一種作物水分脅迫的近紅外偏振超光譜成像檢測裝置和方法
2023-05-31 23:14:41 1
專利名稱：一種作物水分脅迫的近紅外偏振超光譜成像檢測裝置和方法
技術領域：
本發明涉及一種作物水分脅迫的檢測裝置，特指一種基於近紅外偏振超光譜成像技術的作物水分脅迫檢測裝置，還涉及一種利用該裝置的檢測方法。
背景技術：
長期以來，作物水分脅迫診斷主要是通過測量植株葉片的氣孔導度、葉水勢、冠層溫度、蒸騰速率、植株莖杆直徑的變化等指標間接獲得，或採用乾濕重法測量。這些方法不僅費時費力，時效性差，還會對作物造成傷害。目前基於光譜和視覺技術的無損檢測技術發展很快，但基於光譜技術的無損檢測方法通常採用點源採樣方式，無法體現整個葉片或冠層區域的光反射特性差異。視覺傳感器具有較高的解析度和較大的視場範圍，通過圖像分割技術能夠有效去除背景等因素的影響，克服了光譜法點源採樣和受環境背景影響較大的缺點，但計算機視覺技術主要利用葉片或冠層的顏色、紋理等宏觀物理特性進行診斷，無法充分表徵作物水分脅迫時豐富的微觀結構特徵信息，從而制約了作物水分脅迫快速檢測方法的應用。植物生理學和植物營養學的研究已經證明，作物發生水分脅迫時不僅能引起葉片顏色(灰度)和紋理等表面宏觀特徵的變化，葉片表面的粗糙度和質地等微觀特徵，氣孔、海綿體、柵欄組織等內部微結構也會發生顯著的變化，而傳統的光譜和視覺圖像技術難以感知這種微結構和表面質地的微變化。偏振成像技術能夠對檢測對象表面各點所反射和散射的偏振光進行成像，且偏振圖像具有普通圖像和反射光譜所不具備的優點，可以表徵一些強度圖像和光譜很難表徵的信息，如目標表面的微觀結構變化、物質內部對入射光的選擇性吸收、散射以及物體表面前向反射、後向反射、漫反射特性的變化。由於偏振成像技術具有的獨特之處，因此可以對作物水分脅迫導致的葉片表面質地和微結構變化信息進行提取和表徵。而水分子的振動頻率在900-1700nm的近紅外區域，因此採用近紅外偏振超光譜圖像可以有效提取作物的含水率信息，進而對作物的水分脅迫狀態進行分析。本發明採用近紅外偏振超光譜成像技術獲取作物的水分脅迫信息，該技術是集近紅外光譜反射強度、偏振成像和超光譜成像技術於一身的新技術，將近紅外CCD的面陣信息與偏振信息、近紅外反射光譜信息相結合，在900-1700nm範圍的連續譜段上對同一目標以3. 5nm的高解析度用256個波段連續成像，構成一個按波長順序排列的圖像數據立方體，兼有偏振技術、高光譜技術和圖像技術的優勢，既能對植株水分脅迫引起的顏色(灰度)、紋理、形態變化等特徵進行可視化分析，又能對植株葉片受水分脅迫導致的質地和微結構的偏振態、反射強度分布的各向異性分布信息，以及作物水分脅迫導致的水分子變化相關的近紅外偏振和光譜反射信息進行全面綜合的分析。目前，國內外文獻尚未見利用近紅外偏振超光譜成像技術進行作物水分脅迫分析的相關文件和報導
發明內容
本發明的目的是針對現有高光譜和圖像技術在作物水分脅迫檢測方面的不足，提供一種作物水分脅迫的近紅外偏振超光譜成像檢測裝置和方法，能獲得全面、高精度的診斷息。為實現上述目的本發明的技術方案如下
