溫室多功能監測系統之開發─苗床植株遙測與環境因子量測

• Main Authors: 呂宏志, Lu, Hung-Chih
• Other Authors: 陳世銘, 臺灣大學：生物產業機電工程學研究所
• Format: Thesis
• Language: Chinese; English
• Published: 2005
• Subjects: 遙測; 光譜影像; 自動曝光演算法; 植被指數; 環境因子; Remote Sensing; Spectral Images; Auto-Exposure Algorithm; Vegetation Indices; Environmental Parameters; Arctic
• Online Access: http://ntur.lib.ntu.edu.tw/handle/246246/52850; http://ntur.lib.ntu.edu.tw/bitstream/246246/52850/1/ntu-94-R92631005-1.pdf

本研究以光譜影像遙測技術為基礎，針對溫室自行開發出一套多功能監測系統，該系統所使用之彩色與黑白攝影機能夠結合近紅外光波段（780nm）濾鏡進行光譜影像之擷取，且能透過IEEE-1394介面控制攝影機之電子快門速度與增益值，再利用Matlab及LabVIEW軟體所自行撰寫之自動曝光演算法來獲得理想曝光量之光譜影像。 將所擷取到之光譜影像資料經由空間校正、影像縫合、灰階度校正之方法處理，獲得完整苗床縫合影像後，再經由苗床影像自動閾值背景分離之分析作業，以求得NDVI影像及苗株狀況，將此苗盤位置真值表透過無線網路經DataSocket傳輸至溫室可變率噴桿控制系統，以作為後續噴水模式之依據。 以往環控系統對於溫室內自動量測環境因子，皆屬於單點之測量，故無法得知溫室內之整體空間變異環境分佈，本研究則利用遙測系統巡走於溫室內，在進行擷取苗床光譜影像之同時，以DAQ卡擷取環境因子，包括溫、溼度及光量子通量，並將所擷取到之環境因子參數作整合分析，繪製成環境因子空間分佈等位線圖，以提供使用者管理植株生長狀況，以期發展出一套苗株自動化生產系統。 This study is aimed to develop a multi-functional monitoring system based on remote spectral imaging and environment sensing for seedling production in the greenhouse. The spectral images were grabbed with exposure time and signal gain controls through IEEE-1394 interface, and by a color camera and a monochrome camera with optical filter at 780 nm. The controlling program was developed to grab the good quality images using the automatic exposure algorithm with Matlab 6.5 and LabVIEW 7.1 software. To obtain necessary spectral information regarding tray locations and seedling growth on benches, a serial image processing procedures, including spatial calibration, image stitching, gray-level calibration and image segmentation were developed. The data of tray positions were transferred to the look up table (LUT) and delivered to the water management module through the datasocket server and wireless network. Besides, the environment sensing sub-system, including temperature, relative humidity, and photo-quantum measurements, was also developed with the PCI-6023 interface to analyze the spatial distribution of these parameters in the greenhouse. The information of environmental status will provide a better management for seedling growth. The further goal of the study is to provide a basis for developing an automatic seedling production system. 目錄 致謝 i 摘要 ii ABSTRACT iii 目錄 v 圖目錄 xi 表目錄 xv 第一章 前言 1 1.1前言 1 1.2研究目的 4 第二章 文獻探討 5 2.1遙測系統之應用 5 2.1.1衛星遙測影像之應用 6 2.1.2航空與地面遙測影像之應用 14 2.2光譜影像之應用 19 2.2.1高光譜影像之應用 19 2.2.2多光譜影像之應用 23 2.3自動曝光演算法 27 2.3.1全畫面自動曝光法 27 2.3.2中央重點曝光法 35 2.3.3分割畫面曝光法 40 2.4光譜影像處理與應用 43 2.4.1光譜影像之校正 44 2.4.2光譜影像之增益 46 2.4.3光譜影像之分類與特徵萃取 47 2.5植被指數 54 第三章 實驗材料與設備 63 3.1溫室多功能監測系統 63 3.2研究對象 68 3.3硬體設備 71 3.3.1電腦核心設備 71 3.3.2 IEEE-1394影像擷取卡 72 3.3.3數位類比訊號擷取控制卡 73 3.3.4數位類比訊號擷取控制卡之外接CJC子盒 74 3.3.5 IEEE-1394彩色數位攝影機 75 3.3.6 IEEE-1394黑白數位攝影機 76 3.3.7鏡頭、自行加工之鏡頭轉接環及濾鏡 77 3.3.8溫、溼度感測計 78 3.3.9光量子感測計 79 3.3.10 T型熱電偶 80 3.3.11無線基地台與無線網路卡 81 3.4實驗設計 82 3.4.1自動曝光演算法之搜尋閾值規劃 82 3.4.2平面苗床序列影像之縫合規劃 84 第四章 研究方法 87 4.1硬體設備組裝 87 4.2系統量測流程 93 4.3苗株平面光譜影像擷取系統 97 4.3.1苗株平面光譜影像擷取之限制 97 4.3.2 CCD 與CMOS影像感測器之攝影機特性比較 98 4.3.3自動曝光取像模式 99 4.3.4影像空間校正 108 4.3.5影像縫合 113 4.3.6影像灰階度校正 115 4.3.7影像之自動閾值背景分離 118 4.3.8影像曝光品質之評估 125 4.4環境因子量測與分析 127 4.4.1環境因子之量測點 127 4.4.2熱點偶量測環境因子之校正 128 第五章 結果與討論 130 5.1多功能監測系統之軟體介面 130 5.1.1開發系統軟體功能介紹 130 5.2平面光譜影像測試結果 135 5.2.1「影像擷取之自動曝光程式」之測試結果 135 5.2.2「影像空間校正程式」之測試結果 139 5.2.3「影像縫合及灰階度校正程式」之測試結果 141 5.2.4「自動二元化閾值背景分離程式」之測試結果 142 5.3現場平面多光譜影像分析結果 144 5.3.1苗床影像自動曝光品質之判別 144 5.3.2苗床影像空間校正之結果及效率 146 5.3.3苗床彩色影像縫合及背景分離結果 148 5.3.4苗床自動閾值背景分離與NDVI影像之比較 150 5.3.5苗盤位置真值表與苗株狀況分析 152 5.4環境因子參數分析結果 154 5.4.1比較熱電偶有否冷點補償（CJC）之結果 154 5.4.2熱電偶之線性校正 156 5.4.3溫室內環境因子等位線分佈圖 158 第六章 結論與建議 169 6.1結論 169 6.2建議 172 參考文獻 173