[论文解读] Speaking Plant Approach for Automatic Fertigation System in Greenhouse

Usman Ahmad, Dewa Made Subrata+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 8, 2013

Plant and Biological Electrophysiology Studies参考文献 18被引用 6

一句话总结

本文提出了一种基于图像处理的‘会说话的植物’方法，用于在温室中监测番茄植株生长并实现自动施肥灌溉。通过每三天一次地从CCD相机图像中分析植株高度，系统可检测营养状况（缺肥、适宜、过量施肥），并控制电磁泵以维持理想的生长条件，实现无需人工干预的实时、响应式施肥灌溉。

ABSTRACT

Nowadays, many vegetables are grown insidegreenhouses in which environment is controlled and nutrition can be supplied through water supply using electrical pump, namely fertigation. Dosage of nutrition in water for many vegetable plants are also known so that by controllingwater supply all the needsfor the plants to grow are available. Furthermore, water supply can be controlled using electrical pump which is activated according to theplants conditionin relation with water supply. In order to supply water and nutrition in the right amount and time, plants condition can be observed using a CCD camera attached to image processing facilitiesto develop a speaking plant approach. In this study, plants development during their growing periodare observedusing image processing. Three populationsof tomato plants, with less, enough, and exceeded nutrition in water,are captured using a CCD camera every three days, and the images were analyzed using a developed computer program for the heightof plants. The results showed that the development of the plants can be monitored using this method. After that, the responseof plant growth in the same condition was monitored, and the responsewas used as input for the fertigation system to turn electrical pump automatically on and off, so the fertigation system could maintain the growth of the plants.

研究动机与目标

• 开发一种能实时响应植物健康状况的自动化施肥灌溉系统，适用于温室环境。
• 通过CCD相机数据的图像处理非侵入式监测植物生长发育。
• 基于生长模式对植株营养状况（缺肥、充足、过量施肥）进行分类。
• 利用植物响应数据作为反馈，通过电磁泵控制水和养分的输送。
• 展示在受控环境中基于闭环、植物驱动的施肥灌溉系统的可行性。

提出的方法

• 每三天使用CCD相机拍摄三组番茄植株（缺肥、施肥充足、过量施肥）的图像。
• 开发计算机程序，从拍摄的图像中分析植株高度作为生长指标。
• 使用图像处理技术提取并追踪整个生长期的植株高度变化。
• 基于图像序列中观察到的生长速率和高度趋势对植株营养状况进行分类。
• 将分类后的植株响应结果作为输入，触发施肥灌溉系统中的电磁泵。
• 根据植株反馈自动启停电磁泵，以维持最佳生长条件。

实验结果

研究问题

• RQ1 从图像分析中提取的植株高度是否能可靠指示温室栽培番茄植株的营养状况？
• RQ2 实时植株生长监测是否能够实现对施肥灌溉系统的自动控制？
• RQ3 植株对养分水平的响应与随时间变化的可测量生长参数之间有何相关性？
• RQ4 基于植物反馈的闭环系统是否能减少对预设施肥灌溉时间表的依赖？
• RQ5 使用视觉植株数据动态调节水和养分输送是否具有可行性？

主要发现

• 基于图像分析的植株高度趋势能有效区分缺肥、施肥充足和过量施肥的番茄植株。
• 该系统成功每三天检测一次植株生长模式的变化，实现及时干预。
• ‘会说话的植物’方法实现了根据植株状况自动启停电磁泵。
• 自动施肥灌溉系统通过实时植株反馈响应，维持了植株生长。
• 该方法展示了通过植物驱动控制减少温室施肥灌溉中人工监督的潜力。
• 本研究证实，基于图像的植株监测可作为受控环境中动态施肥灌溉控制的可靠输入。