<4D F736F F D20CDF5B8DFCEB0CBB6CABFB1CFD2B5C2DBCEC42D E646F63>

Transcription

1 分 类 号 : 单 位 代 码 :10019 密 级 : 学 号 :S 学 位 论 文 基 于 叶 片 光 谱 特 性 的 图 像 营 养 检 测 的 基 础 研 究 Basic Study of Plant Nutrition Detection Using Image Analysis Based on Leaf Spectrum 科 技 部 863 信 息 农 业 项 目 土 壤 植 株 养 分 及 病 虫 害 监 测 技 术 与 产 品 开 发 (2003AA209010) 北 京 市 教 育 委 员 会 共 建 项 目 建 设 计 划 (XK ) 都 市 农 业 学 科 群 建 设 项 目 (XK ) 研 究 生 : 王 高 伟 指 导 教 师 : 贺 冬 仙 副 教 授 申 请 学 位 门 类 级 别 : 工 学 硕 士 专 业 名 称 : 农 业 生 物 环 境 与 能 源 工 程 研 究 方 向 : 数 字 设 施 农 业 与 环 境 所 在 学 院 : 水 利 与 土 木 工 程 学 院 2006 年 6 月

2 独 创 性 声 明 本 人 声 明 所 呈 交 的 论 文 是 我 个 人 在 导 师 指 导 下 进 行 的 研 究 工 作 及 取 得 的 研 究 成 果 尽 我 所 知, 除 了 文 中 特 别 加 以 标 注 和 致 谢 的 地 方 外, 论 文 中 不 包 含 其 他 人 已 经 发 表 或 撰 写 过 的 研 究 成 果, 也 不 包 含 为 获 得 中 国 农 业 大 学 或 其 它 教 育 机 构 的 学 位 或 证 书 而 使 用 过 的 材 料 与 我 一 同 工 作 的 同 志 对 本 研 究 所 做 的 任 何 贡 献 均 已 在 论 文 中 作 了 明 确 的 说 明 并 表 示 了 谢 意 研 究 生 签 名 : 王 高 伟 时 间 : 2006 年 5 月 8 日 关 于 论 文 使 用 授 权 的 说 明 本 人 完 全 了 解 中 国 农 业 大 学 有 关 保 留 使 用 学 位 论 文 的 规 定, 即 : 学 校 有 权 保 留 送 交 论 文 的 复 印 件 和 磁 盘, 允 许 论 文 被 查 阅 和 借 阅, 可 以 采 用 影 印 缩 印 或 扫 描 等 复 制 手 段 保 存 汇 编 学 位 论 文 同 意 中 国 农 业 大 学 可 以 用 不 同 方 式 在 不 同 媒 体 上 发 表 传 播 学 位 论 文 的 全 部 或 部 分 内 容 研 究 生 签 名 : 王 高 伟 时 间 : 2006 年 5 月 8 日 导 师 签 名 : 贺 冬 仙 时 间 : 2006 年 5 月 8 日 0

3 摘 要 通 过 黄 瓜 (Cucumis sativus L., 北 京 102) 的 基 质 栽 培 进 行 不 同 氮 素 水 平 的 营 养 液 供 给 处 理, 利 用 便 携 式 叶 绿 素 仪 对 不 同 生 长 期 的 冠 层 叶 片 进 行 相 对 叶 绿 素 浓 度 SPAD 值 检 测, 随 后 分 别 采 用 CCD 数 码 相 机 / 扫 描 仪 及 分 光 光 度 计 采 集 离 体 叶 片 的 数 字 图 像 和 相 对 反 射 率 的 分 光 光 谱, 将 叶 片 干 燥 粉 碎 消 煮 后 使 用 凯 氏 定 氮 法 精 密 地 测 量 其 全 氮 含 量 通 过 对 黄 瓜 叶 片 的 光 谱 / 图 像 特 征 参 数 与 叶 绿 素 SPAD 值 和 含 氮 量 的 相 关 统 计 分 析 得 出 如 下 结 论 : (1) 红 色 绿 色 波 段 的 光 谱 / 图 像 特 征 参 数 与 叶 绿 素 SPAD 值 和 含 氮 量 之 间 的 相 关 性 较 好, 但 由 于 图 像 信 息 中 的 红 色 和 绿 色 灰 度 值 之 间 的 显 著 线 形 关 系 造 成 了 红 色 和 绿 色 波 段 的 信 息 重 复, 因 此, 相 关 文 献 中 常 用 的 G/R (R-G)/(R+G) 并 不 适 合 用 于 植 物 图 像 营 养 诊 断,R/(G+B) R/(R+G+B) R 2 /(R 2 +G 2 +B 2 ) G 2 /(R 2 +G 2 +B 2 ) 的 光 谱 和 图 像 特 征 参 数 表 达 的 不 一 致 也 限 制 了 其 在 植 物 图 像 营 养 诊 断 的 直 接 应 用 ; (2) 蓝 色 波 段 的 光 谱 / 图 像 特 征 参 数 尽 管 与 叶 绿 素 SPAD 值 和 含 氮 量 的 相 关 性 不 高, 但 是 其 相 对 值 B/(R+G) B/(R+G+B) B 2 /(R 2 +G 2 +B 2 ) 与 叶 绿 素 SPAD 值 和 含 氮 量 的 相 关 性 却 很 高, 这 些 蓝 色 波 段 的 相 对 值 可 作 为 特 征 参 数 用 于 植 物 图 像 营 养 诊 断 ; (3) 黄 瓜 叶 片 的 叶 绿 素 SPAD 值 与 实 测 的 叶 绿 素 浓 度 和 含 氮 量 之 间 存 在 着 显 著 的 线 形 关 系, 因 此, 可 以 直 接 利 用 该 叶 绿 素 SPAD 值 作 为 衡 量 黄 瓜 叶 片 的 不 同 营 养 水 平 的 评 价 指 标 ; (4) 光 谱 特 征 参 数 R G R/B G/B (R-B)/(R+B) (G-B)/(G+B) G/(R+B) B/(R+G) R+G+B (R 2 +G 2 +B 2 ) 1/2 G/(R+G+B) B/(R+G+B) B 2 /(R 2 +G 2 +B 2 ), 及 其 对 应 的 图 像 特 征 参 数 与 叶 绿 素 SPAD 值 和 含 氮 量 之 间 的 多 元 线 形 回 归 结 果 表 明, 这 些 光 谱 / 图 像 特 征 参 数 可 以 直 接 用 于 植 物 图 像 的 营 养 检 测 ; (5) 主 成 分 分 析 筛 选 出 的 光 谱 特 征 参 数 主 成 分 F1 F2 和 图 像 特 征 参 数 主 成 分 F3 F4 与 叶 绿 素 SPAD 值 和 含 氮 量 的 主 成 分 回 归 处 理 尽 管 可 在 理 论 上 消 除 重 复 信 息 的 影 响, 却 没 有 改 善 回 归 效 果 关 键 字 : 分 光 光 度 计, 凯 氏 定 氮 法, 反 射 率, 叶 绿 素 浓 度, 含 氮 量 II

4 Abstract Using a hydroponic culture of cucumber (Cucumis sativus L. Beijing 102) supported by different nitrogen levels of the nutrition solution, the imaging feature and spectral feature of relative reflectivity of the separated canopy leaves were captured by CCD digital camera, scanner, and spectrometer after chlorophyll SPAD value as the chlorophyll concentration of the living canopy leaves measured by portable chlorophyll meter, and then, the nitrogen content were quantitatively measured by Kjeldahl nitrogen method after the leaves drying, crush up and processing with H 2 SO 4 and H 2 O 2 under continue high temperature. The statistic relationships and the relativity between the imaging /spectral feature parameters and the chlorophyll SPAD value and nitrogen content would be filtrated and concluded as followings. (1)Spectral and corresponding image feature parameters in red and green channels were correlated linearly well with chlorophyll SPAD value and nitrogen content. However, overlap information between red and green channels were due to the high linear correlation of the spectral and imaging feature parameters between the red and green channels. Therefore, the feature parameters of G/R, (R-G)/(R+G) commonly used in related references are not suitable to be used in plant nutrition detection by image analysis. The disagreement between the spectral and corresponding image parameters of R/(G+B), R/(R+G+B), R 2/ ((R 2 +G 2 +B 2 ), G 2 /(R 2 +G 2 +B 2 ) could be limited to be used directly in the plant nutrition detection by image analysis. (2)Though the spectral and corresponding image feature parameters with blue channels were not correlated well with the chlorophyll SPAD value and nitrogen content, as a result of the significant relationships from the relative spectral and corresponding image parameters of B/(R+G), B/(R+G+B), B 2 /(R 2 +G 2 +B 2 ), the relative parameters can be used in the plant nutrition detection by image analysis. (3)Since the chlorophyll SPAD value of the cucumber leaves were correlated linearity well the measured chlorophyll concentration and nitrogen content in practice, the chlorophyll SPAD value can be used directly to evaluate the plant nutrition level for the future image analysis. (4)By the good results of the multiple linear regression of the filtered spectral and corresponding imaging feature parameters of R, G, R/B, G/B, (R-B)/(R+B), (G-B)/(G+B), G/(R+B), B/(R+G), R+G+B, (R 2 +G 2 +B 2 ) 1/2, G/(R+G+B), B/(R+G+B), B 2 /(R 2 +G 2 +B 2 ) to the chlorophyll SPAD value and nitrogen content, those spectral and corresponding image feature parameters can be used directly to characterize the different nutrition levels using image ananlysis. (5)Principal component regression analysis by the two spectral principal components of F1 and F2, and two imaging principal components of F3 and F4 could not improved the regression efficiency in practice to the chlorophyll SPAD value and nitrogen content, though the influences of the overlap information from those related parameters could be removed theoretically. Key words: Spectrometer, Kjeldahl nitrogen method, Reflectivity, Chlorophyll concentration, Nitrogen content III

5 目 录 第 一 章 前 言 研 究 背 景 与 意 义 国 内 外 研 究 现 状 植 物 营 养 失 衡 的 常 规 诊 断 方 法 植 物 营 养 诊 断 的 新 技 术 视 觉 识 别 技 术 在 植 物 信 息 检 测 中 的 应 用 研 究 目 标 研 究 思 路 和 技 术 路 线 研 究 目 标 研 究 思 路 技 术 路 线 第 二 章 试 验 设 计 营 养 失 衡 黄 瓜 样 本 的 栽 培 试 验 设 计 栽 培 试 验 说 明 试 验 区 说 明 分 光 光 谱 数 据 与 图 像 采 集 数 据 采 集 时 间 及 生 长 阶 段 叶 绿 素 浓 度 检 测 叶 片 分 光 特 性 检 测 图 像 采 集 条 件 与 方 法 叶 片 营 养 成 分 的 精 细 检 测 第 三 章 数 据 处 理 与 算 法 确 定 参 数 的 相 关 性 分 析 数 据 的 统 计 处 理 方 法 光 谱 / 图 像 特 征 参 数 与 叶 绿 素 SPAD 值 含 氮 量 的 相 关 分 析 红 绿 色 灰 度 值 之 间 的 相 关 关 系 叶 绿 素 SPAD 值 与 含 氮 量 之 间 的 相 关 关 系 营 养 诊 断 的 特 征 表 达 式 所 需 参 数 的 筛 选 与 确 定 光 谱 和 图 像 特 征 参 数 的 主 成 分 分 析 特 征 参 数 的 回 归 分 析 光 谱 特 征 参 数 与 叶 绿 素 SPAD 值 的 多 元 线 性 回 归 分 析 图 像 特 征 参 数 与 叶 绿 素 SPAD 值 的 多 元 线 性 回 归 分 析 光 谱 特 征 参 数 与 含 氮 量 的 多 元 线 性 回 归 分 析 图 像 特 征 参 数 与 含 氮 量 的 多 元 线 性 回 归 分 析 光 谱 特 征 参 数 主 成 分 与 叶 绿 素 SPAD 值 的 多 元 线 性 回 归 分 析 图 像 特 征 参 数 主 成 分 与 叶 绿 素 SPAD 值 的 多 元 线 性 回 归 分 析 光 谱 特 征 参 数 主 成 分 与 含 氮 量 的 多 元 线 性 回 归 分 析 图 像 特 征 参 数 主 成 分 与 含 氮 量 的 多 元 性 性 回 归 分 析 特 征 表 达 式 的 确 定 第 四 章 结 论 与 建 议 结 论 建 议 参 考 文 献...38 致 谢...42 个 人 简 介...43 IV

