張曉東++李立++高洪燕++孫俊++蘇辰

doi：10.15889/j.issn.1002-1302.2016.10.0111

摘要：針對(duì)設(shè)施番茄的氮營(yíng)養(yǎng)探測(cè)，利用高光譜成像結(jié)合三維激光掃描技術(shù)，提取了番茄氮素的高光譜特征圖像和植株的三維形態(tài)特征，實(shí)現(xiàn)了番茄氮素的快速定量分析?；讷@取的不同氮素水平番茄的高光譜圖像數(shù)據(jù)立方體，利用敏感區(qū)域逐步回歸，結(jié)合相關(guān)分析，提取了氮素的特征譜段，獲取了特征圖像強(qiáng)度均值特征；基于獲取的番茄三維激光掃描數(shù)據(jù)，通過(guò)建立番茄三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)的空間幾何模型，獲取了不同氮素水平番茄的莖粗、株高和生物量特征；采用PLSR建立了多特征融合番茄氮素檢測(cè)模型，結(jié)果表明，所建立的模型的R為0.94，模型精度明顯優(yōu)于采用高光譜圖像和三維激光掃描單一特征模型。

關(guān)鍵詞：番茄；氮素；高光譜圖像；三維形態(tài)；多特征融合；檢測(cè)模型

中圖分類號(hào)： S126；S641.206文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A文章編號(hào)：1002-1302（2016）10-0379-03

收稿日期：2015-08-11

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目（編號(hào)：61233006）；國(guó)家科技支撐計(jì)劃（編號(hào)：2014BAD08B03）；中國(guó)博士后科學(xué)基金（編號(hào)：20100481097）；江蘇高校優(yōu)勢(shì)學(xué)科建設(shè)工程資助項(xiàng)目[編號(hào)：蘇政辦發(fā)（2011）6號(hào)]；江蘇省農(nóng)業(yè)裝備與智能化高技術(shù)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目（編號(hào)：BM2009703）；江蘇大學(xué)高級(jí)專業(yè)人才基金（編號(hào)：10JDG081）；江蘇大學(xué)博士后基金。

作者簡(jiǎn)介：張曉東（1970—），男，河南洛陽(yáng)人，博士，副研究員，主要從事高光譜和機(jī)器視覺(jué)技術(shù)在設(shè)施作物生長(zhǎng)信息檢測(cè)應(yīng)用方面的研究。E-mail：zxd700227@126.com。目前我國(guó)設(shè)施面積已達(dá)380萬(wàn)hm2，其中番茄種植面積186萬(wàn)hm2，產(chǎn)量已占世界產(chǎn)量的近1/3，但由于缺乏先進(jìn)科學(xué)的營(yíng)養(yǎng)調(diào)控方法，設(shè)施番茄的氮肥利用效率僅為35%，不及設(shè)施發(fā)達(dá)國(guó)家的1/2；因此對(duì)番茄生長(zhǎng)過(guò)程信息進(jìn)行精確監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)基于作物生長(zhǎng)需求反饋的精確調(diào)控具有現(xiàn)實(shí)意義。

目前替代傳統(tǒng)人工和化學(xué)測(cè)定的高光譜遙感、視覺(jué)圖像等作物氮素的無(wú)損探測(cè)方法，因其具有快速性和時(shí)效性，且不影響作物生長(zhǎng)等優(yōu)勢(shì)，已有許多相關(guān)研究，并取得了一些成果[1-4]。但研究大多僅針對(duì)氮素豐缺導(dǎo)致的反射特性差異進(jìn)行氮素診斷，而作物氮素豐缺會(huì)直接導(dǎo)致其生物量、莖粗和植株高度等的差異，因而同樣可以作為有效特征進(jìn)行作物氮素的反演；與傳統(tǒng)的視覺(jué)圖像和接觸式的測(cè)量方法相比，三維激光掃描能夠同步獲取植株的整體形貌特征，且精度較高，可實(shí)現(xiàn)作物長(zhǎng)勢(shì)綜合特征的精確提取和分析。本研究提出將高光譜成像和三維激光掃描技術(shù)相結(jié)合，充分利用氮素豐缺導(dǎo)致的番茄葉片尺度的高光譜圖像特征，以及冠層尺度的生物量、株高、莖粗等形態(tài)特征差異，通過(guò)多尺度多特征信息融合進(jìn)行番茄氮素的定量分析，有效提高了番茄氮素營(yíng)養(yǎng)的檢測(cè)精度，為設(shè)施水肥精確管理提供了科學(xué)依據(jù)。

