[发明专利]一种基于叶片图像特征的植物养分含量指标定量分析方法

摘要

本发明属于植物营养学领域，具体涉及一种基于叶片图像特征的植物养分含量指标定量分析方法，是对给定植物做缺素培养后采集具有代表性的样本叶片进行样本叶片的图像采集，经换算获得叶片的色彩特征集和形状特征集；建立叶片养分含量指标量级与上述色彩特征集及形状特征集的关系映射表，建立相应量级色标；然后对待检叶片进行图像采集后，经样本图像分析处理，以欧几里得距离作为匹配评价指标，进行匹配寻优后，然后根据其对应色标，查表得到养分指标量级值。本发明通用性与适应性较强，可以根据待检叶片的图像给出精确的养分含量指标值，过程简单，检测速度快，易于推广。

主权项

1.一种基于叶片图像特征的植物养分含量指标定量分析方法，其步骤如下：1)、构建标准农化模型①按照一定量级标准设置对给定植物做缺素培养，然后从植物上采集具有代表性的样本叶片；②在室内日常光源条件下将叶片固定在白色背景纸板上，用能够覆盖背景区域的透明圆筒罩住背景纸板，然后用图像采集设备垂直于背景纸板进行拍摄，采集样本叶片的图像；③采用迭代法或OTSU法计算全局阈值，根据全局阈值将该图像分割为背景与叶片区域两部分，用计算几何的方法计算包括叶片区域在内的最小矩形限界框，按照最小矩形限界框的面积依回形方式划分为等面积的外、中、内三个子区域；④分别将三个子区域各有效像素RGB值经IHS变换为HSB值，计算其均值H₁、S₁、H₂、S₂、H₃、S₃及其方差σ₁、σ₂、σ₃，并以此作为叶片的色彩特征集；5)计算最小矩形限界框的高宽比以及/或叶片区域的傅里叶形状描述子，并以此作为叶片的形状特征集；⑥建立叶片养分含量指标量级与上述色彩特征集及形状特征集的关系映射表，即标准农化模型；2)、建立相应量级色标①取已知养分含量指标的叶片区域，计算外、中、内三个子区域各子区域内有效像素RGB值的均值“R₁、G₁、B₁”，“R₂、G₂、B₂”以及“R₃、G₃、B₃”；②分别将“R₁、G₁、B₁”、“R₂、G₂、B₂”、“R₃、G₃、B₃”确定为外、中、内三个子区域的标准色，生成由外、中、内三个等面积子区域构成的回形色标或者三个面积相同的色彩分别取上述标准色RGB值的方形色标；③根据养分指标量级确定色标数量；④色标生成后采用高质量印刷技术进行印刷得到与其原色差异很小的色标卡；3)、叶片养分指标图像分析检测方法分析检测方法由待检叶片图像采集及样本图像分析处理两个步骤构成；待检叶片图像采集：按照植物类别将其相应量级的色标与待检叶片一起固定在背景纸板上，经透明圆筒罩住后，在室内日常光源条件下进行拍摄，得到待检测样本图像；样本图像分析处理：包括样本图像分割过程、色标图像色彩特征提取过程、叶片图像色彩特征提取过程、叶片图像形状特征提取过程、匹配寻优与查表过程；样本图像分割过程：首先，根据预设空间位置关系快速分离叶片与色标所在图像区域。设叶片图像区域最小矩形限界框大小为M×N，其左上角位置为(x₁，y₁)，则提取叶片区域子图像matlab代码为：I₁＝I(x₁:x₁+M-1，y₁:y₁+N-1，:)；％其中I为待检样本图像；类似地，可以得到每个色标所在区域的子图像J₁，J₂，…，Jn；其次，对上述各个区域图像的子图像I₁，J₁，J₂，…，Jn采用迭代法或OSTU法确定分割阈值T，然后将阈值T与子图像每个像素逐个比较，当像素值大于或等于T时将该像素确定为背景像素，当像素值小于T时将该像素确定为叶片有效区域像素，然后分别做非线性空域滤波以消除其中噪点，其p×p模板如下：滤波规则：由窗口K在上述区域图像中滑动，区域图像窗口像素分布用A表示，则：当K.×A＝0，则令区块A中所有像素值均为0，即A＝0；当K.×A≠0，则A＝1，为全1矩阵；经过上述处理，可以得到比较干净的色标及叶片有效区域；色标图像色彩特征提取过程：丢弃色标图像外围1-2像素以忽略细微的形状畸变以及边缘色彩干扰，采用传统边缘检测方法(如sobel算子)提取外、中、内三个子区域，分别计算其均值R₁，G₁，B₁，然后采用传统IHS变换将其转换为Hv，Sv，Iv值，并保存在给定特征数组Fv中；叶片图像色彩特征提取过程：以给定面积比方式将叶片区域限界框分为外、中、内三个子区域，对每个子区域采用区域二值掩模函数提取其有效像素的RGB值，并采用传统IHS变换将其转换为相应的色度值、饱和度和亮度值；分别计算各个子区域的色度均值和饱和度均值及其相应子区域方差，作为色彩特征保存到特征数组变量中；叶片图像形状特征提取过程：计算各个子区域面积比，计算叶片整体区域的高宽比，追踪叶片的叶片区域轮廓并用多边形离散方式表示，采用归一化算法，计算叶片傅里叶形状描述子，作为叶片形状特征保存到特征数组变量中；匹配寻优与查表过程：以欧几里得距离作为匹配评价指标，计算色标外、中、内区域Hv，Sv值与叶片外、中、内区域的色度均值和饱和度均值的欧几里得距离值；选择该值最小的2-3个色标作为匹配候选色标；查表读取对应标准特征参数集中的色彩方差参数值和形状参数值；计算其与特征数组变量中方差距离以及特征数组变量中形状特征参数距离，取其中总距离最小者作为最优匹配特征，然后根据其对应色标，查表得到养分指标量级值。