農(nóng)作物氮素營養(yǎng)診斷傳感器的制造方法
【專利摘要】一種能識(shí)別農(nóng)作物是否缺氮的農(nóng)作物氮素營養(yǎng)診斷傳感器。它是用以攝像頭為主的圖像采集設(shè)備采集圖像并傳輸?shù)接?jì)算機(jī)。再利用計(jì)算機(jī)軟件圖像處理系統(tǒng)對(duì)圖像進(jìn)行分析得出顏色參數(shù)、紋理參數(shù)。最后在模型決策系統(tǒng)中根據(jù)各參數(shù)的貢獻(xiàn)率，以因子分析的方法將多個(gè)指標(biāo)轉(zhuǎn)化成綜合變量，然后與配型庫中的數(shù)據(jù)進(jìn)行配對(duì)。以此預(yù)測出葉片中的含氮量，判斷作物是否缺氮。
【專利說明】農(nóng)作物氮素營養(yǎng)診斷傳感器
所屬【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種基于計(jì)算機(jī)視覺圖像的農(nóng)作物氮素營養(yǎng)診斷傳感器，尤其能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)、省力的農(nóng)作物氮素營養(yǎng)的無損檢測。
【背景技術(shù)】
[0002]目前，判斷農(nóng)作物是否缺氮主要通過實(shí)驗(yàn)室檢測方法(如:凱氏定氮法)，或根據(jù)經(jīng)驗(yàn)查看農(nóng)作物長勢、葉色再行進(jìn)施肥。也有實(shí)驗(yàn)研究證明可通過微波雷達(dá)等儀器根據(jù)作物冠層的反射光譜確定作物氮素營養(yǎng)。但是，實(shí)驗(yàn)室檢測方法費(fèi)時(shí)費(fèi)力，專業(yè)性高，診斷結(jié)果不能直接用于田間管理。而經(jīng)驗(yàn)判斷需要掌握某種作物在缺乏氮素時(shí)在形態(tài)上表現(xiàn)出特有的癥狀的相關(guān)知識(shí)，大多數(shù)農(nóng)戶很難掌握，且人眼對(duì)顏色的識(shí)別有限并存在誤差。利用光譜進(jìn)行農(nóng)作物氮素診斷成本過高，一般的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)很難承受。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]為建立田間實(shí)時(shí)、有效快速的自動(dòng)化的農(nóng)作物氮素營養(yǎng)診斷方法，本發(fā)明提供一種農(nóng)作物氮素營養(yǎng)診斷傳感器。該傳感器不僅能根據(jù)獲取的作物圖像準(zhǔn)確判斷出農(nóng)作物在特定的生理階段是否缺氮，其檢測方法也相對(duì)簡單、快捷，適合大規(guī)模種植應(yīng)用。
[0004]要解決的技術(shù)問題
[0005]所采用的技術(shù)方案是:首先是硬件系統(tǒng)的搭建，即由光源、攝像頭、圖像采集卡、計(jì)算機(jī)、支架、無線網(wǎng)絡(luò)傳輸設(shè)備組成。旨在實(shí)時(shí)獲取作物田間生長圖像，然后利用無線網(wǎng)絡(luò)傳輸設(shè)備將獲取的圖像數(shù)據(jù)傳輸?shù)浇K端計(jì)算機(jī)上進(jìn)行分析。其次是軟件系統(tǒng)的開發(fā)即圖像處理系統(tǒng)和模型決策系統(tǒng)，圖像處理系統(tǒng)可對(duì)田間采集的圖像進(jìn)行平滑、分割處理，再獲取目標(biāo)區(qū)域的顏色信息、紋理信息。模型決策系統(tǒng)是先建立某種作物在各個(gè)生育期不同氮素水平下的的生長圖像數(shù)據(jù)，經(jīng)圖像處理軟件分析形成目標(biāo)配型庫。圖像采集系統(tǒng)采集到圖像傳輸?shù)接?jì)算機(jī)后，由圖像處理系統(tǒng)進(jìn)行處理得出數(shù)據(jù)。以這些信息與目標(biāo)配型庫進(jìn)行匹配，對(duì)匹配結(jié)果進(jìn)行分析后得出匹配結(jié)果。從而判斷出作物生長是否缺氮。
[0006]有益效果
[0007]本發(fā)明可實(shí)現(xiàn)田間作物生長信息的實(shí)時(shí)監(jiān)測，從而診斷農(nóng)作物的營養(yǎng)狀況，實(shí)現(xiàn)科學(xué)施肥。除此之外，相比其他的技術(shù)省時(shí)省力，不需要專業(yè)的實(shí)驗(yàn)室監(jiān)測，不破壞作物本身的生長狀態(tài)。
