一種作物氮素和水分無損檢測方法及裝置的製作方法

2023-05-18 08:57:06 1

專利名稱：一種作物氮素和水分無損檢測方法及裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種小型可攜式農作物營養無損檢測裝置，尤其是能夠充分利用自然 環境下作物的可見光、近紅外多光譜圖像及冠層溫度、冠層光照、環境溫度、環境溼度等多 傳感信息，利用信息融合技術，針對制約農作物產量和品質的氮素和水分這兩個主要因素 進行快速的無損診斷。
背景技術：
目前，公知的作物的氮素營養診斷都是以實驗室常規測試為主，主要有形態診斷 法、葉色卡片法、化學診斷法、肥料窗口施用診斷法和酶學診斷法等。而作物的水分脅迫檢 測也以實驗室分析為主。這些傳統的測試手段通常會對作物產生破壞、影響作物生長，而且 在取樣、測定、數據分析等方面需要耗費大量的人力、物力，時效性差，不利於推廣應用。無 損檢測技術是指在不破壞植物組織結構的基礎上，利用各種手段對作物的生長、營養狀況 進行監測。這種方法可以迅速、準確、自動化、非破壞性的對作物營養狀況進行監測，被認為 是極有發展前途的作物營養診斷技術，是實施精確農業迫切需要的高新技術。作物氮素和 水分無損監測與檢測的研究主要集中在光譜診斷、計算機視覺診斷及植株冠層溫度變化診 斷等方面。作物氮營養缺乏和過剩是會引起作物葉片表面和內部組織生理特性改變，從而引 起作物葉片和冠層對光譜的反射特性發生改變。基於這一原理，可以利用作物營養的光譜 特徵波長和植被指數來反演作物的營養狀態，如申請號為200510088935.0的發明專利申 請，發明了一種可攜式植物氮素和水分含量的無損檢測方法及測量儀器，通過檢測植株葉 片在四個特徵波長處的光譜反射強度信息來進行植物的營養診斷，利用對四個波長植被指 數的反演來獲取植物的氮素和含水率信息。申請號為200820078489. 4的實用新型專利申 請，公開了一種氮反射指數檢測儀，利用作物葉片在兩個特定波長處的光譜反射信息作為 氮反射指數，進而推斷作物的產量和品質。申請號為200510088935.0的發明專利申請，發 明了一種植物葉片生理指標的無損檢測方法，可以利用380nm-1100nm的光譜反射信息對 葉綠素、葉黃素，氮素和水分等進行檢測。在申請號為200410048127. 7的發明專利申請，發 明了一種基於自然光照反射光譜的黃瓜葉片含氮量預測方法，可以通過黃瓜葉片在指定波 長處的光譜反射強度得出葉片的反射植被指數，進而判斷其氮素水平。目前，作物氮素和水分等營養信息光譜診斷的專利所涉及的研究方法，主要是利 用植物葉片在某些特定波長處的光譜反射率及其組合信息對作物的營養進行檢測，也就是 說，通過對單個葉片的光譜反射率分析，進而推斷單個植株的營養狀況，並據此分析區域內 植物的群體營養水平。而僅僅利用植物的葉片信息，無法充分表徵整株植物的營養狀態，因 此，通過葉片來推知區域範圍內的植物群體的營養水平則會造成很大的誤差，而對區域內 的植物群體進行快速的無損檢測是營養診斷的主要目的。因此，基於冠層水平的營養診斷 方法才能真正滿足需要。另外，由於光譜信息採集採用的是點源採樣方式，對採樣點要求較 高，且易受背景及大氣窗口、光照等環境因素的影響，因此，利用光譜技術在田間進行冠層水平的營養檢測誤差較大。計算機視覺技術和圖像處理技術的發展，為作物營養的無損檢測提供了一種新的 方法。作物營養的計算機視覺檢測是根據作物營養缺乏所引起的物理特性和形態特徵的變 化，利用圖像傳感器(CCD陣列)將作物光譜轉變為數字圖像信息，進而將數字圖像所對應 的數值矩陣用計算機進行解析，以獲取所需的與營養水平有關的顏色(灰度)、紋理及形態 學等特徵。