本發明一種作物水分脅迫的近紅外偏振超光譜成像檢測裝置和方法包括如下部件計算機、控制模塊、數據採集卡、近紅外偏振超光譜成像傳感器、齒素光源、電控光源搖臂、電控檢測搖臂、電控旋轉樣本臺、儀器臺架；其中儀器臺架為長方形鋼結構，儀器臺架的左側矩形端面的長度中心位置固定電控光源搖臂，與之相對的儀器臺架的右側矩形端面的長度中心位置固定電控檢測搖臂，在儀器臺架的上端面幾何中心位置安裝電控旋轉樣本臺，儀器臺架內部空間左側底面固定控制模塊、與之相對的右側底面安裝數據採集卡；其中電控光源搖臂的頂端固定了滷素光源，可在電控光源搖臂帶動下，圍繞電控旋轉樣本臺在0-180°範圍旋轉；其中電控檢測搖臂的頂端固定有偏振超光譜成像裝置，可隨電控檢測搖臂圍繞控旋轉樣本臺在0-180°範圍旋轉；計算機與控制模塊通過數據線相連接，控制模塊的輸出通過數據線與滷素光源、電控光源搖臂、電控檢測搖臂、近紅外偏振超光譜成像傳感器、電控旋轉樣本臺相連；計算機與數據採集卡通過數據線相連，數據採集卡通過數據線與近紅外偏振超光譜成像傳感器相連接。計算機通過數據線對控制模塊和數據採集卡發出指令，控制滷素光源、電控光源搖臂、電控檢測搖臂、電控旋轉樣本臺到達檢測位置，並通過近紅外偏振超光譜成像傳感器獲取樣本的偏振超光譜圖像，進而對獲取的偏振超光譜圖像數據進行採集、分析、處理和顯示。計算機還用於按照實驗要求設置不同的數據採集模式、檢測流程和檢測周期。數據採集卡通過接收計算機的控制指令，控制近紅外偏振超光譜成像傳感器獲取樣本的偏振超光譜圖像信息，並上傳計算機進行分析和處理。控制模塊通過接收計算機的控制指令，控制滷素光源、電控光源搖臂、電控檢測搖臂、電控旋轉樣本臺到達所需的檢測位置，並按照計算機設定的數據採集模式和自動調整到下一個檢測位置，直至檢測流程和檢測周期結束。所述的控制模塊包括光源控制器、步進電機控制器和步進電機，其中步進電機共四臺分別與電控光源搖臂、電控檢測搖臂、偏振超光譜成像裝置、電控旋轉樣本臺相連接。所述的近紅外偏振超光譜成像傳感器由依次連接的偏振光學系統、鏡頭、攝譜儀和CCD構成，偏振光學系統在最下端；其中，攝譜儀的光譜範圍為350-2500nm，CCD為銦鎵砷近紅外(XD，成像範圍為900-1700nm。所述電控旋轉樣本臺的支撐面為正方形，可通過更換面板在100-300mm範圍調整邊長；支撐面離儀器臺架的高度在20_300mm範圍內可升降調節；電控旋轉樣本臺可圍繞其中軸線作0-360°旋轉，可通過手動和計算機指令調整其高度、旋轉角和檢測位置。其中所述滷素光源光譜範圍300-2000nm，能夠提供平行線光源，光束直徑50_100mm。其中所述儀器臺架為長方體，其空間尺寸為960X540X200mm。其內部有長方體的腔體，空間尺寸為950X530X 190mm。本發明一種作物水分脅迫的近紅外偏振超光譜成像檢測方法，按照下述步驟進行 (1)將水分脅迫作物樣本固定在電控旋轉樣本臺上；
(2)對近紅外偏振超光譜成像傳感器進行標定；
(3)設置偏振超光譜信息採集模式，利用近紅外偏振超光譜成像傳感器採集水分脅迫樣本的近紅外偏振超光譜數據；
(4)對獲取的近紅外偏振超光譜數據進行分析和特徵提取，建立作物含水率與偏振超光譜圖像特徵信息的對應關係，建立作物含水率檢測模型；