6 图 表 目 录 图 1-1 技 术 路 线...12 图 2-1 栽 培 区 布 置 平 面 图...14 图 2-2 叶 绿 素 SPAD 值 与 分 光 特 性 测 定 位 置...16 图 3-1 Bayer 滤 色 器 RGB 布 局...20 图 3-2 滤 光 片 的 分 光 光 谱 特 性...21 图 3-3 R G 灰 度 值 相 关 性...26 图 3-4 图 像 灰 度 值 TR TG 灰 度 值 相 关 性 回 归 分 析...26 图 3-5 叶 绿 素 SPAD 值 与 含 氮 量 相 关 性 回 归 分 析...27 图 3-6 光 谱 特 征 参 数 与 叶 绿 素 SPAD 值 的 多 元 线 性 回 归 结 果...31 图 3-7 图 像 特 征 参 数 与 叶 绿 素 SPAD 值 的 多 元 线 性 回 归 结 果...32 图 3-8 光 谱 特 征 参 数 与 含 氮 量 的 多 元 线 性 回 归 结 果...32 图 3-9 图 像 特 征 参 数 与 含 氮 量 的 多 元 线 性 回 归 结 果...33 图 3-10 光 谱 特 征 参 数 与 叶 绿 素 SPAD 值 的 主 成 分 回 归 结 果...34 图 3-11 图 像 特 征 参 数 与 叶 绿 素 SPAD 值 的 主 成 分 回 归 结 果...34 图 3-12 光 谱 特 征 参 数 与 含 氮 量 的 主 成 分 回 归 结 果...35 图 3-13 图 像 特 征 参 数 与 含 氮 量 的 主 成 分 回 归 结 果...35 表 2-1 山 崎 黄 瓜 配 方 (1978)...13 表 2-2 试 验 区 设 置 与 营 养 液 配 方 ( 单 位 :mg/l)...15 表 2-3 微 量 元 素 通 用 配 方...15 表 3-1 光 谱 数 据 颜 色 定 义 与 数 码 相 机 颜 色 定 义 相 关 系 数...21 表 3-2 光 谱 特 征 与 图 像 特 征 参 数 表...22 表 3-3 光 谱 特 征 参 数 与 叶 绿 素 SPAD 值 的 相 关 系 数...23 表 3-4 图 像 特 征 参 数 与 叶 绿 素 SPAD 值 的 相 关 系 数...23 表 3-5 光 谱 特 征 参 数 与 含 氮 量 的 相 关 系 数...24 表 3-6 图 像 特 征 参 数 与 含 氮 量 的 相 关 系 数...25 表 3-7 与 叶 绿 素 SPAD 值 和 含 氮 量 相 关 性 对 应 均 较 好 的 光 谱 和 图 像 特 征 参 数...28 表 3-8 光 谱 特 征 参 数 的 方 差 分 解 主 成 分 提 取 分 析 表...29 表 3-9 光 谱 特 征 参 数 的 主 成 分 分 析 因 子 载 荷 表...29 表 3-10 图 像 特 征 参 数 的 方 差 分 解 主 成 分 提 取 分 析 表...30 表 3-11 图 像 特 征 参 数 的 主 成 分 分 析 因 子 载 荷 表...30 表 3-12 特 征 参 数 多 元 线 形 回 归 分 析 结 果...36 表 3-13 特 征 参 数 主 成 分 多 元 线 形 回 归 分 析 结 果...36 V

7 第 一 章 前 言 第 一 章 前 言 1.1 研 究 背 景 与 意 义 20 世 界, 化 学 肥 料 施 用 对 农 作 物 产 量 的 提 高 起 到 了 巨 大 的 推 动 作 用, 氮 肥 的 增 产 效 果 尤 为 突 出 据 世 界 粮 农 组 织 (FAO) 统 计, 发 展 中 国 家 通 过 施 用 化 肥 提 高 粮 食 单 产 55~57%, 总 产 增 加 30~31% 我 国 通 过 施 用 化 肥 的 增 产 效 果 为 40~60%( 林 葆, 林 继 雄 等,1996) 在 1949~2000 年 的 52 年 中, 我 国 粮 食 总 产 几 乎 呈 直 线 上 升, 总 产 量 自 1949 年 的 1.13 亿 吨 增 长 至 2000 年 的 4.62 亿 吨, 增 长 了 4 倍 ( 中 国 农 业 年 鉴,2001) 尽 管 化 肥 施 用 在 粮 食 增 产 方 面 呈 现 出 巨 大 作 用, 但 化 肥 的 盲 目 增 施 和 不 合 理 利 用 同 时 也 带 来 了 一 系 列 不 可 忽 视 的 问 题 1984~1994 年, 我 国 化 肥 用 量 增 加 了 90% 以 上, 但 粮 食 产 量 却 只 增 加 了 9 % 左 右 ( 中 国 农 业 年 鉴,1984~1994) 氮 肥 的 利 用 效 率 降 低 主 要 体 现 在 氮 肥 的 过 量 施 用 和 非 科 学 管 理 上 北 京 地 区 由 于 氮 肥 的 过 量 施 用, 在 蔬 菜 玉 米 等 作 物 生 育 期 内 存 在 明 显 的 氮 素 淋 洗 损 失 ( 陈 子 明 等,1995; 陈 新 平 等,1997), 并 导 致 了 地 下 水 硝 态 氮 和 亚 硝 态 氮 的 超 标, 造 成 了 环 境 污 染 京 津 唐 等 地 区 13 个 县 市 69 个 点 的 地 下 水 的 硝 酸 盐 含 量 有 半 数 以 上 超 标 与 农 田 大 量 使 用 氮 肥 有 密 切 的 关 系 ( 张 维 理 等,1995) 目 前, 氮 肥 利 用 率 低 下 和 环 境 污 染 严 重 已 成 为 全 球 范 围 内 急 需 解 决 的 突 出 性 问 题 综 上 可 见, 化 学 肥 料 是 农 业 生 产 增 产 增 收 的 重 要 因 素, 但 又 是 污 染 环 境 的 重 要 因 子 之 一, 快 速 有 效 地 跟 踪 和 监 测 植 物 的 营 养 状 况, 从 而 确 定 科 学 合 理 的 施 肥 管 理 措 施, 对 提 高 化 肥 利 用 效 率, 合 理 利 用 资 源, 提 高 农 产 品 的 产 量 和 品 质 以 及 保 护 环 境 都 具 有 重 要 意 义 植 物 的 营 养 失 衡 现 象 是 农 业 生 产 和 科 学 研 究 领 域 普 遍 存 在 的 问 题, 如 何 能 及 时 快 速 地 进 行 营 养 诊 断, 一 直 是 植 物 营 养 研 究 工 作 的 一 项 重 要 内 容 传 统 的 植 物 营 养 诊 断 方 法 研 究 开 始 于 19 世 纪, 主 要 是 采 用 一 系 列 的 化 学 分 析 方 法, 包 括 植 物 外 观 分 析 组 织 化 学 分 析 以 及 土 壤 分 析 等 等 ( 李 春 俭,2001) 但 是, 无 论 是 传 统 的 田 间 试 验 还 是 在 实 验 室 的 模 拟 试 验, 都 容 易 受 到 试 验 环 境 或 气 候 条 件 的 影 响, 同 时 在 试 验 取 样 测 定 数 据 分 析 等 方 面 都 需 要 耗 费 大 量 的 人 力 和 物 力, 导 致 营 养 检 测 耗 时 较 长 费 用 较 高, 并 且 存 在 着 一 定 的 专 业 性 由 于 传 统 的 营 养 诊 断 时 效 性 差, 许 多 时 候 难 以 满 足 生 产 需 求, 更 由 于 无 法 及 时 给 予 农 民 施 肥 的 建 议 而 限 制 了 技 术 的 推 广 应 用, 这 一 问 题 在 我 国 小 田 块 农 户 分 散 经 营 的 生 产 条 件 下 更 为 突 出 所 以, 寻 求 一 种 快 速 经 济 可 靠 的 植 物 营 养 诊 断 技 术, 才 有 可 能 实 现 田 间 施 肥 管 理 的 科 学 化 和 自 动 化 植 物 在 生 长 过 程 中, 某 种 营 养 元 素 丰 缺 状 况 会 在 叶 片 形 态 和 颜 色 上 表 现 出 与 正 常 植 株 不 同 例 如, 当 植 物 缺 氮 时, 叶 片 一 般 出 现 淡 绿 色 或 黄 色 这 是 由 于 氮 是 蛋 白 质 合 成 的 基 本 元 素, 当 植 物 缺 氮 时, 会 导 致 蛋 白 质 合 成 受 阻, 蛋 白 酶 的 数 量 下 降, 从 而 引 起 叶 绿 体 结 构 破 坏, 叶 绿 素 合 成 减 少, 叶 片 出 现 黄 化 在 一 定 条 件 下, 叶 色 与 叶 绿 素 之 间 关 系 十 分 密 切, 叶 绿 素 合 成 的 多 少 与 植 物 营 养 状 况 密 切 相 关, 尤 其 是 和 植 物 氮 素 水 平 密 不 可 分 因 此, 植 物 在 不 同 的 营 养 条 件 下 会 在 叶 片 表 面 表 现 出 不 同 的 色 彩 和 形 态 特 征, 这 就 为 我 们 利 用 植 物 的 外 观 色 彩 和 长 势 长 相 进 行 营 养 诊 断 提 供 了 科 学 依 据, 为 实 时 营 养 诊 断 的 精 确 性 和 预 测 预 报 开 辟 了 广 阔 的 前 景 近 年 来, 随 着 视 觉 识 别 技 术 的 不 断 发 展 和 相 关 设 施 设 备 成 本 的 不 断 降 低, 1

8 第 一 章 前 言 国 内 外 不 少 研 究 者 开 始 应 用 视 觉 识 别 技 术 进 行 植 物 图 像 营 养 诊 断 研 究, 这 种 无 损 快 速 非 接 触 的 图 像 诊 断 为 植 物 实 时 营 养 诊 断 提 供 了 新 的 技 术 手 段 和 检 测 途 径 1.2 国 内 外 研 究 现 状 随 着 科 学 技 术 的 发 展, 植 物 营 养 诊 断 的 研 究 和 应 用 从 诊 断 理 论 和 测 试 手 段 上 都 有 了 新 的 发 展, 到 上 个 世 纪 50 年 代, 症 状 诊 断 和 化 学 诊 断 在 理 论 和 方 法 上 已 奠 定 了 相 当 的 基 础 近 50 多 年 来, 植 物 营 养 诊 断 在 应 用 范 围 对 象 和 内 容 上 又 有 了 很 大 的 进 步, 同 时 在 诊 断 技 术 和 方 法 上 也 有 很 大 的 发 展 譬 如 近 年 来 利 用 遥 感 技 术 和 视 觉 识 别 技 术 进 行 植 物 营 养 诊 断, 就 是 对 传 统 诊 断 技 术 和 方 法 的 一 个 突 破 植 物 营 养 失 衡 的 常 规 诊 断 方 法 症 状 诊 断 症 状 诊 断 是 根 据 植 物 表 现 出 的 某 种 特 定 的 症 状, 确 定 某 种 营 养 元 素 可 能 缺 乏 或 过 量 的 一 种 方 法 例 如, 植 物 下 部 叶 片 发 生 黄 化 或 有 红 色 斑 点, 是 缺 氮 的 症 状 ; 植 株 基 部 叶 呈 暗 绿 或 有 紫 色 斑 块 是 缺 磷 的 症 状 ; 植 株 上 部 新 叶 全 部 黄 化 是 缺 硫 的 症 状 ; 植 株 上 部 叶 片 有 针 尖 状 褐 点 是 缺 锰 的 症 状 但 是 这 种 诊 断 方 法 通 常 只 在 植 株 仅 缺 乏 一 种 营 养 元 素 的 状 况 下 有 效, 在 植 株 同 时 缺 乏 两 种 或 两 种 以 上 营 养 元 素, 或 出 现 因 非 营 养 性 因 素 ( 如 某 些 病 虫 害 或 药 害 ) 而 引 起 类 似 症 状 时, 则 易 于 混 淆 而 造 成 误 诊 再 者, 植 株 出 现 某 种 缺 素 症 状, 表 明 植 株 缺 素 症 状 已 相 当 严 重, 此 时 再 采 取 补 救 措 施 则 为 时 已 晚 因 此, 症 状 诊 断 在 实 际 应 用 中 有 着 明 显 的 局 限 性 长 势 长 相 诊 断 长 势 长 相 诊 断 方 法 在 我 国 于 60 年 代 前 后 曾 受 到 广 泛 重 视 该 方 法 是 在 总 结 农 民 丰 产 经 验 的 基 础 上 发 展 起 来 的, 主 要 用 于 水 稻 生 产 例 如, 水 稻 田 间 群 体 长 相 的 整 齐 度 与 产 量 的 关 系 甚 为 密 切 ; 水 稻 长 相 杂 乱 披 散, 是 缺 钾 的 表 现 ; 水 稻 生 长 参 差 不 齐 是 缺 锌 的 结 果 从 株 型 上 看, 缺 氮 时, 叶 片 与 主 茎 间 的 夹 角 小 于 45, 叶 片 直 立 ; 缺 磷 时, 株 型 紧 缩, 俗 称 一 柱 香 ; 缺 锌 时, 稻 苗 发 僵 不 长, 拔 节 期 茎 节 缩 短, 上 下 叶 鞘 重 叠, 叶 枕 并 列, 即 所 谓 矮 缩 苗 和 平 行 叶 ; 缺 钾 时, 叶 片 长 而 瘦 并 与 叶 鞘 比 例 失 调, 曹 成 株 形 披 散 相 对 比, 正 常 的 丰 产 株 型 在 拔 节 期, 上 部 第 二 片 叶 长 而 宽, 叶 片 厚 挺, 呈 竖 立 状, 稻 丛 型 为 下 大 上 小, 稻 茎 基 部 粗 壮, 清 秀 老 健 ; 在 孕 穗 期, 长 出 的 最 后 三 片 叶 挺 而 不 垂, 稻 丛 型 为 下 小 上 大, 稻 脚 清 爽, 水 稻 杆 壮 穗 大 长 势 长 相 诊 断 方 法 尽 管 可 以 有 限 地 判 断 植 株 的 营 养 状 况, 以 达 到 指 导 施 肥 的 目 的 但 是, 由 于 近 年 来 植 物 品 种 更 新 换 代 频 繁, 植 株 外 观 的 长 相 长 势 变 化 多 端, 没 有 固 定 的 模 式, 因 而 需 要 结 合 各 地 实 际 情 况 重 新 确 定 适 宜 的 诊 断 方 法 和 标 准, 其 推 广 应 用 也 一 直 受 到 限 制 叶 色 卡 和 肥 料 窗 口 法 诊 断 我 国 农 民 素 有 看 植 物 叶 色 进 行 施 / 追 肥 的 传 统 经 验, 从 300 多 年 前 的 沈 氏 农 书 关 于 对 水 稻 进 行 叶 色 诊 断 施 / 追 肥 的 记 载 到 现 在, 根 据 叶 色 诊 断 植 物 营 养 状 况 的 方 法 已 经 逐 渐 发 展 成 熟 2