1材料與方法

1.1樣本培育

試驗(yàn)于2014年9月至2014年12月期間在江蘇大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備與技術(shù)省部共建重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的Venlo型現(xiàn)代化玻璃溫室進(jìn)行。為實(shí)現(xiàn)對(duì)番茄氮素的精確控制，采用無(wú)土栽培；在保證其他營(yíng)養(yǎng)元素均衡的條件下，對(duì)氮素進(jìn)行精確控制，以獲取不同氮素水平的番茄樣本。

選取的試驗(yàn)品種為合作903大紅番茄。根據(jù)山崎配方配置營(yíng)養(yǎng)液[5]，樣本分N1、N2、N3、N4、N5組5個(gè)氮素水平處理，配置標(biāo)準(zhǔn)配方中N的濃度分別為0%、50%、100%、150%、200%的營(yíng)養(yǎng)液（均為質(zhì)量分?jǐn)?shù)），每個(gè)水平10株，共50株樣本。

1.2試驗(yàn)方法

1.2.1高光譜圖像采集與處理利用高光譜圖像采集系統(tǒng)采集番茄葉片的高光譜圖像數(shù)據(jù)[6]，設(shè)定高光譜成像的曝光時(shí)間為900 ms，掃描速度為1.25 mm/s，以保證圖像的清晰且不失真；之后進(jìn)行黑場(chǎng)和白場(chǎng)標(biāo)定，設(shè)定強(qiáng)度區(qū)間在0～4 000；高光譜圖像數(shù)據(jù)的采集是基于Spectral Cube軟件平臺(tái)；采樣光譜區(qū)間為390.8～1 050.1 nm，分辨率為1.3 nm，同步獲取采樣區(qū)間內(nèi)由512幅不同譜段圖像構(gòu)成的高光譜圖像數(shù)據(jù)立方體。基于ENVI V.4軟件平臺(tái)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

1.2.2番茄長(zhǎng)勢(shì)信息掃描與數(shù)據(jù)獲取采用手持式自定位三維激光掃描儀采番茄的三維形態(tài)，如圖1所示，三維激光掃描儀由計(jì)算機(jī)、Handyscan3D（EXA scan）、FireWire適配器、FireWire電纜、電源等部件組成。該儀器測(cè)量速度25 measures/s，分辨率0.05 mm，精度0.04 mm，拍攝距離300 mm，視野深度±150 mm，激光交叉區(qū)域210 mm×210 mm。進(jìn)行掃描時(shí)，首先在番茄和花盆上粘貼直徑為6 mm的反射目標(biāo)點(diǎn)，番茄植株形態(tài)復(fù)雜，因此兩目標(biāo)點(diǎn)之間的距離控制在20 mm；之后，用三維激光掃描儀測(cè)量校準(zhǔn)板，以校正傳感器參數(shù)；為了保證三維形態(tài)模型清晰，經(jīng)試驗(yàn)分析，設(shè)定激光功率為65%，快門(mén)時(shí)間為7.2 ms，分辨率為0.5 mm。通過(guò)手持掃描的方式，依次獲取所有番茄樣本的三維數(shù)據(jù)。

1.2.3植株氮素測(cè)定樣本含氮量測(cè)定采用凱氏定氮法，利用AA3連續(xù)流動(dòng)分析儀對(duì)樣本進(jìn)行分析，通過(guò)式（1）計(jì)算含氮量[7]。

N=cm×（1-w）×100%。（1）

式中：N為測(cè)試樣本的含氮量（%）；c為樣品液儀器觀測(cè)值（mg）；m為測(cè)試樣本的質(zhì)量（mg）；w為測(cè)試樣本的含水率（%）。

2結(jié)果與分析

2.1番茄氮素高光譜圖像特征提取與分析

2.1.1圖像背景分割為了獲取番茄葉片的高光譜目標(biāo)圖像，本研究利用ENVI軟件，通過(guò)對(duì)目標(biāo)圖像和背景的閾值分析，最終選擇476nm圖像基于雙峰法進(jìn)行閾值分割，分割閾值為187；并將分割后的二值化目標(biāo)圖像進(jìn)行灰度反轉(zhuǎn)，填補(bǔ)殘留，去除孤立噪點(diǎn)；在此基礎(chǔ)上，將原始圖像與處理后的二值化目標(biāo)圖像進(jìn)行像素點(diǎn)相乘，得到番茄樣本的高光譜序列目標(biāo)圖像。