台高尔夫剪草机作为采集系统的安装平台。剪草是周期性的，覆盖性的工作，他的工作性质恰好和全面采集草坪数据的需求相吻合。 草坪数据采集系统草坪数据采集系统l软件功能及实现：l操作相机自动连续拍摄，将相机内存卡中的文件导入笔记本中指定文件夹中。l以1次/秒的频率与GPS模块通讯并将结果保存到笔记本的数据文件内。l以1次/秒的频率与照度计通讯并将结果保存到笔记本的数据文件。l预处理采集到的图片，包括剪切、缩放、绑定GPS坐标等。数据库建立维护数据库建立维护l硬件配置上，选用了一款HP ProLiant ML150 G6 服务器。 l这台服务器配置了4x1500GB的硬盘

9、。作了 RAID 0+1的磁盘阵列。 保证了高安全性和高效率。l服务器安装Microsoft的Windows Server 2003 操作系统，以及 Microsoft SQL 2005 企业版数据库系统。 球场数据的用途球场数据的用途l通过数据记录，可把对应的球场图像绘制到地图中，建立虚拟球场场景。 l可以统计和显示采集设备在指定时间内的工作效率。 l可以再现指定设备的工作路线。 l以图像分析结果数据为依据，可以计算并显示球场相关数据的统计图表 l可以获得基于时间变化的统计结果，如叶片含氮量变化曲线，病害区域变化曲线等。分析报告系统分析报告系统l色相快速提取算法l需求的提出，一分钟处理一张图

10、片速度太慢。l算法的实现，突破点放在RGBtoHSB的转换公式上。l效率提升，处理速度为旧算法的100倍以上。（1分钟：300ms）l原有的公式：l新的公式分析报告系统分析报告系统l健康覆盖度评估算法l健康草坪的HUE值一般分布在57 107。l该值根据草种的不同有一定的变化。l读入待处理图像，统计其所有像素的HUE值，取平均值，这个值如果在设定的HUE区间内，说明该图像属于基本健康草坪。l进一步对每个象素进行分析统计，异常值达到设定的过滤百分比，则表明该草坪出现异常状况。健康覆盖度评估算法实例图健康覆盖度评估算法实例图l左上：原始图。l右上：异常像素突出显示。l左下：HUE强化显示。l病斑颜

11、色的HUE偏向黄色、红色 算法评估的优越性算法评估的优越性l图片与GPS坐标对应，准确地标注异常状况的位置。l通过图像处理进行监测，将不受评估人员水平的限制，给出客观公正的评价。 l高效率。人眼对色彩的识别受到视力的影响、限制。效率不高，质量受疲劳程度影响。算法评估可以快速对海量数据进行精确的全面处理分析报告系统分析报告系统l含氮量评估算法 l草坪色泽和施用氮肥的类型与含量有关。一定的范围内，肥料中含氮量越高，草坪色泽越好。 l本系统中采用G/R值的变化幅度作为草坪含氮量变化的一个参考数据。lG/R值在直接换算为含氮量的时候具有一定的偏差，难以用作定量计算，但是用来表示变化趋势是可行的，对草坪

12、的管理养护工作具有参考意义。 分析报告系统分析报告系统l数字化虚拟球场实景。l基于图片-坐标的对应关系，生成2D/3D的视图。l3D实现基于D3D技术。当前主流的开发平台。 试验及分析结果试验及分析结果l盖度分析样本788张图片试验及分析结果试验及分析结果l盖度分析结果及效率试验及分析结果试验及分析结果l含氮量分析样本试验及分析结果试验及分析结果lG/R值与叶片含氮量分析结果。存在的问题存在的问题l设备震动影响画面质量。 l光照度对于照片的G/R值存在影响，需要设计一个基于光照度的纠正算法。 l球场地面角度的起伏变化导致采集时会拍到沙坑等区域。需要进行区域划分处理以避免误报。结论及展望结论及展望l本课题结合了数字图像采集、数字图像处理技术、GPS定位技术、数据库技术，设计和实现了高尔夫球场草坪状况监测系统。 l创新设计了一种全面覆盖采集高尔夫球场草坪数据的方法。l创造了一种快速处理算法以HUE值用来评估草坪健康度。l评估草坪图像中G/R值用来评估草坪含氮量的可行性。l研究了GPS定位系统的技术指标及开发接口并将采集的数据应用于高尔夫球场草坪数字化虚拟实景系统 开发中。 可进一步研究的内容可进一步研究的内容 l实现采集系统的高度集成化。l促进产品的实用化。l依据计算机图形学中的模式识别原理，为