計算機視覺成像由於其視角範圍適中且解析度較高，可獲取整個葉片或冠層的 不同區域的圖像和光反射信息，能夠反映葉片或冠層的不同區域由於反射特性差異引起的 分布規律的變化，因此，克服了光譜法利用光纖探頭採樣(點源採樣)所引起的受背景光譜 影響較大、對測試部位要求嚴格等缺點，且可獲得較多的作物信息，是一種發展很快的無損 檢測技術。申請號為200710069116.0的發明專利公開了一種多光譜成像技術快速無 損測量茶樹含氮量的方法。申請號為200510062298. X的發明專利申請和申請號為 200520134360. 7的實用新型專利申請，公布了一種油菜氮素營養多光譜圖像診斷方法及診 斷系統。上述系統均採用3CCD多光譜攝像系統作為視覺採集裝置，在計算機的控制下，通 過3CCD多光譜攝像系統採集植株冠層多光譜圖像信息，能夠非破壞性的診斷植株的氮素 營養狀況。此類系統雖然能夠通過對植株冠層多光譜圖像的顏色和紋理特徵的分析，來診 斷植物的氮營養狀況，但由於植株營養彼此之間存在著交互作用，尤其是氮素和水分之間 存在明顯的正交互作用，而此類系統無法對植株的水分脅迫信息進行檢測，因此，在無法確 知水分信息的情況下，氮素的檢測也會受到一定的影響。且利用3CCD多光譜攝像機進行田 間在線信息採集，受作物冠層結構、冠層光照和溫溼度等環境因子的影響較大，僅靠標定板 進行圖像信息的標定，無法消除多種環境信息對檢測的影響。目前，植物水分脅迫檢測主要是採用電容等水分敏感元件作為傳感器，利用類似 探針式的傳感器探頭深入植物內部進行檢測，或者採用傳統的乾濕重法進行檢測，這些方 法都會對植株造成損傷，對植株的生長帶來不利影響。目前，作物水分脅迫的無損檢測，從 理論上可以採用植株的冠氣溫差特徵、近紅外光譜特徵以及近紅外圖像特徵進行監測。植株冠層的溫度變化，可以反映植株的水分脅迫狀態，通過對不同飽和水汽壓下 冠氣溫差(冠層溫度與環境溫度之差)變化規律的分析，可以對植株的水分信息進行無損 檢測。申請號為200710178192. 5的發明專利申請和申請號為200720190401. 3的實用新 型專利申請，公開了一種在線式作物冠氣溫差灌溉決策監測系統，通過一組高速雲臺內部 安裝的紅外冠層溫度傳感器和支架立杆上設置的環境溫度傳感器等監測裝置，可以實現對 小區內作物的冠層溫度的監測。此裝置採用分布式設計，將高速雲臺通過多個支架立杆分 別設置在農作物田間，可以實現對田間作物冠層溫度的變化規律進行實時監測。系統能夠 根據小區內的作物的冠層溫度變化進行決策，適時灌溉。此系統實現了田間作物水分脅迫 的在線診斷和灌溉決策，但由於基於冠氣溫差的水分脅迫指數指標只能表明水分脅迫的趨 勢，無法對植株的含水率進行定量評價，且水分脅迫指數受環境溫溼度的影響較大，必須利 用同步採集的環境信息進行實時修正。因此，僅採用單一冠氣溫差信息進行植株的水分監 測，只能進行趨勢判斷，且無法對水分和氮素之間的作用進行解耦，因此，必須引進如近紅 外圖像信息等多種特徵對營養交互進行解耦，並對環境因子進行實時修正，才能進一步提 高植株水分脅迫診斷的水平。
儘管地物光譜技術可以較便捷地進行植被指數檢測，可獲得含氮量與光譜反射率 或其演生量的關係，可見光視覺圖像或近紅外視覺圖像顏色和紋理特徵的組合在一定程度 上也能表徵氮素含量，植株的冠氣溫差也可以作為植株水分脅迫診斷的依據。但是由於氮 素、水分具有交互作用，檢測過程受作物冠層結構、土壤背景光譜及大氣窗口、溫溼度等環 境因子的影響較大，因此，僅僅用光譜技術，或可見光視覺圖像、或近紅外視覺圖像、或植株 的冠氣溫差等單一探測技術不足以準確、全面反映作物氮素和水分脅迫信息。因此，綜上所 述，農業生產中急需一種基於冠層水平的，能夠有效綜合多種信息，實現對植株營養和水分 信息進行有效提取，且價格適中，簡便易用的小型可攜式的營養無損檢測系統。