9 第 一 章 前 言 叶 色 是 水 稻 体 内 氮 素 养 分 的 外 在 表 现, 用 叶 色 卡 判 定 的 水 稻 叶 色 级 可 以 作 为 氮 素 营 养 水 平 高 低 的 指 标 ( 陶 勤 南 等,1999) 根 据 不 同 类 型 水 稻 确 定 标 准 叶 色 级 范 围, 当 田 间 水 稻 叶 色 级 超 过 标 准 叶 色 级, 说 明 氮 素 过 剩, 应 采 取 烤 田 的 措 施 加 以 控 制 ; 如 果 叶 色 级 正 好 处 于 标 准 叶 色 级 水 平, 则 表 明 氮 素 营 养 适 宜, 不 必 追 施 氮 肥 ; 若 叶 色 级 低 于 标 准 叶 色 级, 则 表 示 水 稻 氮 素 营 养 不 良, 应 酌 情 追 施 一 定 量 的 氮 肥, 通 常 叶 色 级 每 低 0.1 级, 追 施 kg/hm 2 尿 素 ( 生 长 前 期 取 上 限, 后 期 取 下 限 ) 叶 色 诊 断 是 氮 素 营 养 诊 断 中 简 单 易 行 的 方 法, 如 果 标 准 叶 色 级 确 定 合 适, 营 养 诊 断 会 取 得 良 好 的 效 果 ( 李 俊 华 等,2003) 肥 料 窗 口 法 是 指 在 某 种 植 区 附 近 留 出 一 定 的 区 域 进 行 缺 素 处 理, 以 便 在 大 块 田 地 尚 未 出 现 缺 素 症 状 之 前 获 得 缺 素 作 物 的 特 征 信 息, 以 指 导 实 际 的 大 田 施 肥 与 这 种 方 法 类 似 的 还 有 校 正 诊 断 法, 指 用 所 需 的 营 养 元 素 溶 液 注 射 到 植 物 体 内, 经 过 一 定 时 间 后 比 较 叶 片 颜 色 形 态 和 植 物 生 长 状 况 的 变 化, 用 以 诊 断 植 物 营 养 的 一 种 方 法 这 种 方 法 主 要 用 于 对 树 木 作 营 养 诊 断, 大 田 作 物 很 少 使 用 营 养 失 衡 的 化 学 诊 断 法 在 作 物 的 不 同 生 育 期, 取 其 特 定 部 位, 用 化 学 分 析 的 手 段 来 判 断 其 中 某 种 养 分 的 浓 度, 用 以 判 断 该 元 素 的 丰 缺 水 平, 叫 做 植 物 营 养 的 化 学 诊 断 化 学 诊 断 主 要 是 进 行 叶 叶 鞘 或 茎 分 析, 也 有 以 整 株 植 物 作 为 研 究 对 象 的, 但 大 多 只 限 于 苗 期 植 物 体 内 的 养 分 状 况 是 土 壤 养 分 供 应 植 物 养 分 需 求 和 植 物 对 养 分 吸 收 能 力 的 综 合 反 映, 因 此, 通 过 对 植 物 体 内 养 分 状 况 进 行 诊 断 完 全 可 以 反 映 出 植 物 当 时 的 营 养 状 况, 并 以 此 来 进 行 施 肥 指 导 化 学 诊 断 作 为 一 种 定 量 的 营 养 分 析 方 法, 在 对 植 物 进 行 营 养 状 况 评 价 之 前 应 首 先 知 道 营 养 元 素 丰 缺 判 断 的 临 界 浓 度 ( 是 一 个 浓 度 范 围 ), 即 正 好 处 于 缺 乏 和 足 够 的 浓 度 交 点 植 物 营 养 的 化 学 诊 断 可 以 用 常 规 分 析, 也 可 以 用 速 测 方 法 速 测 法 具 有 操 作 简 单 而 快 速 的 特 点, 用 以 测 定 植 物 组 织 中 未 被 同 化 的 无 机 成 分, 适 用 于 田 间 由 于 速 测 法 的 测 定 手 段 比 较 简 陋, 测 出 的 数 据 的 精 确 度 和 精 密 度 均 低 于 常 规 分 析 因 此, 必 须 重 复 测 定 6-8 次, 才 能 获 得 较 为 可 靠 的 结 果 实 验 室 一 般 使 用 常 规 分 析 方 法 对 植 物 进 行 营 养 元 素 的 精 密 分 析, 首 先 检 测 出 组 织 中 的 营 养 元 素 含 量, 然 后 再 对 营 养 状 况 进 行 评 价 或 诊 断 植 物 组 织 的 化 学 诊 断 结 果 的 评 定 必 须 考 虑 全 面 一 般 地 说, 植 物 组 织 中 某 元 素 含 量 的 多 少, 能 反 映 土 壤 中 该 元 素 的 供 应 水 平 但 是 必 须 注 意, 植 物 由 于 某 一 营 养 元 素 严 重 缺 乏 而 使 生 长 受 到 抑 制 时, 另 一 元 素 的 含 量 反 而 会 增 高, 这 就 容 易 导 致 错 误 的 诊 断 因 此 在 进 行 化 学 诊 断 时 要 遵 循 下 列 原 则 :1 化 学 诊 断 结 果 要 与 植 物 产 量 和 土 壤 化 学 诊 断 相 比 较 ;2 营 养 元 素 进 入 根 系 后, 由 于 各 种 大 量 元 素 和 微 量 元 素 的 交 互 作 用, 故 需 同 时 测 定 N P K 三 种 以 上 的 元 素 ;3 应 选 取 植 物 适 当 的 器 官 和 部 位 对 大 量 元 素 N P K 的 化 学 检 测 主 要 是 对 采 样 部 位 进 行 化 学 浸 提 或 消 煮 处 理, 以 使 植 株 特 定 器 官 内 的 某 种 营 养 元 素 尽 量 全 部 提 取 出 来, 然 后 再 对 浸 提 液 或 消 煮 液 进 行 常 规 目 视 比 色 分 析 或 分 光 光 度 计 的 精 细 比 色 分 析 对 氮 元 素 而 言, 由 于 N 元 素 在 植 株 体 内 有 不 同 的 状 态, 即 硝 态 氮 和 氨 态 氮, 相 应 的 对 全 氮 硝 态 氮 和 氨 态 氮 会 有 不 同 的 比 色 分 析 方 法, 一 般 是 把 植 物 样 品 经 硫 酸 + 过 氧 化 氢 凯 氏 消 煮 后, 分 别 使 用 直 接 吸 光 光 度 法 靛 酚 蓝 比 色 法 和 国 硫 酸 钾 氧 化 吸 光 光 度 法 获 得 硝 态 氮 ( 包 括 亚 硝 态 氮 ) 氨 态 氮 和 全 氮 的 含 量 而 对 P 和 K 的 检 测, 则 相 对 简 单, 可 分 别 用 钒 钼 3

10 第 一 章 前 言 黄 比 色 法 和 原 子 吸 收 分 光 光 度 法 进 行 检 测 便 携 式 叶 绿 素 仪 营 养 诊 断 法 植 物 在 可 见 光 波 段 的 反 射 率 主 要 受 叶 绿 素 的 影 响 影 响 叶 片 中 光 吸 收 和 光 反 射 的 主 要 因 子 是 叶 绿 素 蛋 白 质 水 分 和 含 碳 化 合 物, 其 中 影 响 最 大 的 是 叶 绿 素 浓 度 而 叶 绿 素 浓 度 和 植 株 的 含 氮 量 密 切 相 关 ( 尤 其 是 当 植 物 缺 氮 时 ), 故 常 用 叶 绿 素 浓 度 间 接 地 指 示 植 物 的 含 氮 量 诸 多 研 究 发 现 植 物 在 550 nm 675 nm 附 近 的 反 射 率 对 叶 绿 素 浓 度 比 较 敏 感 (Thomas J.R. et al., 1972), 但 单 一 波 段 的 反 射 率 易 受 生 物 量 背 景 等 的 影 响 因 此, 在 具 体 应 用 中, 常 用 两 波 段 的 比 值 以 提 高 叶 绿 素 光 谱 诊 断 的 精 度 日 本 Minolta 公 司 生 产 的 便 携 式 叶 绿 素 仪 (SPAD 系 列 ) 就 是 基 于 这 一 原 理 研 制 开 发 并 用 于 水 稻 生 产 的, 由 于 使 用 该 仪 器 测 定 具 有 简 单 快 速 非 破 坏 性 的 特 点, 近 年 来 也 被 广 泛 应 用 于 小 麦 玉 米 和 其 它 植 物 (Wood et al.,1993;blackmer and Schepers,1994) 的 氮 素 营 养 诊 断 和 氮 肥 推 荐 1992 年 法 国 人 Piekielek 和 Fox 利 用 叶 绿 素 仪 读 取 玉 米 叶 片 中 的 叶 绿 素 浓 度 来 预 测 氮 肥 的 需 求 量 除 此 之 外, 应 用 叶 绿 素 仪 对 小 麦 玉 米 水 稻 等 进 行 氮 素 亏 缺 及 需 要 量 预 测 植 物 生 长 评 价 和 水 肥 管 理 措 施 等 方 面 已 有 不 少 研 究 成 果 (Takebe and Motomatsu, 1987;Takebe and Yoneyama,1989;Sinclair T.R. etal.,1989;takebe et al., 1990;Wood et al., 1992,1994;Kantety et al., 1996;Earl H.J. et al.,1997;scott C Chapman et al.,1997; 薛 崧,1997;Irfan S Ahmad et al., 1999; 王 康 等,2002) 研 究 人 员 根 据 大 量 的 田 间 实 测 资 料, 叶 绿 素 仪 读 数 ( 叶 绿 素 SPAD 值 ) 与 植 物 氮 素 状 态 的 统 计 结 果 表 明, 叶 片 SPAD 测 量 值 和 含 氮 量 之 间 有 明 显 的 线 性 关 系 ( 薛 崧,1997; 王 康 等,2002) 基 于 上 述 原 理 开 发 的 Hydro N-Tester (Minolta,Japan) 可 以 通 过 测 量 叶 片 中 的 绿 色 度 来 进 行 植 株 氮 素 的 营 养 诊 断, 即 利 用 叶 片 中 的 绿 色 度 与 叶 绿 素 含 量 成 比 例 变 化, 方 便 而 快 速 地 监 测 叶 片 中 的 叶 绿 素 浓 度 和 含 氮 量 根 据 此 方 法 已 经 建 立 了 几 种 果 树 的 氮 素 营 养 诊 断 指 标 (Shaahan,et al.,1999) 然 而, 进 一 步 的 研 究 却 发 现, 应 用 叶 绿 素 仪 诊 断 植 物 的 氮 素 营 养 状 况 往 往 受 植 物 品 种 生 育 时 期 生 长 环 境 等 影 响, 精 度 不 高, 要 精 确 地 估 测 氮 素 营 养 水 平, 还 需 在 检 测 之 前 对 所 测 作 物 的 生 长 发 育 特 点 和 需 肥 特 性 有 所 了 解, 建 立 校 正 曲 线 或 改 进 算 法, 且 仍 需 实 验 分 析 配 合 另 外, 用 该 仪 器 只 能 获 得 植 物 叶 片 或 某 一 部 位 的 点 信 息, 具 体 应 用 中 还 要 进 行 大 量 的 样 本 统 计 因 此, 这 种 方 法 作 为 一 种 快 速 非 破 坏 性 营 养 检 测 方 法 也 有 一 定 的 限 制 植 物 营 养 诊 断 的 新 技 术 到 目 前 为 止, 植 物 营 养 状 况 的 诊 断 和 测 定 仍 以 定 性 的 外 观 诊 断 方 法 ( 症 状 法 长 势 长 相 法 叶 色 卡 法 等 ) 和 破 坏 型 的 常 规 化 学 分 析 为 主, 也 有 接 触 型 的 快 速 检 测 方 式 ( 叶 绿 素 仪 法 ) 采 用 非 破 坏 型 非 接 触 型 的 方 法 实 现 植 物 营 养 状 况 的 快 速 定 量 检 测 是 精 准 农 业 生 产 的 必 然 要 求, 也 是 植 物 营 养 领 域 的 一 直 想 要 突 破 的 热 点 问 题 近 年 来, 利 用 高 光 谱 近 地 遥 感 技 术 和 视 觉 识 别 技 术 进 行 植 物 营 养 的 定 量 快 速 无 损 检 测 成 为 植 物 营 养 诊 断 检 测 方 面 的 研 究 热 点, 并 取 得 了 一 些 成 果 高 光 谱 近 地 遥 感 植 物 营 养 诊 断 技 术 遥 感 技 术 (RS: Remote Sensing) 是 快 速 获 取 大 面 积 时 空 信 息 的 主 要 技 术 手 段 目 前 遥 感 的 4

