專利名稱：多光譜成像技術(shù)快速無損測(cè)量茶樹含氮量的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用光學(xué)手段分析材料的方法，尤其是涉及一種多光譜成像技術(shù)快速無損測(cè)量茶樹含氮量的方法。
背景技術(shù)：
氮素營(yíng)養(yǎng)診斷是茶樹營(yíng)養(yǎng)診斷的核心。氮肥是全世界施用量最大的一類化學(xué)肥料，同時(shí)也是推薦施肥中最難于準(zhǔn)確定量的一種肥料。究其原因，主要是由于缺乏能夠準(zhǔn)確、迅速、經(jīng)濟(jì)地判斷作物氮營(yíng)養(yǎng)狀況及確定氮肥需要量的測(cè)試方法。長(zhǎng)期以來，作物的氮營(yíng)養(yǎng)診斷和氮肥的推薦施肥都是以實(shí)驗(yàn)室常規(guī)測(cè)試為基礎(chǔ)。目前，一般采用凱氏定氮法來測(cè)定植物中的氮含量，但測(cè)量十分費(fèi)時(shí)和復(fù)雜，且需要葉片離體和預(yù)處理，不能直接在油菜生長(zhǎng)期間進(jìn)行在線測(cè)量。而其它傳統(tǒng)測(cè)試手段在取樣、測(cè)定、數(shù)據(jù)分析等方面也需要耗費(fèi)大量的人力、物力，時(shí)效性差，且通常是破壞性檢測(cè)，不利于推廣應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
為了更加科學(xué)合理的給茶樹施肥，需要一種無損、快速、實(shí)時(shí)的茶樹含氮量測(cè)量方法。本發(fā)明的目的是提供了一種多光譜成像技術(shù)快速無損測(cè)量茶樹含氮量的方法，能對(duì)茶樹氮含量進(jìn)行快速、準(zhǔn)確、非破壞性的在線測(cè)量的方法。
本發(fā)明采用的技術(shù)方案是首先建立茶樹氮含量校正模型，然后在校正模型的基礎(chǔ)上未知樣本的氮含量進(jìn)行測(cè)定；該方法的步驟如下一、校正模型的建立1)收集各種品種、同個(gè)品種不同樹齡的茶樹作為校正集樣本，通過3CCD多光譜攝像儀獲得茶樹冠層的多光譜圖像，獲得的圖像經(jīng)過去噪提高圖像質(zhì)量，再經(jīng)過背景分離得到研究對(duì)象的圖像，基于標(biāo)準(zhǔn)反射板和標(biāo)定反射曲線獲得研究對(duì)象的在該光譜波長(zhǎng)下的反射率值；2)采用凱氏定氮法測(cè)定校正集樣本的標(biāo)準(zhǔn)氮含量；3)運(yùn)用多元校正算法建立校正集樣本的多光譜波長(zhǎng)下的反射率值即多光譜圖像的特征參數(shù)與校正集樣本的標(biāo)準(zhǔn)氮含量之間的定量關(guān)系，即建立了校正模型；二、在校正模型的基礎(chǔ)上預(yù)測(cè)樣本的氮含量進(jìn)行測(cè)定對(duì)于預(yù)測(cè)樣本，只要用多光譜攝像儀獲得對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)處的多光譜圖像，經(jīng)過圖像接收板送入計(jì)算機(jī)，經(jīng)過去噪算法提高圖像質(zhì)量，再經(jīng)過背景分離得到研究對(duì)象的圖像，基于標(biāo)準(zhǔn)反射板和標(biāo)定反射曲線獲得研究對(duì)象的在該光譜波長(zhǎng)下的反射率值。把該反射率值輸入校正模型，經(jīng)過校正模型的測(cè)定即得到了該的氮含量。
所以本發(fā)明只要在有代表性的茶樹樣本的基礎(chǔ)上建立了校正模型就可以實(shí)驗(yàn)對(duì)未知氮含量茶樹的氮含量進(jìn)行快速、無損、實(shí)時(shí)、在線的測(cè)定。
本發(fā)明與背景技術(shù)相比，具有的有益效果是(1)功能強(qiáng)大，可實(shí)現(xiàn)對(duì)茶樹氮含量的快速、準(zhǔn)確、非破壞性、在線的測(cè)定。