【具體實(shí)施方式】
[0008]硬件系統(tǒng):圖像采集系統(tǒng)由支架、攝像機(jī)、LED光源、圖像采集卡、光照傳感器、及計(jì)算機(jī)組成。光源和攝像頭都連接在支架上，保持光源和攝像頭與作物冠層平行。以光源射出的光均勻垂直輻射目標(biāo)農(nóng)作物。固定攝像機(jī)的焦距、光圈等拍攝模式以及圖像尺寸等，并設(shè)定作物不同生育期的固定物距。根據(jù)不同作物的全生育期及生長階段設(shè)定拍攝頻率(例:兩天一次)。從而對(duì)攝像機(jī)的拍攝頻率及拍攝時(shí)間做出設(shè)定，攝像機(jī)圖像獲取成功后通過數(shù)據(jù)線自動(dòng)傳輸?shù)浇K端計(jì)算機(jī)。
[0009]軟件系統(tǒng):圖像處理系統(tǒng)及模型決策系統(tǒng)。
[0010]圖像處理系統(tǒng):
[0011]1.圖像的預(yù)處理
[0012](I)圖像分割，以閾值分割為主，根據(jù)作物區(qū)域的顏色值與背景的顏色值不同設(shè)定閾值。根據(jù)閾值將目標(biāo)的作物圖像部分從背景中分離出來。
[0013](2)圖像平滑，消除圖像拍攝或傳輸中產(chǎn)生的變差及噪聲。采用中值濾波，采用3*3的窗口。
[0014](3)圖像增強(qiáng)，改進(jìn)圖像的質(zhì)量，增加對(duì)比度，去掉模糊和噪聲。采用灰度變換。
[0015]2.圖像特征的提取
[0016](I)顏色特征的提取，采用兩個(gè)彩色空間的六個(gè)分量(R，G，B, H，I，S)作為顏色特征的指數(shù)。
[0017](2)紋理特征的提取，選擇6個(gè)常用的參數(shù)作為紋理特征，即灰度均值GrayMean、對(duì)比度Tew、相關(guān)性Τωκ、能量Texe、慣性矩Tinv和熵Tent等參數(shù)表示作物冠層的紋理特征。
[0018]模型決策系統(tǒng):
[0019](I)顏色參數(shù)的計(jì)算，根據(jù)作物冠層顏色參量R，G，B, H，I，S、顏色參量的差值、R，G，B標(biāo)準(zhǔn)化值為變量進(jìn)行主成分分析，并計(jì)算特征向量作為各變量的系數(shù)以確定顏色參數(shù)與葉片含氮量之間的關(guān)系。
[0020](2)農(nóng)作物氮營養(yǎng)的模式識(shí)別，對(duì)于不同氮素營養(yǎng)水平的農(nóng)作物冠層圖像特征進(jìn)行模式識(shí)別，分為三種模式:缺氮、微缺、正常。
[0021](3)冠層圖像含氮量模型的建立，根據(jù)作物種類品種的不同，選擇最優(yōu)化能代表葉片的變量。然后對(duì)這些特征進(jìn)行因子分析，得出各個(gè)特征對(duì)檢測結(jié)果的貢獻(xiàn)率。做出預(yù)測該作物葉片含氮量的最佳模型，建成匹配庫。
【權(quán)利要求】
1.一種農(nóng)作物氮素營養(yǎng)診斷傳感器，由硬件系統(tǒng)(圖像采集系統(tǒng))與軟件系統(tǒng)(圖像處理系統(tǒng)及模型決策系統(tǒng))組成，其特征是:通過集成硬件系統(tǒng)(支架、攝像機(jī)、LED光源、圖像采集卡、光照傳感器、計(jì)算機(jī))，采集作物冠層圖像并傳輸?shù)接?jì)算機(jī)。軟件系統(tǒng)(圖像處理系統(tǒng))對(duì)圖像進(jìn)行處理得出圖像的顏色參數(shù)及紋理參數(shù)。再由模型決策系統(tǒng)對(duì)圖像各個(gè)特征進(jìn)行分析，以確定植株的含氮量。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的農(nóng)作物氮素營養(yǎng)診斷傳感器，其特征是:模型決策系統(tǒng)會(huì)根據(jù)不同作物不同品種選定不同的作物圖像參數(shù)因子。對(duì)這些參數(shù)因子設(shè)定貢獻(xiàn)率。以這些參數(shù)因子為依據(jù)與目標(biāo)配型庫做匹配預(yù)測作物的含氮量。
【文檔編號(hào)】G01N21/25GK103674849SQ201210329678
【公開日】2014年3月26日 申請(qǐng)日期:2012年9月4日 優(yōu)先權(quán)日:2012年9月4日
【發(fā)明者】余德貴, 宋俊峰, 胡以濤 申請(qǐng)人:南京農(nóng)業(yè)大學(xué)