(5)基於獲取的作物偏振超光譜特徵信息和建立的作物含水率檢測模型，對作物的水分脅迫狀態進行評價。其中所述的將水分脅迫作物樣本固定在電控旋轉樣本臺上是指將所需檢測的作物葉片夾持在電控旋轉樣本臺的上平面中心位置，通過並調整其水平高度，使處在滷素光源和近紅外偏振超光譜成像傳感器的延長線交點位置。其中所述的對近紅外偏振超光譜成像傳感器進行標定是對近紅外偏振超光譜成像傳感器進行黑場和白場標定。其中黑場標定是將採集通道封閉採集無輸入的傳感器暗電流信息；白場標定是指在選定採集模式下，採集標準白板信息，並記錄傳感器輸出，作為最大信號輸出標準。其中所述的設置近紅外偏振超光譜數據採集模式是指通過計算機採集軟體，設置滷素光源的入射角，近紅外偏振超光譜成像傳感器的探測角，樣本臺的旋轉周期和樣本的採用周期等檢測參數。其中所述的對獲取的近紅外偏振超光譜數據進行分析和特徵提取是指利用計算機提取作物的反射光譜、強度圖像和偏振圖像特徵變量，並對特徵變量進行歸一化和主成分分析消除多重共線性的影響。其中所述的建立作物含水率檢測模型是指利用上述特徵變量通過多信息融合建模技術，建立作物含水率的檢測模型。其中所述的對作物的水分脅迫狀態進行評價是指利用作物含水率的檢測結果，參照作物生長模型和標準對照組，對作物水分脅迫狀態進行評價。本發明的有益效果本發明採用近紅外偏振超光譜成像技術，，通過全方位同步獲取作物水分脅迫的綜合信息，融合作物水分脅迫的顏色、紋理、形態、微結構等信息進行作物水分脅迫診斷，診斷誤差小於5%，與傳統的無損檢測方法相比信息更全面，診斷精度更聞。
圖1是本發明一種作物水分脅迫的偏振超光譜成像檢測裝置結構示意 I一計算機；2 —數據採集卡；3 —控制模塊；4 一近紅外偏振超光譜成像傳感器；5 -滷素光源6 —電控光源搖臂；7 —電控檢測搖臂；8 —電控旋轉樣本臺；9 一儀器臺架。
具體實施例方式下面結合附圖對本發明進行進一步詳細描述。本發明一種作物水分脅迫的近紅外偏振超光譜成像檢測裝置包括如下部件計算機1，數據採集卡2，控制模塊3，近紅外偏振超光譜成像傳感器4，滷素光源5，電控光源搖臂6，電控檢測搖臂7、電控旋轉樣本臺8，儀器臺架9。儀器臺架9為長方形鋼結構，儀器臺架9的左側端面的長度中心位置固定電控光源搖臂6，與之相對的儀器臺架的右側端面長度中心位置固定電控檢測搖臂7，在儀器臺架9的上端面幾何中心位置安裝電控旋轉樣本臺8，儀器臺架內部空間左側底面固定控制模塊3、與之相對的右側底面安裝數據採集卡2 ;其中電控光源搖臂6的頂端固定了齒素光源5,可在電控光源搖臂6帶動下，圍繞電控旋轉樣本臺8在0-180°範圍旋轉；其中電控檢測搖臂7的頂端固定有近紅外偏振超光譜成像傳感器4，可隨電控檢測搖臂圍繞電控旋轉樣本臺8在0-180°範圍旋轉；計算機I與控制模塊3通過數據線相連接，控制模塊3的輸出通過數據線與滷素光源5、電控光源搖臂6、電控檢測搖臂7、近紅外偏振超光譜成像傳感器4、電控旋轉樣本臺相連8 ;計算機I與數據採集卡2通過數據線相連，數據採集卡2通過數據線與近紅外偏振超光譜成像傳感器4相連接。其中所述的計算機I用於通過數據線對控制模塊3和數據採集卡2發出指令，控制滷素光源5、電控光源搖臂6、電控檢測搖臂7、電控旋轉樣本臺8到達檢測位置，並通過近紅外偏振超光譜成像傳感器4獲取樣本的偏振超光譜圖像，進而對獲取的偏振超光譜圖像數據進行採集、分析、處理和顯示。計算機I還用於按照實驗要求設置不同的數據採集模式、檢測流程和檢測周期。其中所述的控制模塊3通過接收計算機I的控制指令，控制滷素光源5、電控光源搖臂6、電控檢測搖臂7、電控旋轉樣本臺8到達所需的檢測位置，並按照計算機I設定的數據採集模式和自動調整到下一個檢測位置，直至檢測流程和檢測周期結束。