[发明专利]基于可视图像光谱探测技术的植物叶片健康检测系统

说明书

技术领域

本发明涉及农业领域，涉及植物叶片健康检测系统，特别涉及一种基于可视图像光谱探测技术的植物叶片健康检测系统。

背景技术

植物病虫害是植物生长的头号天敌，不仅会导致经济作物的质量和产量下降，还会引起农药等化学药品无针对性的大量投入，导致的后果不仅对正常植物造成伤害，而且也带来农药残留、人体重金属离子积累等危害人类健康的问题。因此如何快速准确的对患病植物做出检测，实现针对式治疗及预防，是当下农业领域的研究热门。

传统针对植物病虫害检测的方式主要有两种，一是由人工判断，二是通过酶活性化学进行检测，这两种方式都存在缺点。通过人工判断容易受自身因素和外在天气因素影响，如检测人员自身的健康状况、阳光照明情况等主客观因素；化学检测则对使用者的技术要求高，同时往往需要采摘活体叶片进行离体检测，时效性较差，而且破坏活体叶片，不能达到无损检测的要求。

健康的绿色植物，在可见光的照射下叶子会强烈吸收蓝区和红区的能量，而强烈反射绿区能量。遭受病虫害的植物会减少甚至停止叶绿素的产生，这导致叶绿素的蓝区和红区吸收带减弱，“红区位置”将向短波方向移动，故“红区位置”可以成为指示植物受病虫害的重要光谱特征参数。

利用多光谱或高光谱成像是目前植物病虫害检测较为常用的两种无损检测技术。早在20世纪60年代，多光谱成像技术就已经有学者提出，但该技术仅能简单探测可见光和近红外区域的几个波段，且光谱分辨率只有Δλ/λ＝0.1数量级，这无法满足植物病虫害早期的预防检测工作需求；高光谱成像技术相比多光谱，可探测的光谱范围大大增大，可以在较宽光谱范围内连续采集图像，光谱分辨率也提升为Δλ/λ＝0.01数量级。然而高光谱成像所成的图像光谱数据是图谱合一的海量数据源，图像光谱数据的大小随光谱分辨率数量级的提高而指数增长，数据存储和分析比较困难，同时，高光谱图像检测需要进行光谱维的扫描，因此检测的速度较慢，这对于数据存储和分析，尤其对于数据分析实时性要求较高的场合，是一个很大的困难与挑战。

而实际上，对于植物病虫害的检测并不需要对整株植物所有叶片都进行探测，往往只需针对性的对叶子上一个或几个特征区域进行探测分析即可。

发明内容

本发明为解决现有的基于光谱探测的植物健康诊断系统探测速度慢、分辨率不足、数据存储及分析困难的问题，提供了一种基于可视图像光谱探测技术的植物叶片健康检测系统，该系统无需对所有的像素点进行光谱测量，这不仅提高了单次探测速度，也能将光谱分辨率提高到Δλ/λ＝0.0001数量级，满足植物早期病虫害预防检测工作的精度需求。

为实现以上发明目的，采用的技术方案是：

一种基于可视图像光谱探测技术的植物叶片健康检测系统，包括图像光谱探测部件、照明部件和第一暗箱，图像光谱探测部件、照明部件安装在第一暗箱内；其中图像光谱探测部件包括镜头、光分束立方体、面阵CCD相机、DMD数字微镜元件、会聚透镜组、光纤耦合器、光纤、光纤光谱仪和计算机，其中面阵CCD相机、DMD数字微镜元件和光纤光谱仪与计算机连接，光纤光谱仪通过光纤与光纤耦合器连接；DMD数字微镜元件中的微镜单元有“开”、“关”两种状态；

图像光谱探测部件在运行时，植物叶片的图像信号通过镜头后形成入射光信号，入射光信号经过光分束立方体后在空间中以大角度分成两束，其中一束光信号聚焦至CCD相机进行图像探测，另一束光信号聚焦至DMD数字微镜元件，DMD数字微镜元件上处于“开”状态的微镜单元将光信号反射至会聚透镜组，通过会聚透镜组的光信号经光纤耦合器耦合进入光纤光谱仪进行光谱探测。

使用本发明提供的检测系统时，先将检测系统移动到待测植物的顶部再使待测植物从第一暗箱的底部开口进入第一暗箱，然后使用本发明提供的检测系统对待测植物进行检测。检测的具体工作原理如下：

面阵CCD相机采集植物叶片的光信号并将采集的光信号传输至计算机，计算机对光信号进行处理后获得图像信息并将图像信息进行显示，用户根据显示的图像信息，分析植物是否患病虫害以及病虫害的类型，若植物患病虫害，在确定植物所患的病虫害之后，在图像信息中选取植物叶片患病部位的像素区域，并通过计算机控制DMD数字微镜元件使患病部位像素区域对应的微镜单元切换至“开”状态，同时其他无关像素单元切换至“关”状态，即可通过光纤耦合器采集患病部位像素区域的光信号并将采集的光信号经光纤传输至光纤光谱仪进行光谱测量，再将光谱信息传输至计算机进行显示和分析，用户将获得的光谱信息与相应植物病虫害光谱数据库做对比，即可得到待测植物的健康状态。