基于多光谱图像的植物叶片水分含量的检测方法及系统

技术领域

本发明涉及一种植物叶片水分含量的检测领域，尤其涉及一种基于多 光谱图像的植物叶片水分含量的检测方法及系统。

背景技术

胁迫是指一种显著偏离于植物最适生活条件的环境条件。水分胁迫是 指环境中水分不足-干旱，或水分过多-洪涝。世界上约有30％以上的土 地属于干旱和半干旱地区，干旱严重影响植物的生长发育，并使生态环境 日益恶化。如何开发利用干旱、半干旱地区种植植物，已成为一个亟待解 决的问题。水分胁迫对植物产生的影响以及植物对此所产生的反应与适应 是植物生理生态学研究的重要课题之一，无论从农业发展或是植物生理生 态学理论的发展来说，植物水分胁迫的检测特别是干旱胁迫是非常重要 的。

目前在国内，植物水分胁迫的检测手段相对落后，绝大部分靠农民长 期积累的经验进行感官识别判断，这种主观评定方法受个人经验、色彩分 辨力和光线等条件的影响，而且大多数停留在定性判断上，其客观性、准 确性较差，容易引起因作物的缺水而导致减产等。植物水分胁迫的快速、 无损检测技术综合运用了计算机和光电传感器等高新技术，目前已引起了 国内外相关领域的高度重视，迄今为止已经出现了诸如声学检测、叶绿素 荧光技术、光谱检测技术、以及机器视觉等技术。

可见及近红外多光谱成像技术是一种能够同时采集可见光谱和红外 光谱等波段数字图像并进行分析的技术。它结合了光谱分析技术(敏感波 段提取)和计算机图像处理技术的长处，同时可以弥补光谱仪抗干扰能力 较弱和RGB图像感受范围窄的缺点。针对各种生长环境下植物叶片的不 同形态特征，利用可见及近红外多光谱成像技术，获取可见及红外光谱图 像中植物叶片的颜色、形状以及纹理等信息，对植物叶片的水分含量进行 准确、快速、无损、实时的检测。

公布号为“CN 1715880A”的发明专利申请涉及一种便携式植物氮素 和水分含量的无损检测方法及测量仪器，该系统包括4波长光谱测量装置， 其中4波长光谱测量装置中光源和检测器相对设置，并在光源和检测器之 间放置中性参比样或待测叶片，光源和检测器分别与微控制器电连接，微 控制器与串行口电路相连接，还分别与显示器和键盘相连接。该检测方法 利用所检测的数据I₀与I，计算出I₀与I各波长检测光对鲜叶片的透过率 T(T＝I/I₀)，然后利用化学计量算法计算出叶片中的叶绿素、水分和反映氮 素水平的相对含量值NI。本发明虽然能实现水分的快速、无损检测，但 误差较大。

公布号为“CN 101949825A”的发明专利申请公开了一种光开放环境 下的叶片水分近红外无损检测装置，包括：调制光源，用于向叶片发射按 交流规律调制了光线光强的交流光信号；检测电路，将透过叶片的交流光 信号转换为光谱数据；计算处理设备，用于从所述光谱数据中计算出叶片 的水分浓度，还公开了一种光开放环境下的叶片水分近红外无损检测方 法，包括：将两种预定波长的光线，第一光线和第二光线先后通过光纤照 射到叶片表面；将透射过叶片的两种光线转换为第一光谱数据和第二光谱 数据；根据两种光谱数据计算叶片的水分浓度，此发明申请虽能使得叶片 水分的检测更为精确，但是操作计算过程较为复杂。

发明内容

本发明提供了一种基于多光谱图像的植物叶片水分含量的检测方法 及系统，通过引入多光谱图像分析技术以及图像处理技术，可实现植物叶 片的水分含量的准确、快速、无损、实时检测。

