[发明专利]一种环境可控的作物营养水分高光谱图像检测装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种环境可控的作物营养水分高光谱图像检测装置，尤其是能够利用作物的可见光-近红外高光谱图像特征，结合对环境信息的实时检测和调控，可以实现对不同环境条件下的作物营养和水分进行在线检测和实验研究的自动化装置。

背景技术

目前，公知的作物的营养诊断都是以实验室常规测试为主，主要有形态诊断法、叶色卡片法、化学诊断法、肥料窗口施用诊断法和酶学诊断法等。而作物的水分胁迫检测也以实验室分析为主。这些传统的测试手段通常会对作物产生破坏、影响作物生长，而且在取样、测定、数据分析等方面需要耗费大量的人力、物力，时效性差，不利于推广应用。无损检测技术是指在不破坏植物组织结构的基础上，利用各种手段对作物的生长、营养状况进行监测。这种方法可以迅速、准确、自动化、非破坏性的对作物营养状况进行监测，被认为是极有发展前途的作物营养诊断技术，是实施精确农业迫切需要的高新技术。作物营养和水分无损监测与检测的研究主要集中在光谱诊断、计算机视觉诊断等方面。

作物营养缺乏和过剩是会引起作物叶片表面和内部组织生理特性改变，从而引起作物叶片和冠层对光谱的反射特性发生改变。基于这一原理，可以利用作物营养的光谱特征波长和植被指数来反演作物的营养状态，如申请号为200510088935.0的发明专利申请，发明了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，通过检测植株叶片在四个特征波长处的光谱反射强度信息来进行植物的营养诊断，利用对四个波长植被指数的反演来获取植物的氮素和含水率信息。申请号为200820078489.4的实用新型专利申请，公开了一种氮反射指数检测仪，利用作物叶片在两个特定波长处的光谱反射信息作为氮反射指数，进而推断作物的产量和品质。申请号为200510088935.0的发明专利申请，发明了一种植物叶片生理指标的无损检测方法，可以利用380nm-1100nm的光谱反射信息对叶绿素、叶黄素，氮素和水分等进行检测。目前，作物营养和水分等营养信息光谱诊断的专利所涉及的研究方法，光谱信息采集均采用的是点源采样方式，无法对作物营养和水分的光谱区域分布特征进行研究，且易受背景及光照等环境因素的影响，导致直接利用光谱技术进行营养检测精度不高。

计算机视觉成像由于其视角范围适中且分辨率较高，可获取整个叶片或冠层的不同区域的图像和光反射信息，能够反映叶片或冠层的不同区域由于反射特性差异引起的分布规律的变化，可获得较多的作物信息，是一种发展很快的无损检测技术。申请号为200710069116.0的发明专利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。申请号为200510062298.X的发明专利申请和申请号为200520134360.7的实用新型专利申请，公布了一种油菜氮素营养多光谱图像诊断方法及诊断系统。上述系统均采用3CCD多光谱摄像系统作为视觉采集装置，在计算机的控制下，通过3CCD多光谱摄像系统采集植株冠层多光谱图像信息，能够非破坏性的诊断植株的氮素营养状况。此类系统虽然能够通过对植株冠层多光谱图像的颜色和纹理特征的分析，来诊断植物的营养状况，但由于可选波长有限，且受作物光强和温湿度等环境因子的影响较大，因此，很难做到对作为营养和水分特征进行精确分析和有效提取。

尽管地物光谱技术可以较便捷地进行植被指数检测，可获得作物养分与光谱反射率或其演生量的关系，可见光视觉图像或近红外视觉图像颜色和纹理特征的组合在一定程度上也能表征作物营养水平。但由于受采样方式和分辨率以及外界环境因素的影响，目前还很难做到对作物营养和水分的高精度定量分析。

发明内容

针对目前作物营养和水分诊断所存在的问题，本发明的目的是提供一种基于可见光-近红外高光谱图像技术，且检测环境稳定可控的作物营养和水分在线检测装置，通过对光照、温度、湿度等检测环境进行标准值预设，既能够为对作物营养和水分的高光谱检测提供稳定的检测环境；同时，通过对环境信息的调控，可以对不同环境条件下的作物营养和水分的高光谱图像特征进行研究。通过对可见光-近红外高光谱图像特征的优化，并结合环境监测信息，能够有效降低系统检测时由于光强等环境因子变化所产生的误差影响，实现对作物营养和水分信息的高精度的快速在线检测。