發明內容
針對目前作物氮素和水分診斷所存在的問題，本發明的目的是提供一種基於多傳 感信息技術的，能夠充分利用植株冠層的可見光-近紅外多光譜圖像、冠層溫度、冠層光 照、環境溫度、環境溼度等多種有效信息，通過對可見光圖像特徵、近紅外圖像特徵的優化， 並融合冠層溫度和光照信息，有效對氮素和水分之間的交互作用進行解耦，消除環境因子 對檢測結果的影響，實現對田間作物的氮素和水分信息進行快速在線檢測的小型可攜式無 損檢測系統。為實現上述目的，本發明基於多傳感信息技術的作物氮素和水分無損檢測方法及 儀器採用以下技術方案本發明提供的基於多傳感信息技術的作物氮素和水分無損檢測方法，適用於在田 間條件下進行作物氮素和水分含量的在線檢測，其特徵在於1、首先建立多傳感信息的模型資料庫對所需檢測的農作物，對不同生長期作物的氮素和水分進行精確的化學分析測 定，獲取不同生長期作物的多傳感信息，即氮素的可見光圖像特徵、水分的近紅外圖像特 徵、水分的紅外冠層溫度特徵，利用PCA-PLS法建立基於多傳感信息的氮素和水分組合模 型資料庫；2、然後進行樣本檢測(1)在進行作物的多傳感信息採集前，首先對輻照度傳感器進行黑場歸零和標定， 進而依據環境光照信息和圖像質量對可見光、近紅外相機的增益、曝光時間和像素值進行 設置，並進行白板標定；進而對紅外測溫傳感器進行復位和標定；(2)在完成設置、復位和標定之後，採集樣本的可見光冠層圖像信息、近紅外冠層 圖像信息、冠層溫度信息、冠層光照信息和環境溫、溼度信息，並將數據上傳至計算機；(3)首先對可見光和近紅外圖像進行背景分割和去除噪聲處理，進而提取用於植 株水分檢測的近紅外冠層圖像的灰度、紋理特徵和冠-氣溫差特徵、用於植株氮素檢測的 可見光冠層圖像的顏色和紋理特徵；(4)計算機通過對冠層光照的分析，利用光照補償模型對冠層的近紅外圖像特徵 進行補償，並對圖像特徵和冠-氣溫差特徵進行權重計算，進而利用步驟1建立的多傳感信 息水分組合模型資料庫，給出對植株水分水平的評價；(5)計算機通過對冠層光照的分析，利用光照補償模型對冠層的可見光圖像特徵 進行補償，並利用步驟1建立的植株在該水分水平下的多傳感信息氮素組合模型資料庫，
6給出對植株氮素水平的評價；(6)植株氮素和水分檢測結果通過計算機顯示出來，本輪檢測結束。上述步驟(4)中所述的通過對冠層光照的分析，利用光照補償模型對冠層的近紅 外圖像特徵進行補償，具體過程如下①首先在不同光照水平下採集樣本在水分特徵波長處的近紅外特徵圖像(例如 對於油菜含水率檢測則選擇720nm、960nm、1450nm處的近紅外圖像)同時記錄不同光照水 平數據；②對不同冠層光照水平下的特徵圖像進行背景分割，並分別計算其特徵圖像的平 均灰度和反射強度信息；③將上述特徵波長處的特徵圖像的平均灰度和反射強度數據分別與實驗時記錄 的冠層光照數據做OLS回歸，得到各波長處的特徵圖像與冠層光照之間的關係模型，即冠 層光照修正模型；④在進行實際測量時，利用實時採集的冠層光照數據，根據步驟③中的冠層光照 修正模型計算補償量，對所採集的近紅外特徵圖像進行補償。