一种基于多光谱图像的植物叶片水分含量的检测方法，包括以下步 骤：

a、获取样本植物叶片的绿光波段、红光波段和近红外波段的单色图 像；

b、获取所述单色图像的灰度信息，并根据所述近红外波段的单色图 像获取所述样本植物叶片的灰度纹理特征量；

c、将所述灰度信息转化为所述样本植物叶片的反射率信息，通过反 射率信息获取叶片植被指数值；

d、以所述灰度纹理特征量和所述叶片植被指数值为输入向量，以样 本植物叶片的实测水分含量值为输出向量，建立基于多元线性回归的模 型；

e、按照步骤a～c的操作获取待测植物叶片的灰度纹理特征量和叶片 植被指数值，带入步骤d中所述模型，即得所述待测植物叶片的水分含量 值。

所述步骤a中，绿光波段波长为490～570nm，红光波段波长为 600～700nm，近红外波段波长为750～850nm。

所述步骤b中，由于近红外图像能将物体从背景中分离出来，首先采 用中值滤波法对所述近红外波段的单色图像进行预处理，然后对预处理后 所述近红外波段的单色图像进行分割，以确定植物叶片在所述近红外波段 的单色图像中的位置；根据植物叶片在所述近红外波段的单色图像中的位 置，分别确定植物叶片在所述绿光波段的单色图像以及所述红光波段的单 色图像中的位置；再分别计算绿光波段、红光波段和近红外波段的单色图 像中植物叶片位置的灰度值，即所述单色图像的灰度信息。

所述灰度纹理特征量由所述近红外波段的单色图像提取分析得出，所 述灰度纹理特征量包括对比度、相关性、能量和一致性，是四个基于灰度 共生矩阵的纹理特征量(可参见：薄华，马缚龙，焦李成.2006.“图像纹 理的灰度共生矩阵计算问题的分析”《电子学报》34，155-158，134.)，其中 所述对比度反映灰度、色度、饱和度局部变化情况，所述相关性反映了图 像纹理的细致程度，所述能量是图像的均衡性或平滑性量度，所述一致性 是指图像灰度值、图像的频率特征等的一致性。

所述步骤c中，所述植被指数是用于表征地表植被和生长状况的度量 参数，与植物叶片水分含量具有相关性，所述植被指数包括归一化植被指 数、绿色归一化植被指数和比值植被指数，其中所述归一化植被指数为近 红外通道与所述红光通道反射率之差与之和的商，所述绿色归一化植被指 数为近红外通道与绿光通道反射率之差与之和的商，比值植被指数为近红 外通道与绿光通道反射率的比值，所述通道是指工作波段。

所述步骤d中，所述样本植物叶片的实测水分含量值一般可以采用烘 干称重法获取。

所述多元线性回归是一种较为广泛使用的多元校正方法，它通过对自 变量权重的优化，提高回归模型的解释能力和预测效果，能较好地解决多 变量的线性回归问题。采用所述多元线性回归建模方法建立模型，能够保 证所述模型的精确性。

图像的分割质量直接决定了水分特征提取和所述模型的精度，优选二 维最大信息熵阈值分割法对所述近红外波段的单色图像进行背景分割，进 而获取所述灰度信息和灰度纹理特征量，由于最大熵阈值分割法综合利用 了像素点的灰度信息和临域空间信息，较传统图像分割法更有优势。

所述灰度信息转化为反射率信息的方法，优选为灰度-反射率校正板 法(可参见：冯雷，方慧，周伟军，黄敏，何勇.2006.“基于多光谱视觉传 感技术的油菜氮含量诊断方法研究”《光谱学与光谱分析》26，1749-1752.)， 此法可简单、快速地将灰度值转化为反射率。

基于以上所述优选方法，优选的植物叶片水分含量测量模型为：

Y＝-278.14x₁-14.54x₂+5.65x₃-535.85x₄+33.76x₅+6.75x₆-2.04x₇+588.97

其中，x₁，x₂，...x₇分别为归一化植被指数，绿色归一化植被指数， 比值植被指数，对比度，相关性，能量和一致性；Y为植物叶片水分含量 值。这里的对比度，相关性，能量和一致性即是指所述灰度纹理特征量中 的对比度、相关性、能量和一致性。

本发明还提供了一种基于所述检测方法的检测系统，包括用于获取所 述单色图像的可见及近红外多光谱成像仪以及用接收所述单色图像并结 合实测水分含量值建立模型的计算机。

所述可见及近红外多光谱成像仪与计算机之间通过图象采集卡传输 数据。

所述的可见及近红外多光谱成像仪优选为美国Redlake公司的 MS3100Duncan Camera，可实现对不同波段图像的同步获取，有利于各独 立波段图像特征的提取，因无需进行图形配准，也易于实现多光谱图像的 像素级运算。