其中所述的數據採集卡2通過接收計算機I的控制指令，控制近紅外偏振超光譜成像傳感器4獲取樣本的偏振超光譜圖像信息，並上傳計算機I進行分析和處理。其中所述近紅外偏振超光譜成像傳感器4包括偏振光學系統、鏡頭、攝譜儀、CCD構成，最前端為偏振光學系統，其後依次連接鏡頭、攝譜儀、CDD ;其中所述的攝譜儀的光譜範圍為350-2500nm，其中所述的CXD為所述CXD為銦鎵砷近紅外(XD，成像範圍為900_1700nm。其中所述電控旋轉樣本臺8支撐面為正方形,邊長為200mm,高度為200mm ;支撐面尺寸可通過更換面板在100-300mm範圍調整邊長，高度可在20_300mm範圍升降；電控旋轉樣本臺可圍繞其中軸線作0-360°旋轉，可通過手動和計算機指令調整高度、旋轉角和檢測位置。其中所述的電控光源搖臂6、電控檢測搖臂7的轉動中心線重合；電控旋轉樣本臺8位於電控光源搖臂6、電控檢測搖臂7之間與兩搖臂距離相等，其上端面與轉動中心線高度一致；電控光源搖臂6、電控檢測搖臂7可圍繞同一轉動中心線各自按照所需的工作模式圍繞電控旋轉樣本臺8在0-180°範圍轉動，最小轉動角度為O. 1°。其中所述滷素光源5光譜範圍300_2000nm，能夠提供可見光-近紅外高質光源。其中所述儀器臺架9為長方體，其空間尺寸為960X540X200mm。其內部有長方體的腔體，空間尺寸為950X530X 190mm。實際測量時，首先將樣本固定在電控旋轉樣本臺8上，通過計算機I調整高度至電控光源搖臂6、電控檢測搖臂7的轉動中心線一致，並使樣本位於滷素光源5和近紅外偏振超光譜成像傳感器4的延長線交點的檢測位置。對近紅外偏振超光譜成像傳感器4進行黑場標定消除暗電流噪聲，對近紅外偏振超光譜成像傳感器4進行白場標定，採集標準白板信息，作為最大信號輸出標準。進行採樣試驗，確定近紅外偏振超光譜成像傳感器4的起偏角、焦距和曝光時間等參數。通過計算機I設定數據採集模式、檢測流程和檢測周期，按照數據採集模式完成近紅外偏振超光譜數據檢測流程，並上傳至計算機I，檢測流程完成後系統自動復位。利用計算機I對近紅外偏振超光譜數據進行分析和處理，提取水分脅迫樣本的數據立方體最優特徵波長，在特徵波長利用偏振超光譜成像檢測裝置抽取近紅外偏振超光譜數據的偏振特徵圖像和特徵強度分布曲線，獲取偏振度分布、反射強度分布、Stocks參量、紋理、色度和灰度均值作物含水率檢測的特徵變量。對特徵變量歸一化,並進行主成分分析進行特徵變換，消除多重共線性影響，建立葉片的含水率特徵空間。通過多信息融合，利用非線性建模方法建立作物的含水率的檢測模型。利用作物的含水率的檢測模型對作物的含水率水平進行分析，依據作物生長模型和標準對照組，對作物水分脅迫狀態進行評價。其中所述的通過計算機I設定數據採集模式、檢測流程和檢測周期是指根據實驗對滷素光源的入射角的要求，通過計算機I設置電控光源搖臂6的旋轉角度、方位和光源照射時間周期；根據實驗所需的近紅外偏振超光譜成像傳感器的探測角，通過計算機I設置電控檢測搖臂7的旋轉角度、方位和數據採樣時間周期；根據實驗要求通過計算機I設置電控旋轉樣本臺8的旋轉周期、檢測位置和該檢測位置下的樣本採樣周期等檢測參數。