Smart farming is a growing field as technology advances. Plant characteristics are crucial indicators for monitoring plant growth. Research has been done to estimate characteristics like leaf area index, leaf disease, and plant height. However, few methods have been applied to non-destructive measurements of leaf size. In this paper, an automated non-destructive imaged-based measuring system is presented, which uses 2D and 3D data obtained using a Zivid 3D camera, creating 3D virtual representations (digital twins) of the tomato plants. Leaves are detected from corresponding 2D RGB images and mapped to their 3D point cloud using the detected leaf masks, which then pass the leaf point cloud to the plane fitting algorithm to extract the leaf size to provide data for growth monitoring. The performance of the measurement platform has been measured through a comprehensive trial on real-world tomato plants with quantified performance metrics compared to ground truth measurements. Three tomato leaf and height datasets (including 50+ 3D point cloud files of tomato plants) were collected and open-sourced in this project. The proposed leaf size estimation method demonstrates an RMSE value of 4.47mm and an R^2 value of 0.87. The overall measurement system (leaf detection and size estimation algorithms combine) delivers an RMSE value of 8.13mm and an R^2 value of 0.899.


翻译:智能农业是一个不断发展的领域,众多的技术进步都将其推向前进。植物特征能够成为监测植物生长的关键指标。现有的研究通常用于估算类似叶面积指数、叶病和植物高度等特征,然而很少有方法用于非破坏性叶片尺寸测量。本文提出了一种基于图像的非破坏性自动测量系统,使用Zivid 3D相机等设备获取3D和2D数据,创建干虚拟表示,即西红柿植株的数字孪生。通过从相应的2D RGB图像中检测出叶片,使用检测到的叶片掩膜将其映射到它们的3D点云,然后使用平面拟合算法从叶片的点云中提取叶片大小,以提供生长监测所需的数据。通过在真实西红柿植株上进行全面试验,并将表现与基准测量进行对比,评估了测量平台的性能。本项目收集了三个西红柿叶片和高度数据集(包括50个以上的西红柿植株3D点云文件),并公开了这些数据集。所提出的叶片尺寸估计方法显示出4.47mm的均方根误差(RMSE)值和0.87的R ^ 2值。整体测量系统(叶片检测和大小估计算法组合)提供的均方根误差(RMSE)值为8.13mm,R ^ 2值为0.899。

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