所述的图象采集卡优选为美国National Instrument公司的PCI1424或 1428数据采集卡，PCI1424或1428数据采集卡不仅与MS3100Duncan Camera相匹配，同时能满足图像采集通道数、采样率和分辨率等需要。

所述的可见及近红外多光谱成像仪采集图像所用光源优选为自然光， 采用自然光能够使采得的图像光线均匀，与卤素灯等人造光源相比，采用 自然光得到的图像能够更好得进行后续的图像预处理等分析，并且无需对 光源进行人为的调节等，而且方便田间操作。

所述可见及近红外多光谱成像仪可通过设置可调节角度、高度、移动 底座的三脚架或安装有可调节机械伸展臂高度、角度的车辆等固定装置进 行固定，分别用于温室及田间使用。

相对于现有技术，本发明具有以下优点：

(1)功能强大，可实现植物叶片水分含量的快速、稳定、非破坏性 的诊断，并且做到尽可能地早期检测；

(2)准确度高，整个系统受外界环境干扰小，所建立的模型对水分 预测准确度高。

(3)运算速度快，植物叶片水分检测模型一旦建立以后，可实现农 田植物水分信息的实时获取与诊断。

(4)系统简单，整个检测系统只由一个可见及近红外多光谱成像系 统和一台计算机组成，；

(5)使用方便，当检测系统的各组件都连接完毕后，最后的图像采 集分析工作通过图像分析处理软件完成。

附图说明

图1是本发明植物叶片水分含量的检测方法流程图；

图2是模型验证时20个样本叶片的实测水分含量值与拟合值之间的 关系。

具体实施方式

本发明用于检测植物叶片水分的系统包括可见及近红外多光谱成像 仪和计算机，可见及近红外多光谱成像仪与计算机之间通过图象采集卡传 输数据，图像采集卡连接于可见及近红外多光谱成像仪上，可见及近红外 多光谱成像仪通过RS-232串口线及图象采集卡数据线和计算机连接，所 述计算机设有图像处理软件，其中，可见及近红外多光谱成像仪为美国 Redlake公司的MS3100Duncan Camera，底部设有可调节角度、高度、移 动底座的三脚架，镜头垂直向下采集图像信息，图象采集卡为美国National  Instrument公司的PCI1424或1428数据采集卡，可见及近红外多光谱成像 仪采集图象所用光源为自然光。

利用可见及近红外多光谱成像仪获取72个植物叶片的在绿光波段 (550nm)、红光波段(650nm)、近红外波段(800nm)三个波段通道的 单色图像，所述单色图像通过图象采集卡传输至计算机，通过计算机上的 图像处理软件获取72个植物叶片的灰度纹理特征量(对比度、相关性、 能量和一致性)和植被指数值(归一化植被指数，绿色归一化植被指数和 比值植被指数)，其中52个植物叶片作为样本植物叶片，其灰度纹理特征 量和植被指数值用于模型的校正。

在建模过程中，以52个样本植物叶片的四种灰度纹理特征量和三种 类型的植被指数作为模型的输入，以叶片的水分含量为输出，对灰度纹理 特征量、植被指数与叶片水分含量之间进行基于多元线性回归理论的数值 拟合，可得以下模型：

Y＝-278.14x₁-14.54x₂+5.65x₃-535.85x₄+33.76x₅+6.75x₆-2.04x₇+588.97

其中，x₁，x₂，...x₇分别对应归一化植被指数，绿色归一化植被指数， 比值植被指数，对比度，相关性，能量和一致性；Y为叶片水分含量值。

以其余20个植物叶片作为待测植物叶片，将其灰度纹理特征量和植 被指数值代入上述模型，得出拟合水分含量值；同时，利用烘干称重法获 取20个待测植物叶片的实测水分含量值，如下表所示：

建立以上所述20个待测植物叶片的拟合水分含量值与烘干称重法测 量的水分含量值之间的相关关系模型，如图2所示，拟合水分含量值与实 测水分含量值之间的相关系数是0.71，模型预测均方差是1.31，模型预测 偏差是0.19。