其中所述的數據採集模式、檢測流程和檢測周期等實驗參數的確定在不同實驗階段的具體實施要求不同，在實驗前期提取特徵變量時採用等角度間隔採樣(角度間隔為O. 1-45度)或者使用正交試驗表確定實驗參數，在特徵變量提取後，時間檢測時採用固定角度進行檢測，本方法採用的光源入射角為45度，近紅外偏振超光譜成像傳感器的探測角為135度，電控旋轉樣本臺的角度為固定值O度。其中所述的通過多信息融合，利用非線性建模方法建立作物的含水率的檢測模型是指利用支持向量機、神經網絡等方法進行多變量的信息融合，建立作物含水率檢測模型，用該檢測模型檢測作物葉片的含水率的決定係數達到了 O. 96，檢測誤差小於5%。以上只是示例性說明及幫助進一步理解本發明，但實施例具體細節僅是為了說明本發明，並不代表本發明構思下全部技術實施例，因此不應理解為對本發明總的技術實施例限定，一些在技術人員看來，不偏離發明構思的非實質性改動，例如以具有相同或相似技術效果的技術特徵簡單改變或替換，均屬本發明保護範圍。
權利要求
1.一種作物水分脅迫的近紅外偏振超光譜成像檢測裝置，其特徵在於，包括如下部件計算機、數據採集卡、控制模塊、近紅外偏振超光譜成像傳感器、齒素光源、電控光源搖臂、電控檢測搖臂、電控旋轉樣本臺和儀器臺架，儀器臺架為長方形鋼結構，所述儀器臺架一側的長度中心位置固定電控光源搖臂，另一側的長度中心位置固定電控檢測搖臂；在所述儀器臺架上面的幾何中心位置安裝電控旋轉樣本臺；所述儀器臺架內部一側底面固定控制模塊，另一側底面安裝數據採集卡；所述滷素光源固定在電控光源搖臂的頂端；所述近紅外偏振超光譜成像傳感器固定在電控檢測搖臂的頂端；計算機與所述控制模塊通過數據線相連接，控制模塊的輸出通過數據線與所述滷素光源、電控光源搖臂、電控檢測搖臂、近紅外偏振超光譜成像傳感器和電控旋轉樣本臺相連；計算機與所述數據採集卡通過數據線相連，數據採集卡通過數據線與所述近紅外偏振超光譜成像傳感器相連接。
2.根據權利要求1所述的一種作物水分脅迫的近紅外偏振超光譜成像檢測裝置，其特徵在於，所述近紅外偏振超光譜成像傳感器由依次連接的偏振光學系統、鏡頭、攝譜儀和CCD構成，所述偏振光學系統在最下端；所述攝譜儀的光譜範圍為350-2500nm，所述CCD為銦鎵砷近紅外CCD，成像範圍為900-1700nm。
3.根據權利要求1所述的一種作物水分脅迫的近紅外偏振超光譜成像檢測裝置，其特徵在於，所述電控旋轉樣本臺的支撐面為正方形，邊長為100-300mm ;支撐面離儀器臺架的高度在20-300mm範圍內可升降調節；所述電控旋轉樣本臺可圍繞其中軸線作0-360°旋轉。
4.根據權利要求1至3之一所述的一種作物水分脅迫的近紅外偏振超光譜成像檢測裝置，其特徵在於，所述電控光源搖臂和電控檢測搖臂可圍繞電控旋轉樣本臺在0-180°範圍轉動，最小轉動角度為O. 1°，所述電控光源搖臂和電控檢測搖臂的轉動中心線重合；所述電控旋轉樣本臺位於電控光源搖臂、電控檢測搖臂之間且與兩搖臂距離相等，所述電控旋轉樣本臺的高度與所述轉動中心線在同一水平線上。
5.根據權利要求4所述的一種作物水分脅迫的近紅外偏振超光譜成像檢測裝置，其特徵在於，所述滷素光源的光譜範圍300-2000nm;所述儀器臺架的尺寸為長960X寬540X高200mm，其內部有長方體的腔體，空間尺寸為長950X寬530X高190mm。