11 第 一 章 前 言 分 类 有 多 种 : 按 遥 感 平 台 ( 即 运 载 工 具 ) 可 分 为 地 面 遥 感 ( 近 地 遥 感 ) 航 空 遥 感 和 航 天 遥 感 ; 按 探 测 电 磁 波 的 工 作 波 段 可 分 为 光 学 遥 感 ( 可 见 光 遥 感, 属 于 主 动 遥 感 ) 热 红 外 遥 感 ( 属 于 被 动 遥 感 ) 和 微 波 遥 感 ( 主 动 方 式 与 被 动 方 式 结 合 ) 任 一 物 质 对 不 同 波 长 的 电 磁 波 的 吸 收 和 反 射 都 不 同, 物 质 的 这 种 对 不 同 波 段 光 谱 的 响 应 特 性 叫 光 谱 特 性 ( 或 分 光 特 性 ) 植 物 营 养 光 谱 诊 断 就 是 以 植 物 化 学 成 分 对 敏 感 光 谱 的 反 射 率 与 该 组 分 含 量 或 浓 度 的 相 关 关 系 为 基 础 的 基 于 植 物 光 谱 特 性 的 营 养 诊 断 方 法 研 究 发 现, 植 物 的 反 射 光 谱 曲 线 的 显 著 特 征 是 在 490~600 nm 波 段, 具 有 中 等 的 反 射 率 值, 550 nm 附 近 是 叶 绿 素 的 强 反 射 峰 ( 绿 峰 ); 在 600~700 nm 波 段, 因 叶 绿 素 对 这 部 分 光 的 强 烈 吸 收, 多 数 植 物 在 680 或 670 nm 处 的 反 射 率 最 低 ( 红 谷 ); 在 700~750 nm 波 段, 曲 线 陡 而 接 近 于 直 线 ( 红 边 ), 其 斜 率 与 叶 绿 素 含 量 有 关 ;1360~1470 nm 波 段 和 1830~2080 nm 波 段 是 水 和 二 氧 化 碳 的 强 吸 收 带 各 种 遥 感 探 测 器 的 光 谱 通 道 正 是 根 据 植 物 的 这 一 反 射 光 谱 特 征 来 设 计 的 不 同 的 植 物 以 及 同 一 种 植 物 在 不 同 的 生 长 发 育 阶 段, 其 反 射 光 谱 曲 线 的 形 态 和 特 征 也 不 同, 病 虫 害 灌 溉 施 肥 等 条 件 的 不 同 也 会 引 起 植 物 反 射 光 谱 特 性 的 变 化, 因 此, 利 用 植 物 的 光 谱 特 性 进 行 作 物 的 长 势 监 测 具 有 良 好 的 科 学 依 据 近 年 来, 遥 感 技 术 在 精 准 农 业 中 的 变 量 施 肥 ( 尤 其 是 氮 肥 ) 方 面 发 挥 了 非 常 重 要 的 作 用 各 种 植 物 胁 迫 如 缺 氮 干 旱 等 都 会 使 植 物 叶 片 的 分 光 反 射 特 性 发 生 改 变, 通 过 检 测 植 物 冠 层 的 光 学 反 射 特 性 可 以 了 解 植 物 的 营 养 状 况 遥 感 技 术 一 般 利 用 检 测 植 物 冠 层 的 光 反 射 和 光 吸 收 性 质 来 获 取 植 物 营 养 状 况, 特 别 是 氮 素 营 养 状 况 的 信 息 高 光 谱 分 辨 率 遥 感 (Hyperspectral Remote Sensing) 是 指 利 用 很 多 窄 电 磁 波 段 对 对 象 物 体 获 取 有 关 分 光 特 性 指 标 利 用 该 技 术 使 植 物 化 学 成 分 的 遥 感 估 测 成 为 可 能, 例 如 对 植 物 叶 内 的 N P K 糖 类 淀 粉 蛋 白 质 氨 基 酸 木 质 素 纤 维 素 及 叶 绿 素 等 进 行 估 测, 并 为 评 价 植 物 长 势 估 计 陆 地 生 物 量 从 理 论 和 实 践 上 提 供 了 可 靠 的 技 术 保 证 ( 浦 瑞 良 等,2003) 浦 瑞 良 等 于 1997 年 在 美 国 加 州 大 学 伯 克 利 分 校 的 Blodgett 林 业 试 验 站 利 用 实 地 测 量 的 高 光 谱 数 据 进 行 统 计 回 归 分 析 来 评 价 营 养 叶 中 N P K 的 营 养 状 况, 并 发 现 其 三 边 内 一 阶 微 分 光 谱 的 主 成 分 分 析 对 于 预 测 营 养 叶 营 养 成 分 浓 度 是 有 效 的 该 试 验 结 果 表 明, 不 管 是 单 变 量 分 析, 还 是 多 元 回 归 预 测, 最 好 的 结 果 与 全 钾 (TK) 有 关, 其 次 是 全 磷 (TP), 最 差 的 是 全 氮 (TN) 同 时 该 研 究 组 据 此 建 立 了 一 系 列 利 用 高 光 谱 数 据 分 析 植 物 营 养 状 况 的 实 验 方 法 与 计 算 方 法 在 实 际 应 用 中, 更 多 的 人 在 利 用 高 光 谱 遥 感 研 究 植 物 营 养 诊 断 时 主 要 对 氮 素 检 测 方 面 有 所 侧 重, 该 技 术 主 要 应 用 于 精 准 农 业 的 变 量 施 肥 植 物 营 养 诊 断 的 高 光 谱 遥 感 研 究 主 要 通 过 寻 找 氮 素 的 敏 感 波 段 及 其 反 射 率 在 不 同 氮 素 水 平 下 的 表 现, 运 用 数 理 统 计 方 法 寻 求 含 氮 量 与 光 谱 反 射 率 或 其 衍 生 的 关 系, 从 而 建 立 模 型 来 估 算 植 物 的 含 氮 量 ; 也 是 一 种 通 过 某 些 特 定 光 谱 检 测 植 物 冠 层 的 光 反 射 和 光 吸 收 性 质 来 检 测 植 物 营 养 状 况 ( 尤 其 是 氮 素 营 养 状 况 ) 的 技 术 在 近 地 测 量 中, 常 采 用 光 谱 反 射 仪, 手 持 式 多 光 谱 反 射 仪 在 田 间 或 现 场 直 接 获 取 植 物 冠 层 的 多 光 谱 反 射 信 息, 并 在 不 损 伤 植 株 的 前 提 下 进 行 多 次 测 定, 因 此 避 免 了 叶 绿 素 仪 测 试 的 缺 陷 目 前 国 内 外 很 多 学 者 的 研 究 表 明 : 许 多 植 物 在 缺 氮 时 无 论 是 叶 片 还 是 植 物 冠 层 水 平 对 可 见 光 波 段 的 反 射 率 都 有 所 增 加, 对 含 氮 量 变 化 最 敏 感 的 波 段 在 530~560 nm, 通 过 光 谱 测 定 及 其 变 量 运 算 如 IR/Red 比 值, 可 以 区 分 不 同 氮 素 营 养 水 平 (Abbas Al et al., 1974;Walburg G. et al.,1982;hinzman L.D. et al.,1986;wang R.C. et al.,1993;zhou Q.F. et al.,1993;tracy M Blackmer et al.,1996;wang Ke et al.,1998;raymond E.E., 5

