CN101059427A

CN101059427A - 多光谱成像技术快速无损测量茶树含氮量的方法

Info

Publication number: CN101059427A
Application number: CN 200710069116
Authority: CN
Inventors: 何勇; 李晓丽; 裘正军; 冯雷; 陆江峰; 黄敏
Original assignee: Zhejiang University ZJU
Current assignee: Zhejiang University ZJU
Priority date: 2007-05-29
Filing date: 2007-05-29
Publication date: 2007-10-24

Abstract

本发明公开了一种多光谱成像技术快速无损测量茶树含氮量的方法。首先由3CCD多光谱成像仪采集校正样本的多光谱图像信息，建模样本(茶树)的氮含量由国标规定的方法测量得到。得到的图像经过去噪算法提高图像质量，再经过背景分离得到研究对象的图像，基于标准反射板和标定反射曲线获得研究对象的反射率值(即特征参数)。通过多元校正算法建立茶树多光谱图像的特征参数与茶树含氮量的定量关系，建立校正模型。然后把待测样本的多光谱图像的特征参数输入校正模型，经过校正模型的测定即得到了该茶树的氮含量。3CCD多光谱成像仪通过RS－232接口与图像接收板连接；图像接收板安装在计算机上。本发明用于快速、准确、非破坏性、在线测量茶树氮含量。

Description

多光谱成像技术快速无损测量茶树含氮量的方法

技术领域

本发明涉及用光学手段分析材料的方法，尤其是涉及一种多光谱成像技术快速无损测量茶树含氮量的方法。

背景技术

氮素营养诊断是茶树营养诊断的核心。氮肥是全世界施用量最大的一类化学肥料，同时也是推荐施肥中最难于准确定量的一种肥料。究其原因，主要是由于缺乏能够准确、迅速、经济地判断作物氮营养状况及确定氮肥需要量的测试方法。长期以来，作物的氮营养诊断和氮肥的推荐施肥都是以实验室常规测试为基础。目前，一般采用凯氏定氮法来测定植物中的氮含量，但测量十分费时和复杂，且需要叶片离体和预处理，不能直接在油菜生长期间进行在线测量。而其它传统测试手段在取样、测定、数据分析等方面也需要耗费大量的人力、物力，时效性差，且通常是破坏性检测，不利于推广应用。

发明内容

为了更加科学合理的给茶树施肥，需要一种无损、快速、实时的茶树含氮量测量方法。本发明的目的是提供了一种多光谱成像技术快速无损测量茶树含氮量的方法，能对茶树氮含量进行快速、准确、非破坏性的在线测量的方法。

本发明采用的技术方案是：

首先建立茶树氮含量校正模型，然后在校正模型的基础上未知样本的氮含量进行测定；该方法的步骤如下：

一、校正模型的建立：

1)收集各种品种、同个品种不同树龄的茶树作为校正集样本，通过3CCD多光谱摄像仪获得茶树冠层的多光谱图像，获得的图像经过去噪提高图像质量，再经过背景分离得到研究对象的图像，基于标准反射板和标定反射曲线获得研究对象的在该光谱波长下的反射率值；

2)采用凯氏定氮法测定校正集样本的标准氮含量；

3)运用多元校正算法建立校正集样本的多光谱波长下的反射率值即多光谱图像的特征参数与校正集样本的标准氮含量之间的定量关系，即建立了校正模型；

二、在校正模型的基础上预测样本的氮含量进行测定：

对于预测样本，只要用多光谱摄像仪获得对应波长处的多光谱图像，经过图像接收板送入计算机，经过去噪算法提高图像质量，再经过背景分离得到研究对象的图像，基于标准反射板和标定反射曲线获得研究对象的在该光谱波长下的反射率值。把该反射率值输入校正模型，经过校正模型的测定即得到了该的氮含量。

所以本发明只要在有代表性的茶树样本的基础上建立了校正模型就可以实验对未知氮含量茶树的氮含量进行快速、无损、实时、在线的测定。

本发明与背景技术相比，具有的有益效果是：

(1)功能强大，可实现对茶树氮含量的快速、准确、非破坏性、在线的测定。

(2)结构简单，整个测量装置只由一个3CCD多光谱成像仪、一个图像接收板、一台计算机、车载蓄电池、逆变电源转换器、一块标定板和一辆装有机械臂的敞篷车组成。

(3)使用方便，只要将测量装置中的各组成部件按照要求连接起来，对待测量的茶树的多光谱图像进行获取，然后将提取出来的特征信息输入校正模型即可完待测量的茶树的氮含量的测定。