(2)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，整個(gè)測(cè)量裝置只由一個(gè)3CCD多光譜成像儀、一個(gè)圖像接收板、一臺(tái)計(jì)算機(jī)、車載蓄電池、逆變電源轉(zhuǎn)換器、一塊標(biāo)定板和一輛裝有機(jī)械臂的敞篷車組成。
(3)使用方便，只要將測(cè)量裝置中的各組成部件按照要求連接起來，對(duì)待測(cè)量的茶樹的多光譜圖像進(jìn)行獲取，然后將提取出來的特征信息輸入校正模型即可完待測(cè)量的茶樹的氮含量的測(cè)定。
(4)具有良好的經(jīng)濟(jì)效益，傳統(tǒng)的測(cè)量手段在取樣、測(cè)定、數(shù)據(jù)分析等方面需要耗費(fèi)大量的人力、物力，且效性差，本發(fā)明因結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制作方便，可以快速、準(zhǔn)確的測(cè)量茶樹氮含量，從而實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)、無損檢測(cè)茶樹氮素營(yíng)養(yǎng)水平。


附圖是多光譜成像技術(shù)快速無損測(cè)量茶樹含氮量的方法的原理框圖。
具體實(shí)施例方式
本系統(tǒng)由3CCD多光譜成像系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)、圖像接收板、標(biāo)定板、敞篷車、機(jī)械臂及電源組成。在一輛敞篷車上安裝了可將3CCD多光譜成像儀伸展到俯視田間作物位置的機(jī)械臂，其最長(zhǎng)伸展長(zhǎng)度距離為3.5米，最大離地高度為3.5米。車上裝備有車載蓄電池和逆變電源轉(zhuǎn)換器，可以為3CCD多光譜成像儀和計(jì)算機(jī)提供220V交流電。多光譜成像儀將攝入光源經(jīng)過濾，實(shí)時(shí)分離成綠(550nm)，紅(650nm)，近紅外(800nm)三個(gè)波段通道的單色圖像，通過數(shù)據(jù)接收板把圖像傳輸給計(jì)算機(jī)。
本發(fā)明的工作原理如附圖所示1)獲得茶葉及標(biāo)定板的3CCD多光譜圖像。選擇各種品種、同個(gè)品種不同樹齡的茶樹建立校正集樣本，用3CCD多光譜成像儀來采集茶樹的冠層多光譜圖像和標(biāo)定板的多光譜圖像信息，多光譜成像儀將攝入光源經(jīng)過濾，實(shí)時(shí)分離成綠(550nm)，紅(650nm)，近紅外(800nm)三個(gè)波段通道的單色圖像，然后通過RS-232接口送到圖像接收板，在經(jīng)由圖像接收板輸入計(jì)算機(jī)中。
2)獲得的圖像經(jīng)過去噪和圖像處理來消除背景土壤的影響和外界條件包括太陽(yáng)光照射強(qiáng)度變化、風(fēng)、系統(tǒng)移動(dòng)等造成的誤差，得到高質(zhì)量的圖像信息。再經(jīng)過背景分離去除圖中的泥土、樹枝等雜物，得到研究對(duì)象(茶樹冠層)的圖像，計(jì)算圖中冠層葉片和標(biāo)定板各自的灰度平均值，由于標(biāo)定板的反射率值是已知的，所以可以基于標(biāo)定板的灰度平均值建立反射率標(biāo)定曲線，把茶葉冠層的平均灰度值帶入反射率標(biāo)定曲線，即可算出茶葉冠層的平均反射率。
3)采用凱氏定氮法測(cè)定校正集樣本的標(biāo)準(zhǔn)氮含量；校正集樣本經(jīng)過圖像采集步驟之后，就被用于凱氏定氮法測(cè)定校正集樣本標(biāo)準(zhǔn)氮含量。