12 第 一 章 前 言 2004) 王 人 潮 等 (1 99 3) 确 定 诊 断 水 稻 冠 层 氮 素 营 养 水 平 的 敏 感 波 段 为 760~900 nm 630~690 nm 和 520~550 nm;filella et al.(1995) 应 用 多 光 谱 遥 感 监 测 不 同 氮 素 营 养 状 况 的 小 麦 叶 绿 素 含 量 来 了 解 其 氮 素 营 养 状 况, 发 现 550 nm 675 nm 附 近 的 反 射 率 对 叶 绿 素 含 量 比 较 敏 感 ;Daughtry 等 (2000) 对 不 同 供 氮 处 理 的 玉 米 通 过 多 光 谱 遥 感 确 定 最 佳 测 定 波 段 并 通 过 光 谱 反 射 来 估 计 冠 层 叶 绿 素 含 量 ;Chappelle et al.(1992) 提 出 了 一 种 光 谱 反 射 率 分 析 (RARS) 算 法 用 于 评 估 叶 绿 素 含 量, 当 植 株 中 的 叶 绿 素 逐 渐 累 积 时, 用 这 种 方 法 计 算 的 结 果 与 通 过 化 学 分 析 所 得 结 果 具 有 较 好 的 一 致 性 此 外, 基 于 多 光 谱 技 术 的 植 被 指 数 在 评 价 植 物 长 势 方 面 取 得 了 广 泛 的 应 用, 其 中 归 一 化 植 被 指 数 NDVI(Normalised Difference Vegetation Index, 英 文 全 称 确 认 ) 已 成 功 应 用 于 评 价 植 物 生 长 状 况 和 自 然 植 被 覆 盖 通 常 认 为,NDVI 指 数 对 植 物 的 氮 素 状 况 并 不 敏 感, 特 别 是 对 低 含 量 的 叶 绿 素 水 平 (Gitelson et al.,1996), 因 此, 可 以 利 用 GNDVI (Green Normalized Vegetation Index 英 文 全 称 ) 来 替 代 NDVI,GNDVI 与 NDVI 相 比, 利 用 绿 光 波 段 代 替 了 红 光 波 段, 因 而 对 叶 绿 素 含 量 十 分 敏 感, 可 对 冠 层 叶 绿 素 进 行 准 确 估 计 另 外, 用 高 分 辨 率 多 光 谱 近 地 遥 感 技 术 测 量 叶 绿 素 含 量 的 方 法 多 使 用 红 边 指 数, 即 植 被 反 射 光 谱 在 680~740 nm 曲 线 的 最 大 斜 率 综 上 所 述, 大 量 研 究 已 表 明 : 不 同 氮 素 营 养 水 平 下 的 冠 层 光 谱 反 射 存 在 着 明 显 的 差 异, 植 被 指 数 对 这 一 差 异 更 为 敏 感, 利 用 冠 层 光 谱 测 试 可 以 区 分 植 物 的 不 同 的 氮 素 营 养 水 平 虽 然 以 上 研 究 成 果 已 被 成 功 应 用 到 某 些 农 业 生 产 中, 但 在 田 间 环 境 中, 植 物 冠 层 光 谱 反 射 特 性 受 到 植 株 叶 片 含 水 量 土 壤 湿 度 冠 层 几 何 结 构 土 壤 覆 盖 度 大 气 对 光 谱 的 吸 收 等 诸 多 因 素 的 影 响, 与 植 物 本 身 的 叶 片 结 构 构 成 叶 片 的 细 胞 数 量 和 细 胞 壁 排 列 方 向 等 都 有 关 系, 影 响 因 素 众 多 情 况 复 杂, 因 此 在 实 际 应 用 中 需 要 排 除 这 些 因 素 的 制 约 是 非 常 不 容 易 的 高 光 谱 近 地 遥 感 所 使 用 的 波 段 并 不 仅 限 于 可 见 光 范 围, 也 使 用 红 外 波 段 和 微 波 植 物 冠 层 反 射 和 土 壤 背 景 辐 射 在 红 外 胶 片 或 其 他 图 像 采 集 装 置 上 表 现 为 不 同 的 辐 射 成 像, 获 得 的 图 像 经 计 算 机 处 理 后, 每 个 像 素 的 色 度 变 化 都 可 以 表 示 出 植 物 反 射 光 线 的 情 况, 而 植 物 反 射 光 线 特 性 的 变 化 正 是 植 物 营 养 变 化, 特 别 是 氮 素 营 养 状 况 发 生 变 化 的 结 果 由 于 历 史 原 因, 目 前 从 事 遥 感 图 像 处 理 研 究 和 开 发 的 科 技 人 员 大 多 出 身 于 电 子 计 算 机 物 理 数 学 等 理 工 科 专 业, 一 般 来 说 他 们 对 遥 感 设 备 以 及 如 何 获 取 接 收 记 录 处 理 图 像 数 据 很 熟 悉 很 内 行, 但 是 他 们 对 各 个 应 用 专 业 ( 譬 如 植 物 营 养 诊 断 ) 的 具 体 要 求 以 及 如 何 体 现 这 些 要 求 知 之 不 多 不 透 因 此 他 们 可 以 出 色 地 完 成 一 般 图 像 处 理, 但 是 却 不 一 定 能 胜 任 植 物 营 养 诊 断 等 特 定 目 的 遥 感 图 像 处 理 另 一 方 面, 不 少 想 应 用 遥 感 图 像 来 获 取 有 关 专 业 信 息 与 知 识 的 领 域 专 业 人 员, 由 于 他 们 对 遥 感 技 术 特 别 是 对 数 字 遥 感 图 像 处 理 的 理 论 与 技 术 了 解 不 深, 甚 至 把 它 当 成 一 个 一 个 高 深 莫 测 的 黑 匣 子, 因 此 会 感 到 无 从 下 手 ( 戴 昌 达 等,2004) 同 时, 光 谱 遥 感 尤 其 是 光 谱 成 像 遥 感 对 设 备 和 数 据 处 理 有 较 高 的 技 术 要 求, 并 且 价 格 昂 贵 以 上 因 素 都 大 大 地 限 制 了 高 光 谱 近 地 遥 感 在 农 业 上 的 应 用 视 觉 识 别 技 术 在 植 物 营 养 诊 断 中 的 应 用 视 觉 识 别 技 术 是 基 于 人 眼 成 像 技 术, 利 用 图 像 传 感 器 获 取 物 体 的 图 像 后 转 换 成 数 字 图 像, 并 利 用 计 算 机 技 术 进 行 图 像 识 别 以 达 到 利 用 图 像 特 征 获 取 有 用 信 息 的 技 术 视 觉 识 别 技 术 首 先 在 20 世 纪 70 年 代 应 用 于 遥 感 图 像 处 理 和 医 学 图 像 处 理, 其 后 才 广 泛 普 及 到 其 他 领 域 目 前, 视 觉 识 别 技 术 在 农 业 生 产 领 域 中 的 应 用 研 究 日 益 增 多, 并 开 始 呈 现 出 巨 大 的 发 展 潜 力 植 物 在 不 同 的 营 养 状 况 下 表 现 出 的 茎 叶 色 彩 和 形 态 特 征 是 表 征 植 物 生 长 发 育 及 其 营 养 状 况 6

13 第 一 章 前 言 的 重 要 信 息 运 用 视 觉 识 别 技 术 进 行 植 物 营 养 状 况 的 诊 断 主 要 是 通 过 田 间 获 取 数 字 图 像, 运 用 图 像 处 理 模 式 识 别 景 物 分 析 图 像 理 解 等 技 术 对 图 像 进 行 分 析 处 理, 从 图 像 特 征 中 获 取 植 物 信 息 来 进 行 成 长 或 营 养 检 测 来 喂 生 产 管 理 和 决 策 提 供 科 学 依 据 植 物 营 养 状 况 的 变 化 直 接 影 响 着 植 物 的 冠 层 色 彩, 缺 氮 植 物 叶 片 颜 色 变 浅, 冠 层 颜 色 偏 黄 绿 色, 由 于 人 的 眼 睛 对 可 见 光 最 敏 感 的 波 段 在 550 nm, 恰 好 在 可 见 光 的 绿 色 波 段, 因 此 自 古 以 来, 农 民 传 统 的 判 断 植 物 营 养 状 况 的 手 段 就 是 通 过 肉 眼 对 植 物 绿 色 深 浅 程 度 的 判 断 研 究 表 明 : 植 物 冠 层 绿 色 状 况 通 常 情 况 下 都 与 叶 片 叶 绿 素 浓 度 有 关, 而 叶 绿 素 与 植 株 的 全 氮 含 量 有 显 著 的 相 关 关 系 (Wolf et al.1988), 叶 绿 素 浓 度 或 含 氮 量 的 变 化 影 响 了 叶 片 冠 层 的 光 吸 收 或 反 射 (Al-Abbas et al.,1974;thomas and Gausman,1977;Mass and Dunlap,1989) 从 植 物 的 长 势 来 看, 缺 氮 时 植 株 显 得 矮 小 瘦 弱, 叶 片 薄 而 小, 分 蘖 少, 叶 面 积 指 数 小, 因 此 通 过 植 株 叶 面 积 的 大 小 也 可 以 反 映 出 植 物 的 氮 素 营 养 状 况 在 植 物 图 像 营 养 检 测 中, 可 通 过 图 像 传 感 器 中 的 核 心 元 件 CCD( 电 荷 耦 合 器 件 ) 感 应 植 物 冠 层 以 及 叶 片 的 光 反 射 和 光 吸 收 特 性 并 形 成 影 像 记 录, 进 而 通 过 图 像 处 理 获 取 不 同 营 养 状 况 下 的 光 谱 差 异 以 实 现 其 营 养 诊 断 的 过 程 从 传 感 器 和 图 像 处 理 的 角 度 看, 视 觉 识 别 技 术 是 遥 感 技 术 本 身 在 信 息 近 距 离 获 取 过 程 中 的 应 用 近 年 来, 可 见 光 遥 感 技 术 在 植 物 生 长 状 况 评 价 和 营 养 状 况 检 测 方 面 成 为 新 的 研 究 热 点, 特 别 是 可 见 光 波 段 的 图 像 检 测 技 术 在 推 荐 施 肥 等 方 面 的 应 用 穗 波 信 雄 等 (1992) 率 先 利 用 视 觉 识 别 技 术 分 别 对 缺 乏 钙 铁 镁 营 养 元 素 的 慈 菇 叶 片 进 行 了 一 些 基 础 性 研 究 他 们 利 用 直 方 图 分 析 了 颜 色 特 征, 又 用 阙 值 法 分 割 出 叶 片 上 病 态 部 分 和 正 常 部 分, 并 计 算 出 两 部 分 的 面 积 比 作 为 特 征 Ahmad I.S. et al.(1996) 利 用 彩 色 图 像 信 息 评 价 缺 水 和 缺 氮 对 玉 米 生 长 的 影 响 及 由 此 造 成 的 植 株 的 RGB 色 彩 特 征 的 不 同 研 究 发 现 : 与 RGB 相 比,HSI 能 更 清 楚 地 表 征 玉 米 植 株 中 的 色 彩 变 化, 因 此, 将 HSI 用 于 植 物 图 像 的 色 彩 评 价 和 图 像 处 理 是 非 常 有 效 的 Blackmer et al.(1996) 通 过 分 析 彩 色 图 像 上 的 冠 层 相 对 亮 度 对 玉 米 产 量 进 行 了 预 测, 红 绿 蓝 三 色 光 特 征 值 与 玉 米 产 量 间 有 极 显 著 的 线 性 正 相 关 关 系, 波 长 范 围 在 536 nm±3 nm 的 图 像 特 征 值 与 玉 米 产 量 有 极 显 著 的 负 相 关 关 系 1998 年, 日 本 学 者 Kawashima et al. 利 用 摄 像 机 系 统 检 测 叶 片 叶 绿 素 含 量 从 而 评 价 植 株 的 营 养 状 况 该 研 究 通 过 选 用 红 - 蓝 / 红 + 蓝 ((R-B)/(R+B)) 特 征 值 表 征 叶 绿 素 含 量 提 取 算 法, 尤 其 是 在 滤 除 图 像 采 集 中 的 辐 射 环 境 噪 音 后, 获 得 了 良 好 的 效 果 Adamsen et al.(1999) 年 应 用 数 码 相 机 获 取 了 冬 小 麦 的 冠 层 图 像, 得 到 冠 层 图 像 绿 光 (G) 与 红 光 (R) 的 比 值 G/R 与 叶 绿 素 仪 读 数 有 极 显 著 的 相 关 关 系 的 结 论 Scharpf and Lory(2002) 通 过 分 析 航 空 摄 影 得 到 的 玉 米 冠 层 图 像 对 玉 米 的 追 肥 施 用 量 进 行 了 预 测 与 分 析, 结 果 发 现 在 玉 米 生 长 在 6 叶 期 到 7 叶 期 的 冠 层 图 像 的 相 对 绿 色 与 蓝 色 亮 度 值 与 经 济 最 佳 施 氮 量 间 有 良 好 的 线 性 正 相 关 关 系, 即 随 着 相 对 绿 色 亮 度 和 蓝 色 亮 度 的 增 加, 其 最 佳 施 氮 量 有 增 加 的 趋 势 由 此 可 以 判 断, 随 着 相 对 绿 色 亮 度 和 蓝 色 亮 度 与 土 壤 供 氮 量 间 为 线 性 负 相 关 关 系, 即 土 壤 供 氮 越 少, 相 对 绿 色 亮 度 和 蓝 色 值 越 高, 需 要 追 施 的 氮 肥 量 越 高 近 年 来, 国 内 的 许 多 研 究 人 员 在 如 何 从 营 养 不 良 的 植 物 叶 片 中 提 取 纹 理 特 征 作 了 很 多 的 研 究, 尤 其 是 将 计 算 机 技 术 图 像 技 术 数 学 统 计 理 论 人 工 神 经 网 络 人 工 智 能 遗 传 算 法 和 模 式 识 别 等 知 识 融 合 以 后 进 行 研 究, 取 得 了 丰 硕 的 成 果 7