(4)具有良好的经济效益，传统的测量手段在取样、测定、数据分析等方面需要耗费大量的人力、物力，且效性差，本发明因结构简单、制作方便，可以快速、准确的测量茶树氮含量，从而实现实时、无损检测茶树氮素营养水平。

附图说明

附图是多光谱成像技术快速无损测量茶树含氮量的方法的原理框图。

具体实施方式

本系统由3CCD多光谱成像系统、计算机、图像接收板、标定板、敞篷车、机械臂及电源组成。在一辆敞篷车上安装了可将3CCD多光谱成像仪伸展到俯视田间作物位置的机械臂，其最长伸展长度距离为3.5米，最大离地高度为3.5米。车上装备有车载蓄电池和逆变电源转换器，可以为3CCD多光谱成像仪和计算机提供220V交流电。多光谱成像仪将摄入光源经过滤，实时分离成绿(550nm)，红(650nm)，近红外(800nm)三个波段通道的单色图像，通过数据接收板把图像传输给计算机。

本发明的工作原理如附图所示：

1)获得茶叶及标定板的3CCD多光谱图像。选择各种品种、同个品种不同树龄的茶树建立校正集样本，用3CCD多光谱成像仪来采集茶树的冠层多光谱图像和标定板的多光谱图像信息，多光谱成像仪将摄入光源经过滤，实时分离成绿(550nm)，红(650nm)，近红外(800nm)三个波段通道的单色图像，然后通过RS-232接口送到图像接收板，在经由图像接收板输入计算机中。

2)获得的图像经过去噪和图像处理来消除背景土壤的影响和外界条件包括太阳光照射强度变化、风、系统移动等造成的误差，得到高质量的图像信息。再经过背景分离去除图中的泥土、树枝等杂物，得到研究对象(茶树冠层)的图像，计算图中冠层叶片和标定板各自的灰度平均值，由于标定板的反射率值是已知的，所以可以基于标定板的灰度平均值建立反射率标定曲线，把茶叶冠层的平均灰度值带入反射率标定曲线，即可算出茶叶冠层的平均反射率。

3)采用凯氏定氮法测定校正集样本的标准氮含量；校正集样本经过图像采集步骤之后，就被用于凯氏定氮法测定校正集样本标准氮含量。

4)对于校正集样本，基于已知的冠层反射率和凯氏定氮法测定的标准氮含量运用多元校正回归算法(偏最小二乘回归、多元线形回归、神经网络、支持向量机等)建立校正模型。校正集样本的多光谱波长下的反射率值作为多元校正回归的自变量，校正集样本的标准氮含量作为因变量，寻找自变量与因变量之间的定量关系，即建立了校正模型；

二、在校正模型的基础上对待测样本的氮含量进行测定：

对于待测样本，只要用多光谱摄像仪获得待测样本和标定板的多光谱图像，经过图像接收板送入计算机，经过去噪算法提高图像质量，再经过背景分离得到研究对象(茶树冠层)的图像，基于标定板和标定反射曲线获得预测样本的冠层平均反射率值。把该反射率值输入校正模型，经过校正模型的测定即得到了预测样本的氮含量。

Claims

1、一种多光谱成像技术快速无损测量茶树含氮量的方法，其特征在于首先建立茶树氮含量校正模型，然后在校正模型的基础上待测样本的氮含量进行测定；该方法的步骤如下：

一，校正模型的建立：

1)选择各种品种、同个品种不同树龄的茶树作为校正集样本，通过3CCD多光谱摄像仪获得茶树冠层的多光谱图像，获得的图像经过去噪提高图像质量，再经过背景分离得到研究对象的图像，基于标准反射板和标定反射曲线获得研究对象的在该光谱波长下的反射率值；

2)采用凯氏定氮法测定校正集样本的标准氮含量；

二、在校正模型的基础上对待测样本的氮含量进行测定：

对于预测样本，只要用多光谱摄像仪获得对应波长处的多光谱图像，经过图像接收板送入计算机，经过去噪算法提高图像质量，再经过背景分离得到研究对象的图像，基于标准反射板和标定反射曲线获得研究对象的在该光谱波长下的反射率值。把该反射率值输入校正模型，经过校正模型的测定即得到了该样本的氮含量。