4)對(duì)于校正集樣本，基于已知的冠層反射率和凱氏定氮法測(cè)定的標(biāo)準(zhǔn)氮含量運(yùn)用多元校正回歸算法(偏最小二乘回歸、多元線形回歸、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、支持向量機(jī)等)建立校正模型。校正集樣本的多光譜波長(zhǎng)下的反射率值作為多元校正回歸的自變量，校正集樣本的標(biāo)準(zhǔn)氮含量作為因變量，尋找自變量與因變量之間的定量關(guān)系，即建立了校正模型；二、在校正模型的基礎(chǔ)上對(duì)待測(cè)樣本的氮含量進(jìn)行測(cè)定對(duì)于待測(cè)樣本，只要用多光譜攝像儀獲得待測(cè)樣本和標(biāo)定板的多光譜圖像，經(jīng)過圖像接收板送入計(jì)算機(jī)，經(jīng)過去噪算法提高圖像質(zhì)量，再經(jīng)過背景分離得到研究對(duì)象(茶樹冠層)的圖像，基于標(biāo)定板和標(biāo)定反射曲線獲得預(yù)測(cè)樣本的冠層平均反射率值。把該反射率值輸入校正模型，經(jīng)過校正模型的測(cè)定即得到了預(yù)測(cè)樣本的氮含量。
權(quán)利要求
1.一種多光譜成像技術(shù)快速無損測(cè)量茶樹含氮量的方法，其特征在于首先建立茶樹氮含量校正模型，然后在校正模型的基礎(chǔ)上待測(cè)樣本的氮含量進(jìn)行測(cè)定；該方法的步驟如下一，校正模型的建立1)選擇各種品種、同個(gè)品種不同樹齡的茶樹作為校正集樣本，通過3CCD多光譜攝像儀獲得茶樹冠層的多光譜圖像，獲得的圖像經(jīng)過去噪提高圖像質(zhì)量，再經(jīng)過背景分離得到研究對(duì)象的圖像，基于標(biāo)準(zhǔn)反射板和標(biāo)定反射曲線獲得研究對(duì)象的在該光譜波長(zhǎng)下的反射率值；2)采用凱氏定氮法測(cè)定校正集樣本的標(biāo)準(zhǔn)氮含量；3)運(yùn)用多元校正算法建立校正集樣本的多光譜波長(zhǎng)下的反射率值即多光譜圖像的特征參數(shù)與校正集樣本的標(biāo)準(zhǔn)氮含量之間的定量關(guān)系，即建立了校正模型；二、在校正模型的基礎(chǔ)上對(duì)待測(cè)樣本的氮含量進(jìn)行測(cè)定對(duì)于預(yù)測(cè)樣本，只要用多光譜攝像儀獲得對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)處的多光譜圖像，經(jīng)過圖像接收板送入計(jì)算機(jī)，經(jīng)過去噪算法提高圖像質(zhì)量，再經(jīng)過背景分離得到研究對(duì)象的圖像，基于標(biāo)準(zhǔn)反射板和標(biāo)定反射曲線獲得研究對(duì)象的在該光譜波長(zhǎng)下的反射率值。把該反射率值輸入校正模型，經(jīng)過校正模型的測(cè)定即得到了該樣本的氮含量。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種多光譜成像技術(shù)快速無損測(cè)量茶樹含氮量的方法。首先由3CCD多光譜成像儀采集校正樣本的多光譜圖像信息，建模樣本(茶樹)的氮含量由國(guó)標(biāo)規(guī)定的方法測(cè)量得到。得到的圖像經(jīng)過去噪算法提高圖像質(zhì)量，再經(jīng)過背景分離得到研究對(duì)象的圖像，基于標(biāo)準(zhǔn)反射板和標(biāo)定反射曲線獲得研究對(duì)象的反射率值(即特征參數(shù))。通過多元校正算法建立茶樹多光譜圖像的特征參數(shù)與茶樹含氮量的定量關(guān)系，建立校正模型。然后把待測(cè)樣本的多光譜圖像的特征參數(shù)輸入校正模型，經(jīng)過校正模型的測(cè)定即得到了該茶樹的氮含量。3CCD多光譜成像儀通過RS－232接口與圖像接收板連接；圖像接收板安裝在計(jì)算機(jī)上。本發(fā)明用于快速、準(zhǔn)確、非破壞性、在線測(cè)量茶樹氮含量。
文檔編號(hào)G06F17/00GK101059427SQ20071006911
公開日2007年10月24日 申請(qǐng)日期2007年5月29日 優(yōu)先權(quán)日2007年5月29日
發(fā)明者何勇, 李曉麗, 裘正軍, 馮雷, 陸江峰, 黃敏 申請(qǐng)人:浙江大學(xué)