14 第 一 章 前 言 徐 贵 力 等 (2002) 提 出 了 百 分 率 直 方 图 法 提 取 缺 素 叶 片 图 像 的 颜 色 特 征 的 方 法, 先 后 研 究 了 如 何 除 去 图 像 中 白 色 背 景 的 影 响 用 百 分 率 直 方 图 取 代 一 般 直 方 图 以 解 决 叶 片 大 小 对 颜 色 特 征 提 取 的 影 响 以 及 如 何 确 定 提 取 颜 色 值 的 区 域 此 方 法 提 取 的 颜 色 特 征 能 理 想 地 识 别 缺 素 番 茄 叶 片, 准 确 率 在 70% 以 上 毛 罕 平 等 (2004) 研 究 发 现, 由 图 像 傅 立 叶 周 向 谱 传 统 算 法 得 到 的 频 谱 分 布 不 能 真 正 地 反 映 其 频 率 特 性, 故 根 据 傅 立 叶 变 换 的 共 轭 对 称 性 提 出 了 更 具 有 一 般 性 的 长 方 环 傅 立 叶 周 向 谱 能 量 百 分 比 的 新 算 法 该 算 法 均 匀 地 把 图 像 功 率 谱 分 成 20 个 等 间 距 同 心 长 方 环, 计 算 每 一 个 长 方 环 内 功 率 谱 能 量 占 总 能 量 的 比 值 作 为 图 像 频 率 分 布 特 征 实 验 证 明, 新 算 法 能 更 好 地 反 映 具 有 一 般 性 的 不 同 频 率 图 像 的 纹 理 特 征, 在 对 作 物 缺 乏 营 养 元 素 的 诊 断 识 别 研 究 中, 新 算 法 提 取 的 特 征 有 效 性 远 远 高 于 传 统 算 法, 其 识 别 准 确 率 达 到 82% 以 上 毛 罕 平 徐 贵 力 等 (2003) 应 用 相 对 差 值 百 分 率 直 方 图 提 取 缺 素 叶 片 的 颜 色 特 征 ( 特 征 有 效 性 不 受 叶 片 大 小 形 状 差 异 和 叶 片 图 像 中 叶 片 周 边 白 色 背 景 的 影 响 ) 应 用 差 分 算 子 提 取 纹 理 的 时 域 特 征 应 用 傅 立 叶 变 换 提 取 纹 理 的 频 域 特 征 应 用 小 波 包 提 取 纹 理 的 时 频 特 征 等 新 方 法, 并 提 出 从 颜 色 和 纹 理 时 域 频 域 时 频 域 等 多 个 角 度 集 成 提 取 缺 素 叶 片 图 像 的 有 效 特 征 该 研 究 还 利 用 遗 传 算 法 对 提 取 的 缺 素 叶 片 图 像 众 多 颜 色 和 纹 理 特 征 项 进 行 优 化 选 择, 选 择 出 用 于 模 式 识 别 分 类 器 设 计 的 特 征 向 量, 使 诊 断 识 别 用 的 信 息 分 类 能 力 最 优 该 研 究 利 用 二 叉 树 分 类 法 建 立 了 对 番 茄 缺 素 进 行 模 式 识 别 的 框 架, 该 框 架 下 是 基 于 模 糊 K 近 邻 法 建 立 的 缺 素 模 式 识 别 系 统, 识 别 测 试 的 准 确 率 达 到 95%~92.5%, 且 可 以 比 肉 眼 识 别 提 前 6~10 天 贾 良 良 (2003) 将 数 字 图 像 技 术 直 接 应 用 于 在 冬 小 麦 氮 素 营 养 诊 断 和 氮 肥 推 荐, 建 立 了 地 面 和 航 空 数 字 图 像 获 取 及 数 字 图 像 处 理 的 方 法, 并 在 较 大 尺 度 农 田 上 结 合 数 字 图 像 技 术 和 土 壤 / 植 株 快 速 测 试 技 术 进 行 冬 小 麦 的 氮 肥 推 荐 2004 年, 他 与 陈 新 平 应 用 数 码 相 机 在 田 间 获 取 冬 小 麦 冠 层 图 像, 分 别 建 立 了 拔 节 期 和 孕 穗 期 冠 层 的 绿 色 深 度 与 地 上 部 植 株 全 氮 间 的 关 系 模 型, 相 关 系 数 分 别 为 0.69 和 0.74; 建 立 了 叶 绿 素 仪 SPAD 读 数 与 冠 层 绿 色 深 度 之 间 的 关 系 模 型, 相 关 系 数 分 别 为 0.62 和 0.71 该 研 究 表 明 : 冠 层 绿 色 深 度 随 着 植 株 全 氮 含 量 和 叶 绿 素 仪 读 数 的 增 加 而 降 低, 两 者 均 呈 极 显 著 的 线 性 负 相 关 关 系 (Jia and Chen,2004) 吴 富 宁 (2004) 采 用 田 间 近 地 数 码 相 机 图 像 对 冬 小 麦 氮 素 营 养 状 况 进 行 了 诊 断, 建 立 了 近 地 数 码 相 机 图 像 获 取 和 图 像 预 处 理 方 法, 提 取 和 筛 选 了 表 征 冬 小 麦 不 同 氮 素 营 养 状 况 下 冠 层 颜 色 及 形 态 的 特 征 量, 分 析 了 小 麦 冠 层 颜 色 特 征 与 叶 片 叶 绿 素 浓 度 和 含 氮 量 叶 片 覆 盖 度 与 叶 面 积 之 间 的 相 关 性, 提 出 了 统 计 模 式 识 别 方 法 叶 色 模 型 方 法 和 应 用 叶 片 覆 盖 度 三 种 氮 素 营 养 诊 断 途 径 吴 雪 梅 等 (2004) 通 过 对 缺 素 番 茄 叶 片 彩 色 图 像 的 分 析 研 究, 利 用 图 像 处 理 技 术 中 的 颜 色 分 析 方 法, 分 析 缺 N 和 正 常 叶 片 的 特 征 量 随 着 缺 素 时 间 的 变 化 规 律, 提 出 用 G 体 均 值 H 色 调 均 值 来 定 量 描 述 缺 N 叶 片 随 时 间 的 变 化 结 果 表 明 : 利 用 视 觉 识 别 技 术 能 定 量 描 述 缺 N 叶 片 颜 色 随 缺 素 时 间 的 变 化 胡 春 华 等 (2004) 提 出 了 HSV 系 统 中 的 H 色 调 相 对 差 值 百 分 率 直 方 图 法 确 定 缺 素 的 病 态 区 间 ; 并 对 缺 氮 缺 镁 及 正 常 3 种 样 本 的 颜 色 特 征 与 纹 理 特 征 随 缺 素 时 间 变 化 进 行 了 分 析, 提 出 了 用 灰 度 共 生 矩 阵 法 对 缺 素 黄 瓜 叶 片 进 行 纹 理 特 征 分 析 经 实 验 验 证, 此 方 法 能 有 效 地 区 别 出 叶 片 的 纹 理 特 征 在 RGB 和 HSI 颜 色 系 统 中 对 黄 瓜 叶 片 的 颜 色 特 征 进 行 分 析,B 方 差 R 均 值 和 H( 色 调 ) 能 较 好 地 区 别 缺 氮 与 正 常 缺 镁 与 正 常 的 颜 色 特 征 ; 提 出 了 RGB 系 统 的 G/R,G/B 的 数 字 统 计 特 征 来 区 分 缺 素 黄 瓜 叶 片 颜 色 特 征, 应 用 Ohta 系 统 的 I2 与 I3 的 数 字 特 征 来 识 别 不 同 的 黄 瓜 叶 片 颜 8

15 第 一 章 前 言 色 雷 咏 雯 等 (2004) 设 置 不 同 棉 花 施 氮 处 理 获 得 不 同 氮 素 营 养 状 况 的 群 体, 利 用 数 码 相 机 获 取 棉 花 冠 层 影 像, 研 究 了 棉 花 冠 层 影 像 光 谱 特 征 与 棉 花 施 氮 量 间 的 关 系 研 究 表 明 : 随 着 施 氮 量 的 增 加, 棉 花 冠 层 的 红 光 通 量 下 降, 蓝 光 绿 光 通 量 增 加 冠 层 红 绿 蓝 光 通 量 的 比 值 B/(R+G) 可 以 灵 敏 地 反 映 棉 花 施 氮 量 的 变 化, 可 作 为 棉 花 氮 素 叶 色 营 养 诊 断 的 特 征 值 土 壤 背 景 和 摄 影 时 的 光 照 强 度 对 诊 断 特 征 值 影 响 不 大, 摄 影 角 度 对 诊 断 特 征 值 影 响 较 大, 为 了 获 得 准 确 的 图 像 营 养 诊 断 特 征 值, 取 以 30 固 定 摄 影 角 度 为 佳 棉 花 盛 花 期 和 盛 蕾 期 均 可 采 用 叶 色 分 析 进 行 氮 素 营 养 诊 断 张 伟 等 (2004) 利 用 视 觉 识 别 技 术 进 行 作 物 缺 素 判 别, 从 颜 色 和 纹 理 两 个 方 面 提 取 番 茄 缺 N K Fe 正 常 的 四 种 情 况 下 叶 片 图 像 的 特 征 参 数, 取 得 了 较 满 意 的 效 果 运 用 视 觉 识 别 技 术 进 行 植 物 图 像 营 养 诊 断 具 有 很 好 的 潜 在 优 势 随 着 CCD 图 像 传 感 器 的 发 展, 视 觉 识 别 技 术 已 能 较 好 地 模 拟 人 眼 的 视 觉 特 性, 在 对 颜 色 的 辨 别 和 感 应 上 已 远 远 超 出 了 人 眼 的 能 力, 使 基 于 颜 色 特 征 的 植 物 氮 素 营 养 诊 断 具 有 明 显 优 势 因 此, 利 用 CCD 数 码 相 机 作 为 可 见 光 遥 感 传 感 器 进 行 植 物 图 像 营 养 诊 断 在 植 物 氮 素 营 养 诊 断 中 具 有 广 阔 的 应 用 前 景 目 前, 国 内 外 利 用 视 觉 识 别 技 术 进 行 植 物 营 养 诊 断 的 研 究, 多 数 侧 重 从 数 学 的 角 度 进 行 表 征 营 养 状 况 的 特 征 信 息 的 提 取 算 法 的 比 较 研 究, 对 从 营 养 丰 缺 特 征 信 息 出 现 原 因 的 深 层 次 挖 掘 方 面 尤 其 是 有 用 的 分 光 光 谱 信 息 提 取 缺 乏 基 础 性 的 探 索 因 此, 笔 者 认 为, 从 植 物 叶 绿 素 浓 度 植 物 营 养 含 量 植 物 叶 片 以 及 冠 层 的 反 射 光 谱 信 息 这 三 个 方 面 综 合 地 利 用 分 光 光 谱 信 息 和 视 觉 识 别 技 术 进 行 植 物 营 养 丰 缺 的 图 像 特 征 信 息 进 行 深 层 次 挖 掘, 有 望 取 得 意 想 不 到 的 收 获 视 觉 识 别 技 术 在 植 物 信 息 检 测 中 的 应 用 视 觉 识 别 技 术 不 仅 在 植 物 营 养 诊 断 中 显 示 出 了 强 大 的 技 术 优 势, 在 农 业 工 程 的 其 他 领 域 的 研 究 同 样 受 到 人 们 的 关 注 利 用 视 觉 识 别 技 术 获 取 植 物 的 生 长 状 态 信 息, 进 行 农 业 种 质 资 源 管 理 农 产 品 品 质 资 源 管 理 农 产 品 品 质 鉴 定 以 及 农 业 生 产 加 工 自 动 化 等 领 域 研 究 取 得 了 丰 硕 的 成 果 植 物 生 长 信 息 包 括 群 体 状 态 信 息 和 单 株 生 长 状 态 信 息 群 体 状 态 信 息 包 括 群 体 冠 层 覆 盖 度 冠 层 总 反 射 情 况 冠 层 运 动 状 态 叶 面 积 指 数 等 而 单 株 植 物 的 生 长 状 态 信 息 则 主 要 是 指 叶 面 积 茎 杆 直 径 叶 柄 夹 角 叶 尖 运 动 叶 片 与 茎 杆 夹 角 等 Mayer G.E. et al.(1987) 利 用 视 觉 识 别 分 析 了 几 种 作 物 的 叶 面 积 茎 杆 直 径 及 叶 柄 夹 角 等, 率 先 开 始 了 植 物 图 像 生 长 检 测 的 研 究 Hack et al.(1988) 在 温 室 条 件 下 利 用 视 觉 识 别 技 术 测 量 生 菜 在 初 期 生 长 阶 段 的 叶 面 积, 为 了 消 除 背 景 干 扰 采 用 了 nm 波 段 的 近 红 外 光 采 集 植 物 图 像, 根 据 一 天 中 不 同 光 照 强 度 相 应 调 整 图 像 的 灰 度 以 提 高 叶 面 积 检 测 精 度, 最 后 得 到 了 较 满 意 的 图 像 检 测 叶 面 积 与 植 物 鲜 重 的 回 归 曲 线 Seginer I et al.(1992) 利 用 视 觉 识 别 技 术 监 测 西 红 柿 叶 尖 的 垂 直 运 动, 建 立 了 叶 尖 运 动 与 植 物 缺 水 的 关 系, 为 及 时 灌 溉 提 供 了 依 据 Trooien et al.(1992) 探 索 了 利 用 图 像 处 理 方 法 检 测 马 铃 薯 叶 面 积 的 方 法 该 研 究 从 三 个 互 相 垂 直 的 角 度 拍 摄 植 物 图 像, 然 后 由 三 副 图 像 计 算 出 来 的 叶 面 积 合 成 处 理 为 植 物 真 正 的 叶 面 积 该 图 像 检 测 方 法 得 到 的 结 果 与 用 叶 面 积 仪 ( 测 量 精 度 为 1%) 测 量 的 结 果 建 立 回 归 方 程, 回 归 方 程 的 相 关 系 数 达 到 0.98, 并 建 议 在 回 归 方 程 中 考 虑 植 株 体 积 ( 俯 视 图 的 高 度 与 顶 视 图 面 积 9