上述步驟(5)中所述的計算機通過對冠層光照的分析，利用光照補償模型對冠層 的可見光圖像特徵進行補償，具體過程如下⑤首先在不同光照水平下採集樣本在氮素特徵波長處的可見光特徵圖像(例如 對於油菜氮素檢測選擇406、556、675nm處的可見光特徵圖像)同時記錄不同光照水平數 據；⑥對不同冠層光照水平下的特徵圖像進行背景分割，並分別計算其特徵圖像的平 均灰度和反射強度信息；⑦將上述特徵波長處的特徵圖像的平均灰度和反射強度數據分別與實驗時記錄 的冠層光照數據做OLS回歸，得到各波長處的特徵圖像與冠層光照之間的關係模型，即冠 層光照修正模型；⑧在進行實際測量時，利用實時採集的冠層光照數據，根據步驟③中的冠層光照 修正模型計算補償量，對所採集的可見光特徵圖像進行補償。一種基於多傳感信息技術的作物氮素和水分無損檢測方法，利用基於多傳感信息 技術的作物氮素和水分無損檢測裝置來實現，其特徵在於1、所述基於多傳感信息技術的作物氮素和水分無損檢測裝置包含多傳感信息採 集裝置、可攜式計算機、傳感器探測架、儀器箱；2、所述多傳感信息採集裝置包含冠層信息採集模塊、環境信息採集模塊、數據採 集卡、電源模塊；3、所述冠層信息採集模塊包含兩臺數字式工業攝像機、可見光_近紅外多波段濾 光片(分別置於所述兩臺數字式工業攝像機前)、紅外測溫傳感器；4、所述環境信息採集模塊包含輻照度傳感器、溫度傳感器、溼度傳感器，所述數據 採集卡為用於將多傳感器的模擬信號轉換為數位訊號並上傳可攜式計算機；5、所述的兩臺工業攝像機通過USB總線與可攜式計算機連接，所述紅外測溫傳感 器、輻照度傳感器、溫度傳感器、溼度傳感器通過同軸信號電纜與所述數據採集卡連接，所 述數據採集卡及電源模塊通過USB總線與可攜式計算機連接，所述電源模塊採用可攜式計算機的USB總線輸出作為其電壓輸入，並對USB總線輸入電壓進行變換，為所述的輻照度傳 感器、溫度傳感器、溼度傳感器、紅外測溫傳感器供電；6、所述的兩臺工業攝像機與可見光_近紅外濾光片組，分別用來採集作物冠層特 徵波長處的可見光和近紅外圖像，所述紅外測溫傳感器、輻照度傳感器、溫度傳感器、溼度 傳感器分別用來採集植株的冠層溫度、冠層光照及環境溫度、環境溼度信息；7、所述傳感器探測架包含傳感器懸架和傳感器探頭架，傳感器懸架，高度可根據 不同作物及作物生長情況進行調節；8、所述兩臺數字式工業攝像機、紅外測溫傳感器、輻照度傳感器、溫度傳感器、溼 度傳感器被安裝固定在所述傳感器探頭架上，通過傳感器懸架將探頭架上的多傳感器伸展 至田間作物冠層上方，對作物的多傳感信息進行採集；9、所述的儀器箱內襯絕緣板，外層為金屬屏蔽層，數據採集卡、電源模塊和可攜式 計算機被固定在儀器箱內。本發明由於採用上述技術方案具有以下優點1、本發明首次提出採用植株的可見光圖像、近紅外圖像、冠層溫度等特徵，並結合 環境光照和溫溼度信息進行作物的氮素和水分無損檢測，與傳統的無損檢測方法相比，能 夠綜合考慮多種影響因素，充分利用多種傳感器信息對作物氮素和水分含量進行檢測，信 息獲取量更大，更豐富，適合于田間自然環境條件下的在線檢測和誤差補償；2、由於作物營養診斷過程中，氮素與水分之間具有交互作用，本發明首次提出通 過檢測植株的冠層溫度信息、可見光_近紅外視覺圖像信息，並結合輻照度及環境溫溼度 信息對作物氮素和水分的交互作用進行解耦；3、田間條件下，基於冠層光譜和視覺圖像信息的作物營養無損檢測受光照強度變 化的影響很大，本發明首次提出利用檢測時同步採集的輻照度信息對冠層光照影響進行修 正；4、本發明採用低功耗和小型化可攜式設計，採用低功耗傳感器，所述的兩臺數字 式工業攝像機和數據採集卡均採用USB總線供電和數據傳輸方式，儀器箱和可攜式計算機 採用一體化設計，體積小，便於攜帶和進行田間作業；5、本發明所述多傳感信息作物氮素和水分分析評價系統軟體可安裝在任何一臺 裝有Windows作業系統的普通配置的PC機上，儀器箱中各模塊均採用USB總線與PC機相 連，因此，可以方便地與外部計算機進行連接形成系統，便於推廣；6、本發明所述傳感器懸架採用輕質不鏽鋼材料，高度可根據作物生長情況進行調 節，可通過伸縮節進行拆卸和組裝，操作輕便、靈活，便於攜帶；7、本發明所述儀器箱採用輕質鋁合金框架，內襯為絕緣材料，外層為金屬屏蔽層， 信號傳輸均採用同軸電纜，抗幹擾能力強；8、本發明設計合理，成本較低。