6.根據權利要求1所述的一種作物水分脅迫的近紅外偏振超光譜成像檢測裝置，其特徵在於，所述控制模塊包括光源控制器、步進電機控制器和步進電機，其中所述步進電機共四臺分別與所述電控光源搖臂、電控檢測搖臂、近紅外偏振超光譜成像傳感器和電控旋轉樣本臺相連接。
7.利用如權利要求1所述的一種作物水分脅迫的近紅外偏振超光譜成像檢測裝置的檢測方法，其特徵在於，按下述步驟進行 1)將樣本固定在電控旋轉樣本臺上，通過計算機調整電控旋轉樣本臺的高度至與電控光源搖臂、電控檢測搖臂的轉動中心線高度一致，並使樣本位於滷素光源和近紅外偏振超光譜成像傳感器的延長線交點的檢測位置； 2)對近紅外偏振超光譜成像傳感器進行黑場標定消除暗電流噪聲，對近紅外偏振超光譜成像傳感器進行白場標定，採集標準白板信息，作為最大信號輸出標準； 3)進行採樣試驗，確定近紅外偏振超光譜成像傳感器的起偏角、焦距和曝光時間； 4)通過計算機設定數據採集模式、檢測流程和檢測周期，按照數據採集模式完成近紅外偏振超光譜數據檢測流程，並上傳至計算機，檢測流程完成後系統自動復位； 5)利用計算機對近紅外偏振超光譜數據進行分析和處理，提取水分脅迫樣本的數據立方體最優特徵波長，在特徵波長利用近紅外偏振超光譜成像檢測裝置抽取近紅外偏振超光譜數據的偏振特徵圖像和特徵強度分布曲線，獲取偏振度分布、反射強度分布、stocks參量、紋理、色度和灰度均值作物含水率檢測的特徵變量； 6)對特徵變量進行特徵變換，消除多重共線性影響，建立葉片的含水率特徵空間； 7)通過多信息融合，利用非線性建模方法建立作物的含水率的檢測模型；利用作物的含水率的檢測模型對作物的含水率水平進行分析，依據作物生長模型和標準對照組，對作物水分脅迫狀態進行評價。
8.根據權利要求7所述的檢測方法，其特徵在於，步驟4)所述的通過計算機設定數據採集模式、檢測流程和檢測周期是指根據檢測需要，通過計算機設置電控光源搖臂的旋轉角度、方位以調整光源入射角；通過計算機設置電控檢測搖臂的旋轉角度、方位和數據採樣時間周期，以調整近紅外偏振超光譜成像傳感器的探測角和檢測方式；通過計算機設置電控旋轉樣本臺的旋轉周期、檢測位置和該檢測位置下的樣本採樣周期等檢測參數。
9.根據權利要求7所述的一種作物水分脅迫的近紅外偏振超光譜成像檢測方法，其特徵在於，步驟7)所述的非線性建模方法是指支持向量機或神經網絡方法。
全文摘要
本發明涉及一種作物水分脅迫的偏振檢測裝置和方法，該裝置由計算機、控制模塊、數據採集卡、近紅外偏振超光譜成像傳感器、滷素光源、電控光源搖臂、電控檢測搖臂、電控旋轉樣本臺和儀器臺架組成。由計算機驅動電控光源搖臂、電控檢測搖臂、電控旋轉樣本臺使滷素光源、近紅外偏振超光譜成像傳感器和被測樣本定位到檢測位置，採集作物葉片的近紅外偏振超光譜數據立方體，提取作物葉片含水率的最優波長，獲取偏振度分布、反射強度分布、stocks參量、紋理和灰度均值作物含水率檢測的組合特徵變量，建立了作物含水率檢測模。與傳統方法相比，本發明可同步獲取強度分布、偏振和高光譜圖像多維光信息，實現了對作物水分脅迫的精確定量分析。
文檔編號G01N21/25GK103018179SQ20121052887
公開日2013年4月3日 申請日期2012年12月11日 優先權日2012年12月11日
發明者張曉東, 左志宇, 毛罕平, 孫俊, 高洪燕, 朱文靜, 張紅濤, 韓綠化 申請人:江蘇大學