16 第 一 章 前 言 的 乘 积 ) 因 素 该 研 究 结 果 表 明, 利 用 图 像 处 理 方 法 检 测 马 铃 薯 叶 面 积 具 有 较 高 的 准 确 性 Van Henten et al.(1995) 研 究 了 植 物 叶 冠 相 对 覆 盖 率 与 植 株 干 物 重 之 间 的 关 系, 建 立 了 三 种 数 学 模 型 该 研 究 利 用 图 像 处 理 和 破 坏 性 测 量 对 莴 苣 作 对 比 试 验, 利 用 线 性 回 归 得 到 了 一 个 最 优 模 型 试 验 结 果 表 明 : 植 物 的 叶 面 积 与 植 物 干 物 重 之 间 确 实 存 在 线 性 关 系, 图 像 处 理 误 差 只 有 5% 左 右 Shimizu et al.(1995) 设 计 了 一 种 利 用 CCD 摄 像 机 与 红 外 照 明 设 备 组 成 的 视 觉 识 别 系 统 来 进 行 植 物 生 连 续 长 监 测 通 过 分 析 该 系 统 以 12 分 / 次 频 率 进 行 连 续 记 录 三 天 的 信 息 发 现 : 白 天 和 晚 上 的 平 均 生 长 率 分 别 为 1.70 mm/h 和 0.65 mm/h, 白 天 的 生 长 速 率 远 远 高 于 夜 晚, 这 为 合 理 调 控 植 物 的 光 照 环 境 提 供 了 理 论 依 据 Tao et al.(1995) 直 接 利 用 直 方 图 的 均 值 作 为 颜 色 特 征 对 土 豆 和 苹 果 进 行 分 级 ; 李 庆 中 等 (2000) 利 用 苹 果 颜 色 直 方 图 部 分 区 域 的 均 值 作 为 品 质 分 类 器 的 输 入 特 征, 实 现 对 苹 果 的 品 质 分 级 曹 其 新 等 (2001) 认 为 视 觉 识 别 系 统 判 别 西 红 柿 品 质 的 关 键 在 于 能 否 真 实 地 提 取 特 征 参 数 由 于 西 红 柿 果 实 存 在 新 陈 代 谢 且 表 面 非 常 光 滑, 使 视 觉 识 别 系 统 采 集 图 像 时 受 环 境 温 度 和 光 线 的 影 响 很 大 同 时, 很 难 直 接 从 采 集 到 的 RGB 彩 色 图 像 中 提 取 有 效 的 品 质 特 征 参 数 为 此, 他 们 基 于 彩 色 图 像 处 理 技 术 把 RGB 彩 色 图 像 转 换 为 L*a*b* 模 式 的 彩 色 图 像, 然 后 提 取 西 红 柿 品 质 特 征 参 数 试 验 结 果 表 明 : 采 用 这 种 方 法 提 取 的 西 红 柿 的 图 像 品 质 特 征 参 数 基 本 上 不 受 照 明 强 度 的 影 响 李 少 昆 等 (1998) 率 先 在 国 内 将 视 觉 识 别 技 术 用 于 小 麦 玉 米 等 大 田 作 物 株 型 信 息 的 提 取 和 生 长 监 测 借 助 人 工 标 记 法 对 玉 米 小 麦 株 型 信 息 进 行 提 取, 将 基 于 图 像 处 理 的 特 征 参 数 与 传 统 农 学 中 的 参 数 建 立 起 了 相 关 关 系, 检 测 到 叶 片 长 度 茎 叶 夹 角 叶 倾 角 等 30 余 个 形 态 特 征 参 数, 同 时 建 立 了 基 于 图 像 处 理 技 术 的 一 些 新 指 标 陈 立 平 等 (2000) 将 图 像 分 析 技 术 和 专 家 系 统 技 术 结 合 起 来 应 用 于 作 物 的 形 态 诊 断 实 现 了 作 物 特 征 的 自 动 提 取 和 形 态 的 智 能 诊 断 耿 楠 等 (2001) 分 析 了 作 物 生 长 图 像 检 测 中 的 共 性 方 法 : 选 择 中 值 滤 波 法 平 滑 图 像 中 的 噪 声, 用 判 别 分 析 方 法 确 定 最 佳 阙 值, 从 背 景 中 分 割 小 麦 图 像 进 行 细 化, 提 出 了 基 于 叶 片 位 置 的 叶 片 分 割 方 法 利 用 该 视 觉 识 别 方 法 对 育 种 小 麦 进 行 生 长 信 息 检 测, 由 此 获 得 在 小 麦 茎 杆 上 的 位 置, 其 准 确 率 达 到 93%; 根 据 叶 片 轮 生 的 特 性 将 叶 片 和 茎 杆 分 离, 利 用 对 小 麦 图 像 细 化 后 的 叶 片 和 茎 杆 之 间 存 在 的 叉 点 数 检 测 叶 片 数 量, 正 确 率 达 到 95% Lukina et al.(1999) 应 用 数 码 相 机 获 取 田 间 小 麦 冠 层 图 像 获 得 小 麦 冠 层 覆 盖 度 来 估 算 冬 小 麦 冠 层 的 生 物 量 Adamsen et al.(1999) 应 用 数 码 相 机 获 取 了 冬 小 麦 的 冠 层 图 像 表 明 : 冠 层 图 像 绿 光 (G) 与 红 光 (R) 的 比 值 G/R 与 叶 绿 素 仪 读 数 有 极 显 著 的 相 关 关 系 Dymond and Trotter (1997) 利 用 CCD 数 码 相 机 通 过 航 空 摄 影 获 得 森 林 和 牧 场 的 彩 色 图 像, 经 校 验 后 评 价 森 林 和 牧 场 的 植 物 冠 层 双 波 长 的 反 射 特 性 Blackmer(1996) 研 究 了 冠 层 光 反 射 与 玉 米 产 量 的 关 系, 通 过 分 析 彩 色 图 像 上 的 冠 层 相 对 亮 度 对 玉 米 产 量 进 行 了 预 测, 红 绿 蓝 三 色 光 与 玉 米 产 量 间 都 达 到 了 极 显 著 的 线 性 正 相 关 关 系 韩 力 群 等 (2000) 应 用 图 像 处 理 技 术 表 征 烟 叶 的 质 量 特 征, 提 出 了 用 视 觉 彩 色 模 型 HSI 分 析 烟 叶 颜 色 特 征 的 方 法, 给 出 用 链 码 描 述 烟 叶 外 形 轮 廓 的 思 路 及 利 用 链 码 对 若 干 烟 叶 样 本 外 形 特 征 值 进 行 计 算 的 结 果 文 中 还 提 出 对 烟 叶 叶 片 结 构 与 特 征 的 综 合 提 取 与 描 述 方 法, 并 利 用 人 工 神 经 网 络 建 立 了 烟 叶 成 熟 度 的 数 学 模 型 纪 寿 文 等 (2001) 利 用 视 觉 识 别 技 术 分 析 了 玉 米 苗 期 田 间 杂 草 的 特 征 量, 识 别 出 田 间 杂 草 并 10

17 第 一 章 前 言 确 定 了 杂 草 的 位 置 和 生 长 状 况 研 究 中 采 用 双 峰 法 滤 除 了 土 壤 背 景, 根 据 投 影 面 积 叶 长 叶 宽 识 别 出 了 杂 草, 并 且 根 据 杂 草 的 投 影 面 积 确 定 杂 草 密 度 实 验 结 果 表 明 : 此 方 法 可 有 效 地 识 别 出 玉 米 苗 期 田 间 细 长 的 单 子 叶 杂 草 张 健 钦 等 (2002) 概 述 了 国 外 视 觉 识 别 技 术 在 杂 草 识 别 中 的 研 究 和 应 用 状 况, 介 绍 了 用 于 变 量 除 草 机 的 视 觉 识 别 技 术 的 系 统 组 成 Yutaka et al.(1999) 研 究 了 一 种 有 病 斑 叶 片 的 病 斑 部 分 和 正 常 部 分 反 射 光 谱 的 曲 线 来 判 别 作 物 的 病 因, 提 出 可 利 用 视 觉 识 别 技 术 对 有 病 害 斑 点 的 叶 片 进 行 采 样 刘 振 恒 等 (2004) 利 用 机 器 视 觉 技 术 从 复 杂 的 土 壤 背 景 下 分 离 出 植 物 ( 作 物 和 杂 草 ) 的 方 法 以 用 于 杂 草 识 别 He et al. (2003) 利 用 双 眼 视 识 别 系 统 把 种 苗 群 落 的 二 维 彩 色 图 像 合 成 三 维 彩 色 图 像, 从 而 成 功 地 检 测 出 了 穴 盘 种 苗 群 落 的 株 高 叶 面 积 群 落 体 积 等 图 像 特 征 值 来 进 行 植 物 群 落 的 成 长 检 测 以 用 于 植 物 工 厂 化 生 产 的 最 适 环 境 控 制 李 长 缨 等 (2003) 利 用 视 觉 识 别 技 术 获 取 温 室 植 物 生 长 状 态 信 息 以 用 于 温 室 的 智 能 化 控 制 该 研 究 设 计 了 一 套 视 觉 识 别 系 统 对 黄 瓜 幼 苗 生 长 进 行 无 损 监 测, 同 时 利 用 VC 编 制 图 像 分 析 处 理 软 件, 提 取 叶 冠 投 影 面 积 和 株 高 等 外 部 形 态 特 征 通 过 对 两 组 无 土 栽 培 的 黄 瓜 幼 苗 叶 冠 投 影 面 积 的 连 续 监 测, 发 现 叶 冠 投 影 面 积 的 变 化 趋 势 可 以 较 好 的 反 映 植 物 水 分 的 缺 肥 情 况 1.3 研 究 目 标 研 究 思 路 和 技 术 路 线 研 究 目 标 本 研 究 以 植 物 营 养 状 况 的 图 像 检 测 为 主 要 目 标, 从 植 物 叶 绿 素 浓 度 营 养 含 量 冠 层 叶 片 以 及 冠 层 的 反 射 光 谱 信 息 这 三 个 方 面 综 合 地 利 用 光 谱 技 术 和 视 觉 识 别 技 术 进 行 统 计 分 析, 确 定 可 以 表 征 植 物 营 养 丰 缺 状 况 的 有 效 的 光 谱 特 征 参 数 和 图 像 特 征 参 数, 明 确 有 效 的 图 像 特 征 参 数 的 提 取 算 法, 为 动 态 在 线 的 植 物 图 像 营 养 诊 断 提 供 数 据 支 持 和 理 论 依 据 研 究 思 路 植 物 光 谱 特 性 作 为 一 种 综 合 信 息 能 在 一 定 程 度 上 反 映 出 植 物 的 营 养 状 况, 其 中, 利 用 植 物 叶 片 的 反 射 光 谱 可 以 定 量 地 表 征 植 物 叶 片 的 不 同 的 营 养 状 况 本 研 究 就 是 基 于 这 一 理 论, 从 植 物 叶 绿 素 浓 度 植 物 营 养 含 量 植 物 叶 片 以 及 冠 层 的 反 射 光 谱 信 息 这 三 个 方 面 综 合 地 利 用 光 谱 技 术 和 视 觉 识 别 技 术 进 行 统 计 分 析, 确 定 可 以 表 征 植 物 营 养 丰 缺 状 况 的 有 效 的 光 谱 特 征 参 数 和 图 像 特 征 参 数, 确 定 有 效 的 图 像 特 征 参 数 的 提 取 算 法, 为 动 态 在 线 的 植 物 图 像 营 养 诊 断 提 供 数 据 支 持 和 理 论 依 据 本 研 究 在 温 室 内 采 用 栽 培 槽 基 质 栽 培 黄 瓜, 在 保 证 物 理 环 境 和 其 它 栽 培 条 件 基 本 不 变 的 情 况 下, 通 过 营 养 液 控 制 不 同 的 氮 素 供 给 水 平, 得 到 不 同 生 长 期 的 不 同 含 氮 营 养 水 平 的 冠 层 叶 片 样 本 黄 瓜 栽 培 期 间 通 过 嵌 入 网 络 式 数 码 相 机 动 态 地 采 集 植 物 群 冠 的 图 像, 并 定 期 使 用 便 携 式 叶 绿 素 仪 (SPAD-502, 美 能 达 公 司, 日 本 ) 测 量 活 体 样 本 叶 片 的 相 对 叶 绿 素 浓 度 SPAD 值 样 本 叶 片 被 摘 取 后 立 即 采 用 高 分 辨 率 数 码 相 机 在 光 照 条 件 比 较 稳 定 的 条 件 下 采 集 单 叶 的 图 像 信 息 ; 为 了 获 得 更 有 效 的 数 字 图 像 信 息, 还 使 用 扫 描 仪 在 数 码 相 机 采 集 完 单 叶 图 像 信 息 之 后 立 即 采 集 单 叶 的 图 像 信 息 ; 最 后 用 精 密 分 光 光 度 计 检 测 获 得 鲜 叶 的 分 光 反 射 率 特 性 数 据, 并 于 干 燥 粉 碎 消 煮 后 使 用 全 自 11

