[发明专利]一种基于micro-CT和偏振-高光谱成像多特征融合的番茄苗期水分胁迫检测方法

说明书

本发明公开了一种基于micro‑CT和偏振‑高光谱成像多特征融合的番茄苗期水分胁迫检测方法，采用micro‑CT扫描番茄水分胁迫气孔、海绵体、栅栏组织、纤毛、维管束、根系体积、主根和根毛密度的微观形态特征；利用偏振‑高光谱成像系统获取水分胁迫植株的冠幅、株高、叶倾角等宏观形态特征，以及1450nm水分敏感波长下的叶脉分布、平均灰度、叶缘卷曲阴影面积和0°、45°、90°、135°、180°特征偏振角下1450nm特征图像的偏振态、stock向量、穆勒矩阵变量等宏观形态特征，融合水分胁迫番茄的内外结构、地上地下、宏观微观形态特征与水分胁迫特征波长图像、偏振态特征的相互融合，优势互补，实现对番茄水分胁迫特征的全面精确提取和精确定量分析，为设施水肥一体化的科学管理提供依据。

技术领域

本发明属于设施农业生物综合信息探测技术领域，涉及一种基于micro-CT和偏振-高光谱成像多特征融合的番茄苗期水分胁迫检测技术。

背景技术

目前规模化、产业化、智能化成为设施种植养殖的发展方向，温室种植作物的生长过程的智能监测技术已成为温室生产的关键环节，而植株水分胁迫状态是温室智能化水肥管理的重要依据，传统经验检测法和化学分析、冠气温差、图像检测等植株营养水分检测方法，存在劳动强度大，检测周期长，易受环境干扰检测精度较低等问题，容易出现误判，无法满足要求无法满足现代化设施生产的需求，近年来虽然科技的进一步发展和高科技设备成本的进一步降低，micro-CT技术逐渐在农业工程中出现并有了初步的应用，micro-CT技术能够通过高精度的透视扫描三维成像，能够实现对植株的水分胁迫导致的内外微观形态差异进行精确表型，而偏振-高光谱成像技术则能够对番茄纤毛、表面皱缩等质地微结构等表观颜色/纹理/偏振态等水分胁迫差异进行探测，通过内外特征的融合互补能够实现对番茄水分胁迫的精确探测，对提高温室生产的智能化技术水平具有重要的理论意义和应用价值。

CT技术虽然在医疗检测领域有了广泛的应用，但在设施农业生产过程监测技术中micro-CT的应用较少，目前已有学者使用micro-CT进行土壤和根系检测研究，其中申请号为201710189744.6的发明专利申请，公开了一种基于CT技术的作物幼苗夹持取苗过程中苗钵破损检测方法和装置，可以利用CT扫描仪对不同夹取状态下的作物穴盘苗进行断层扫描，对苗钵中的孔隙提取并三维可视化，研究苗钵内部新生孔隙和缝隙产生和扩展，为取苗末端执行器结构设计和夹取参数选择提供依据。申请号为201611253837.2的发明专利申请公开了一种用于作物穴盘苗CT扫描根系三维重构成像的育苗方法，该方法在不破坏根系在育苗基质中空间分布的情况下，用作物穴盘苗的根系吸收CT造影剂，使根系的密度大于育苗基质的密度，CT扫描时根系与育苗基质的衰减值不同使得生成的断层图面中根与育苗基质灰度存在明显区别，通过对断层图片进行阈值分割将根系从育苗基质中分离出，生成完整性和清晰度较高的根系三维图像。在土壤检测方面，Rachman等的研究表明CT扫描方法所测定的大孔隙度与传统采用土壤持水量推算法所得结果接近；Udawatta等利用CT扫描图像分析方法研究了不同草地恢复方式和农地对土壤孔隙特征的影响，表明草地恢复促进了土壤孔隙如数目、孔隙度、成圆率和分形维数等参数的改善。

偏振成像技术是指利用检测对象表面各点所反射和散射的偏振光进行成像。不同的物体或同一物体的不同状态例如粗糙度、空隙度、含水量、构成材料的理化特性等，会产生由它们自身性质和光学基本定律决定的特征偏振，产生不同的偏振状态，且与波长有密切关系，形成偏振图像。偏振图像具有普通图像和反射光谱所不具备的优点，可以表征一些强度图像和光谱很难表征的信息，如目标表面的微观结构变化、物质内部对入射光的选择性吸收、散射以及物体表面前向反射、后向反射、漫反射特性的变化，具有广泛的军用和民用前景。由于偏振成像技术具有的独特之处，目前已成为世界各国竞相研究的热点。