圖1是本發明基於多傳感信息技術的作物氮素和水分無損檢測裝置的硬體結構 示意圖；圖2是本發明基於多傳感信息技術的作物氮素和水分無損檢測裝置的結構原理
8圖；

圖3是本發明基於多傳感信息技術的作物氮素和水分無損檢測方法流程圖； 圖4是本發明的多傳感信息作物氮素和水分分析評價系統軟體的主界面； 圖5是本發明的實時環境信息及冠層信息採集界面； 圖6是本發明的冠層圖像信息採集界面 圖7是本發明的冠層圖像特徵提取界面 圖8是本發明的水分脅迫指數計算界面 圖9是本發明的水分脅迫分析界面； 圖10是本發明的作物全氮分析界面。 1-傳感器探頭架2-傳感器懸架3-儀器箱
4-可攜式計算機
7_溫度傳感器
10-數字式工業攝像機_2
13-數據採集卡
16-環境信息採集模塊
5-田間作物冠層 8_溼度傳感器 11-紅外測溫傳感器 14-電源模塊 17-冠層信息採集模塊
6-輻照度傳感器 9-數字式工業攝像機-1 12-多波段濾光片 15-傳感器探測架伸縮節 18-USB總線
具體實施例方式下面結合附圖和實施步驟對本發明進行詳細的描述。參照附圖1和圖2，本發明基於多傳感信息技術的作物氮素和水分無損檢測裝置 包括多傳感信息採集裝置、數據處理裝置、傳感器探測架、儀器箱，其中多傳感信息採集裝 置包含環境信息採集模塊16、冠層信息採集模塊17、數據採集卡13、電源模塊14 ；環境信息 採集模塊16包含輻照度傳感器6、溫度傳感器7、溼度傳感器8 ；冠層信息採集模塊17包含 編號為9的數字式工業攝像機-1、編號為10的數字式工業攝像機_2、可見光-近紅外多波 段濾光片12、紅外測溫傳感器11 ；數據處理裝置包含可攜式計算機4和多傳感信息作物氮 素和水分分析評價系統軟體(見附圖4至附圖10)；傳感器探測架包含傳感器懸架2和傳 感器探頭架1，傳感器探頭架1用來安裝輻照度傳感器6、溫度傳感器7、溼度傳感器8、編號 為9的數字式工業攝像機-1、編號為10的數字式工業攝像機_2、可見光-近紅外多波段濾 光片12、紅外測溫傳感器11，通過傳感器懸架2將探頭架上的多傳感器伸展至田間作物冠 層5上方，對作物進行多傳感信息採集；其中輻照度傳感器6被安裝在傳感器探頭架1的頂 部，以便於採集光照強度信息；溫度傳感器7、溼度傳感器8被安裝在傳感器探頭架1的下 端面矩形的中線上，用來測量環境溫溼度信息，由於處在傳感器探頭架1的下方，所以可以 避免陽光直射環境溫溼度傳感器所導致的測量誤差；編號為9的數字式工業攝像機-1、編 號為10的數字式工業攝像機_2、可見光-近紅外多波段濾光片12、紅外測溫傳感器11被 安裝在感器探頭架1的下端面中部，方向垂直於作物的冠層5，用於檢測作物冠層圖像和冠 層溫度信息；傳感器探頭架1採用螺釘緊固在傳感器懸架2上，傳感器懸架2可以在圓周方 向運動，並可通過傳感器探測架伸縮節15進行高度調節，以適應對不同作物和不同生長期 的植株進行檢測的需要；儀器箱3採用內襯絕緣板，外層為金屬屏蔽層，數據採集卡13、電 源模塊14和可攜式計算機4被固定在儀器箱3內。參照附圖2、附圖5和附圖6，環境信息採集模塊16所包含的輻照度傳感器6、溫度傳感器7、溼度傳感器8，輻照度傳感器6測量範圍為0 lOOKlux，溫度傳感器7測量範 圍-40 80°C，溼度傳感器8測量範圍為0 100% RH，輻照度傳感器6、溫度傳感器7、溼 度傳感器8的信號輸出採用3路差分的方式輸入數據採集卡13的信號輸入端。數據採集 卡採用可攜式計算機的USB總線18進行供電和數據傳輸，數據採集卡13將輸入信號轉換 為數位訊號，通過USB總線18上傳至可攜式計算機4，通過附圖5所示的實時環境信息及冠 層信息分析軟體對環境信息進行實時顯示、保存和分析計算。冠層信息採集模塊17包含編 號為9的數字式工業攝像機-1、編號為10的數字式工業攝像機_2、可見光-近紅外多波段 濾光片12、紅外測溫傳感器11，其中編號為9的數字式工業攝像機-1和編號為10的數字 式工業攝像機_2採用USB總線18供電和數據傳輸，其中編號為9的數字式工業攝像機-1 與前置濾光片組12配合，採集400 700nm可見光範圍的冠層多光譜圖像，主要用來分析 作物的氮素信息，編號為10的數字式工業攝像機_2與前置濾光片組12配合採集700 1450nm近紅外範圍的冠層多光譜圖像，主要用來分析作物的水分信息及圖像校正，紅外測 溫傳感器11的測量範圍為-20 80°C，信號輸出採用差分的方式輸入數據採集卡13的信 號輸入端，用於採集植株冠層的溫度信息；兩臺工業攝像機通過USB總線18將圖像信息上 傳至可攜式計算機4，紅外測溫傳感器11將信號傳至數據採集卡13進行A/D轉換，再通過 數據採集卡13的USB總線18將數位訊號上傳至可攜式計算機4，通過附圖5所示的實時 環境信息及冠層信息分析軟體和附圖6所示的冠層圖像信息採集軟體實時採集、顯示和保 存。數據採集卡13的模擬信號輸入端可以採用單端輸入方式和差分輸入兩種方式，單端輸 入方式所能連接的信號通路是差分輸入方式的兩倍，考慮差分輸入能夠較好的抑制幹擾， 數據採集卡13的模擬信號輸入均採用差分輸入方式；電源模塊14採用可攜式計算機4的 USB總線18的輸出的作為其電壓輸入，並對總線輸入進行電壓變換，為輻照度傳感器6、溫 度傳感器7、溼度傳感器8、紅外測溫傳感器11供電。下面參照附圖1、附圖3及附圖4至附圖10所示的程序界面，以油菜氮素和水分檢 測為例，介紹具體的檢測步驟1、按照附圖1所述連接檢測系統；2、啟動可攜式計算機4，加載附圖4所示的多傳感信息作物氮素和水分分析評價 系統軟體的主界面，啟動電源模塊14，為各傳感器供電，並對各傳感器進行設置和標定；3、在附圖4中選擇環境信息按鈕，運行附圖5所示的實時環境信息及冠層信息採 集子程序，此時，輻照度傳感器6、溫度傳感器7、溼度傳感器8、紅外測溫傳感器11所採集的 信息將以波形圖和數字顯示兩種方式實時顯示，其中數字顯示方式為實時數據的均值，點 擊保存，系統在顯示實時信息的同時記錄和保存數據；4、在附圖4中選擇圖像採集按鈕，運行附圖6所示的冠層圖像信息採集子程序， 首先對編號為9的數字式工業攝像機-1、編號為10的數字式工業攝像機-2的焦距、分辨 率、曝光時間、增益和採樣方式等參數進行調整和設置，之後對植株的冠層圖像進行實時採 集；5、在附圖4中選擇圖像分析按鈕，運行附圖7所示的冠層圖像特徵提取子程序，對 可見光、近紅外冠層圖像特徵進行提取；6、在附圖4中選擇CWSI提取按鈕，運行附圖8所示的水分脅迫指數計算子程序， 實時顯示冠層溫度和環境溫度值，並利用附圖5所示的環境信息採集子程序採集的環境信息數據，實時計算並顯示飽和水氣壓曲線和水分脅迫指數變化曲線，並將波形數據均值以 數字形式在波形圖下方顯示；7、在附圖4中選擇水分脅迫按鈕，運行附圖9所示的水分脅迫分析子程序，對附圖 7中的冠層圖像特徵提取子程序和附圖8中的水分脅迫指數計算子程序所提取的植株冠層 的近紅外圖像特徵和水分脅迫指數特徵，利用附圖5子程序發送的由環境信息所確定的修 正係數，對特徵參數進行修正，利用所選模型和算法進行特徵融合，得到作物的含水率信息 和水分脅迫狀態，並將數據源發送至附圖10所示的作物全氮分析子程序；8、在附圖4中選擇全氮分析按鈕，運行附圖10所示的作物全氮分析子程序，對附 圖7所示的冠層圖像特徵提取子程序所提取的可見光圖像特徵，利用附圖5子程序發送的 由環境信息所確定的可見光圖像特徵的修正係數，對可見光圖像特徵參數進行修正，並利 用附圖9得到的作物含水率信息，選擇與之相應的氮素預測模型，最終得到作物的含氮量 和氮素脅迫狀態。
權利要求
一種作物氮素和水分無損檢測方法，其特徵在於通過採集田間作物冠層的可見光 近紅外多光譜圖像、冠層溫度、冠層光照、環境溫度和環境溼度多種有效信息，對能夠反應作物氮素的冠層可見光圖像特徵、反應作物水分信息的冠層近紅外圖像特徵和反應作物水分信息的冠層溫度特徵進行提取，利用冠層光照，消除環境因子對檢測結果的影響，實現對田間作物氮素和水分信息的在線檢測。
2.如權利要求1所述的一種作物氮素和水分無損檢測方法，其特徵在於所述方法具 體如下1)首先建立多傳感信息的模型資料庫對所需檢測的農作物，對不同生長期作物的氮素和水分進行精確的化學分析測定，獲 取不同生長期作物的多傳感信息，即氮素的可見光圖像特徵、水分的近紅外圖像特徵、水 分的紅外冠層溫度特徵，利用PCA-PLS法建立基於多傳感信息的氮素和水分組合模型數據 庫；2)然後進行樣本檢測(1)在進行作物的多傳感信息採集前，首先對輻照度傳感器進行黑場歸零和標定，進而 依據環境光照信息和圖像質量對可見光、近紅外相機的增益、曝光時間和像素值進行設置， 並進行白板標定；進而對紅外測溫傳感器進行復位和標定；(2)在完成設置、復位和標定之後，採集樣本的可見光冠層圖像信息、近紅外冠層圖像 信息、冠層溫度信息、冠層光照信息和環境溫、溼度信息，並將數據上傳至計算機；(3)首先對可見光和近紅外圖像進行背景分割和去除噪聲處理，進而提取用於植株水 分檢測的近紅外冠層圖像的灰度、紋理特徵和冠-氣溫差特徵、用於植株氮素檢測的可見 光冠層圖像的顏色和紋理特徵；(4)計算機通過對冠層光照的分析，利用光照補償模型對冠層的近紅外圖像特徵進行 補償，並對圖像特徵和冠-氣溫差特徵進行權重計算，進而利用步驟1建立的多傳感信息水 分組合模型資料庫，給出對植株水分水平的評價；(5)計算機通過對冠層光照的分析，利用光照補償模型對冠層的可見光圖像特徵進行 補償，並利用步驟1建立的植株在該水分水平下的多傳感信息氮素組合模型資料庫，給出 對植株氮素水平的評價；(6)植株氮素和水分檢測結果通過計算機顯示出來，本輪檢測結束。
3.如權利要求2所述的一種作物氮素和水分無損檢測方法，其特徵在於所述方法具 體如下上述步驟(4)中所述的通過對冠層光照的分析，利用光照補償模型對冠層的近紅 外圖像特徵進行補償，具體過程如下①首先在不同光照水平下採集樣本在水分特徵波長處的近紅外特徵圖像，同時記錄不 同光照水平數據；②對不同冠層光照水平下的特徵圖像進行背景分割，並分別計算其特徵圖像的平均灰 度和反射強度信息；③將上述特徵波長處的特徵圖像的平均灰度和反射強度數據分別與實驗時記錄的冠 層光照數據做OLS回歸，得到各波長處的特徵圖像與冠層光照之間的關係模型，即冠層光 照修正模型；④在進行實際測量時，利用實時採集的冠層光照數據，根據步驟③中的冠層光照修正 模型計算補償量，對所採集的近紅外特徵圖像進行補償。
4.如權利要求2所述的一種作物氮素和水分無損檢測方法，其特徵在於所述方法具 體如下上述步驟(5)中所述的計算機通過對冠層光照的分析，利用光照補償模型對冠層 的可見光圖像特徵進行補償，具體過程如下⑤首先在不同光照水平下採集樣本在氮素特徵波長處的可見光特徵圖像，同時記錄不 同光照水平數據；⑥對不同冠層光照水平下的特徵圖像進行背景分割，並分別計算其特徵圖像的平均灰 度和反射強度信息；⑦將上述特徵波長處的特徵圖像的平均灰度和反射強度數據分別與實驗時記錄的冠 層光照數據做OLS回歸，得到各波長處的特徵圖像與冠層光照之間的關係模型，即冠層光 照修正模型；⑧在進行實際測量時，利用實時採集的冠層光照數據，根據步驟③中的冠層光照修正 模型計算補償量，對所採集的可見光特徵圖像進行補償。
5.一種作物氮素和水分無損檢測裝置，其特徵在於所述檢測裝置包括多傳感信息採 集裝置、可攜式計算機、傳感器探測架和儀器箱；所述的多傳感信息採集裝置包含冠層信息 採集模塊、環境信息採集模塊、數據採集卡、電源模塊；所述冠層信息採集模塊包含兩臺數 字式工業攝像機、可見光_近紅外多波段濾光片和紅外測溫傳感器；所述環境信息採集模 塊包含輻照度傳感器、溫度傳感器和溼度傳感器；所述數據採集卡用於將紅外測溫傳感器、 輻照度傳感器、溫度傳感器和溼度傳感器的模擬信號轉換為數位訊號並上傳計算機；所述 電源模塊採用可攜式計算機的總線輸出作為其電壓輸入，並對總線輸入電壓進行變換，為 所述的輻照度傳感器、溫度傳感器、溼度傳感器和紅外測溫傳感器供電；所述的兩臺數字式 工業攝像機與可攜式計算機連接，所述紅外測溫傳感器、輻照度傳感器、溫度傳感器、溼度 傳感器與所述數據採集卡連接，所述數據採集卡及電源模塊通過數據總線與可攜式計算機 連接；所述可見光-近紅外多波段濾光片分別置於所述兩臺數字式工業攝像機前；所述的 兩臺工業攝像機及所述各自的可見光、近紅外濾光片組，分別採集作物冠層在特徵波長處 的可見光和近紅外圖像；所述的紅外測溫傳感器採集作物冠層溫度信息；所述的輻照度傳 感器採集光照強度信息；所述的溫度傳感器採集環境溫度信息；所述的溼度傳感器採集環 境溼度信息；所述傳感器探測架包含傳感器懸架和傳感器探頭架，所述傳感器懸架高度可 根據不同作物及作物生長情況進行調節；所述兩臺數字式工業攝像機、紅外測溫傳感器、輻 照度傳感器、溫度傳感器、溼度傳感器被安裝固定在所述傳感器探頭架上，通過傳感器懸架 將探頭架上的多傳感器伸展至田間作物冠層上方，對作物的多傳感信息進行採集，所述的 儀器箱內襯絕緣板，外層為金屬屏蔽層，所述數據採集卡、電源模塊和可攜式計算機被固定 在所述儀器箱內。
全文摘要
一種作物氮素和水分無損檢測方法及裝置，涉及作物營養診斷技術領域。其特徵在於所述裝置包含多傳感信息採集裝置、可攜式計算機、傳感器探測架、儀器箱；其中，紅外測溫傳感器、輻照度傳感器、溫溼度傳感器通過信號電纜與數據採集卡連接；數據採集卡、兩臺數字式工業攝像機及電源模塊的輸入端通過USB總線與可攜式計算機連接；電源模塊將USB電壓升至DC24V為傳感器供電；傳感器探測架可根據作物調整高度；多傳感器信息上傳至可攜式計算機，通過對植株冠層的可見光、近紅外圖像特徵的提取，並融合冠層溫度和光照信息，消除環境誤差，能夠對田間作物氮素和水分進行在線快速無損檢測。
文檔編號G01N21/35GK101936882SQ201010249490
公開日2011年1月5日 申請日期2010年8月10日 優先權日2010年8月10日
發明者孫俊, 左志宇, 張曉東, 張紅濤, 毛罕平, 陳樹人 申請人:江蘇大學