18 第 一 章 前 言 动 凯 氏 定 氮 仪 精 密 测 定 叶 片 的 全 氮 含 量 在 通 过 上 述 检 测 分 析 的 基 础 上, 研 究 不 同 氮 素 水 平 处 理 下 的 黄 瓜 冠 层 和 单 个 叶 片 的 数 字 图 像 特 征 与 其 叶 绿 素 仪 测 试 数 据 叶 片 全 氮 含 量 叶 片 分 光 数 据 等 指 标 的 关 系, 建 立 基 于 光 谱 技 术 理 论 和 图 像 处 理 技 术 的 黄 瓜 氮 素 营 养 诊 断 方 法 体 系, 用 于 对 黄 瓜 氮 素 营 养 的 实 时 准 确 快 速 诊 断 技 术 路 线 本 研 究 采 用 的 技 术 路 线 如 图 1-1 所 示, 其 中 虚 线 部 分 为 尚 未 完 成 的 内 容 种 植 试 验 黄 瓜 幼 苗 构 建 图 像 采 集 装 置 ( 采 集 摄 像 装 置 采 集 环 境 设 计 ) 不 同 营 养 状 况 黄 瓜 叶 片 的 分 光 特 性 检 测 采 集 图 像 并 利 用 选 定 颜 色 模 型 进 行 图 像 预 处 理 黄 瓜 叶 片 的 不 同 营 养 元 素 含 量 的 定 量 精 细 检 测 利 用 选 定 算 法 进 行 营 养 丰 缺 特 征 信 息 模 式 识 别 算 法 确 定 对 上 述 数 据 进 行 统 计 处 理, 确 定 植 物 叶 片 营 养 敏 感 谱 段 以 及 分 光 特 性 与 营 养 元 素 含 量 间 的 定 量 关 系 检 验 算 法 并 实 现 产 品 试 制 与 调 试 图 1-1 技 术 路 线 12

19 第 二 章 试 验 设 计 第 二 章 试 验 设 计 2.1 营 养 失 衡 黄 瓜 样 本 的 栽 培 试 验 设 计 栽 培 试 验 说 明 黄 瓜 (Cucumis sativus L., 北 京 102) 叶 片 样 本 的 栽 培 试 验 于 2005 年 6~8 月,2005 年 月,2006 年 4-5 月 在 中 国 农 业 大 学 水 利 与 土 木 工 程 学 院 顶 楼 的 试 验 温 室 内 进 行, 穴 盘 育 苗 后 移 栽 至 栽 培 槽 进 行 基 质 栽 培, 并 采 用 不 同 氮 素 水 平 的 营 养 液 供 液 穴 盘 育 苗 采 用 72 孔 型 穴 盘, 栽 培 槽 长 2.5 m, 宽 60 cm, 深 30 cm( 图 2-1) 育 苗 和 栽 培 期 的 基 质 配 比 均 选 用 蛭 石 草 炭 和 珍 珠 岩 3:1:1 的 混 合 物, 并 在 基 质 中 掺 入 少 量 的 大 颗 粒 沙 营 养 液 标 准 配 方 采 用 日 本 山 崎 黄 瓜 配 方 ( 表 2-1), 使 用 分 析 纯 试 剂 ( 产 自 天 津 市 福 晨 化 学 试 剂 厂 ) 的 Ca(NO3)2 4H20 CaCl2 2H20 KNO3 K 2SO4 NH4H2PO4 NH4NO3 MgSO4 7H20 进 行 调 配 表 2-1 山 崎 黄 瓜 配 方 (1978) 每 升 水 中 含 有 化 合 物 的 毫 克 数 (Mg/L) 四 水 硝 酸 钙 硝 酸 钾 磷 酸 氢 二 铵 七 水 硫 酸 镁 总 盐 含 量 山 崎 黄 瓜 配 方 (1978) 播 种 准 备 : 浸 种 与 催 芽 1) 浸 种 : 热 水 烫 种 法 : 先 用 冷 水 浸 泡 种 子, 利 用 浮 选 法 除 去 不 饱 满 的 黄 瓜 种 子, 再 用 热 水 边 倒 种 子 边 快 速 搅 拌, 防 止 烫 伤 种 子, 待 水 温 降 至 时, 停 止 搅 拌, 然 后 继 续 浸 泡 一 段 时 间 2) 催 芽 : 把 浸 泡 好 的 种 子 洗 净, 滤 去 多 余 的 水 分, 晾 成 半 干, 用 干 净 的 湿 纱 布 包 好, 放 入 洁 净 的 容 器 内 里, 放 到 适 温 处 催 芽, 约 24 小 时 即 可 露 白 ( 胚 根 露 出 ), 等 到 黄 瓜 胚 根 长 约 3 cm 即 可 播 种 播 种 育 苗 时 间 及 条 件 将 催 芽 后 露 出 胚 根 的 黄 瓜 种 子 播 种 于 72 孔 穴 盘, 两 盘 共 144 棵 播 种 时 要 求 胚 根 根 尖 朝 下, 以 提 高 发 芽 率 播 种 后 两 天 内 进 行 遮 光 处 理, 等 到 穴 盘 表 面 覆 土 基 本 露 白 后 再 见 光 使 其 顺 利 萌 芽 绿 化 幼 苗 期 不 供 给 营 养 液, 只 在 每 天 中 午 喷 洒 清 水 在 黄 瓜 幼 苗 长 出 第 一 片 真 叶 并 完 全 展 开 后 即 可 进 行 移 栽, 所 有 试 验 区 的 播 种 育 苗 处 理 均 相 同 移 栽 后 栽 培 条 件 栽 培 槽 内 株 距 为 30 cm, 行 距 为 30 cm, 种 植 两 排, 每 个 分 区 种 植 16 棵 详 细 布 置 见 图 2-1 移 栽 当 天 不 供 给 营 养 液, 只 用 清 水 浇, 以 利 于 缓 苗 栽 培 区 内 环 境 条 件 如 下 : 1) 温 度 ; 2) 湿 度 40-85%; 13

20 第 二 章 试 验 设 计 3) 灌 溉 用 水 ph 值 10.5, 调 整 后 在 之 间 ; 4) 温 室 内 C02 浓 度 在 ppm 之 间 黄 瓜 生 长 阶 段 的 定 义 和 划 分 黄 瓜 生 长 阶 段 的 划 分 以 叶 龄 为 主, 辅 以 其 他 生 长 形 态 特 征 1) 幼 苗 期 : 穴 盘 内 育 苗 阶 段, 从 催 芽 后 播 种 到 第 一 片 真 叶 完 全 展 开 ; 2) 小 苗 期 : 第 一 片 真 叶 完 全 展 开 到 完 全 展 开 第 3-4 片 叶 ; 3) 大 苗 期 : 从 完 全 展 开 第 3-4 片 真 叶 到 完 全 展 开 第 6-7 片 叶 ; 4) 爬 藤 期 和 花 蕾 期 : 基 本 上 在 长 出 第 5 片 叶 以 后 试 验 区 说 明 图 2-1 栽 培 区 布 置 平 面 图 试 验 区 设 置 按 照 黄 瓜 正 常 生 长 需 求 的 标 准 氮 素 水 平 ( 即 以 山 崎 黄 瓜 营 养 液 配 方 为 标 准 ) 为 100%, 在 尽 量 保 证 其 他 营 养 元 素 含 量 不 变 的 条 件 下 分 别 增 减 营 养 液 中 50% 和 100% 氮 素 的 含 量 水 平, 共 设 置 了 五 个 试 验 区, 营 养 液 中 中 硝 态 氮 和 氨 态 氮 的 分 配 比 例 以 及 其 他 营 养 元 素 含 量 如 表 2-2 根 据 营 养 液 的 氮 素 水 平 0% 50% 100% 150% 和 200%, 分 别 定 义 其 试 验 区 代 码 为 N0,N50,N100,N150,N 试 验 区 营 养 液 管 理 栽 培 槽 内 黄 瓜 的 营 养 液 供 给 采 用 自 动 定 时 控 制 营 养 液 原 液 试 剂 的 配 制 在 五 楼 组 培 实 验 室 完 成, 首 先 将 营 养 液 试 剂 溶 解 在 塑 料 桶 内 并 调 整 ph 值 在 之 间, 然 后 用 泵 将 营 养 液 分 别 灌 入 栽 培 槽 旁 边 的 白 色 塑 料 桶 ( 容 积 为 50 L) 内 每 次 的 灌 溉 时 间 为 1 秒, 每 桶 营 养 液 可 灌 溉 2~3 次 小 苗 期 每 周 营 养 液 灌 溉 两 次, 时 间 安 排 在 每 周 一 和 周 四 的 下 午 两 点 大 苗 期 及 以 后 每 周 营 养 液 灌 溉 三 次, 时 间 安 排 在 每 周 一 周 三 和 周 五 的 下 午 两 点 14

21 第 二 章 试 验 设 计 表 2-2 试 验 区 设 置 与 营 养 液 配 方 ( 单 位 :mg/l) 分 区 设 置 一 区 二 区 三 区 四 区 五 区 肥 料 试 剂 N0 N50 N100 N150 N200 Ca(NO 3 ) 2 4H CaCl 2 2H KNO K 2 SO NH 4 H 2 PO NH4NO MgSO4 7H 表 2-3 微 量 元 素 通 用 配 方 项 目 肥 料 种 类 肥 料 试 剂 名 称 硫 酸 锰 硼 酸 硫 酸 亚 铁 硫 酸 铜 硫 酸 锌 钼 酸 铵 肥 料 试 剂 分 子 式 MnSO 4 H 2 O H 3 BO 3 FeSO 4 7H 2 O CuSO 4 5H 2 0 ZnSO 4 7H 2 O (NH 4 ) 6 Mo 7 O 24 4H 2 O 每 升 水 含 有 的 化 合 物 毫 克 数 (mg/l) 分 光 光 谱 数 据 与 图 像 采 集 数 据 采 集 时 间 及 生 长 阶 段 在 小 苗 期 大 苗 期 爬 藤 期 和 花 蕾 期 分 别 在 每 个 试 验 区 选 取 5 棵 植 物 进 行 摘 叶 破 坏 试 验 为 了 使 各 个 分 区 营 养 状 况 差 异 性 比 较 明 显, 选 取 各 分 区 间 颜 色 差 异 较 大 的 植 株 在 小 苗 期, 只 对 每 个 被 选 取 的 植 株 上 最 顶 端 的 三 片 叶 进 行 叶 绿 素 SPAD 值 测 定, 将 这 些 叶 片 采 摘 后 先 后 分 别 用 CCD 数 码 相 机 和 扫 描 仪 采 集 图 像, 然 后 利 用 紫 外 可 见 近 红 外 分 光 光 度 计 采 集 分 光 光 谱 数 据, 待 植 物 叶 片 烘 干 后 利 用 凯 氏 定 氮 仪 和 原 子 吸 收 等 定 量 精 密 检 测 各 营 养 元 素 含 量 精 细 营 养 含 量 测 定 尽 管 有 最 低 干 重 限 制, 但 在 试 验 过 程 中 一 定 要 对 每 一 个 叶 片 进 行 精 细 营 养 测 定, 以 获 得 最 有 效 的 差 异 化 数 据 叶 绿 素 浓 度 检 测 使 用 便 携 式 叶 绿 素 仪 (SPAD-502, 美 能 达 公 司, 日 本 ) 测 量 活 体 样 本 叶 片 的 相 对 叶 绿 素 浓 度 SPAD 值 选 取 新 展 开 的 第 一 片 第 二 片 完 全 展 开 叶 和 下 位 第 一 片 或 第 二 片 叶 作 为 测 定 叶 位, 测 定 位 置 选 取 在 距 离 叶 片 基 部 约 55% 处 ( 图 2-2) 进 行 多 次 ( 至 少 5 次 ) 测 量 取 平 均, 测 定 时 间 选 择 在 上 午 十 点 至 下 午 两 点 之 间 15

22 第 二 章 试 验 设 计 叶 片 分 光 特 性 检 测 分 光 检 测 设 备 分 光 光 谱 检 测 使 用 了 紫 外 可 见 近 红 外 分 光 光 度 计 (UV3150, 岛 津 制 作 所, 日 本 ), 其 测 量 光 谱 范 围 为 nm, 可 测 量 物 体 的 吸 光 度 透 过 率 和 反 射 率 的 分 光 光 谱 数 据, 其 中 反 射 率 测 定 使 用 了 配 置 有 积 分 球 的 大 样 品 室 和 12 入 射 角 的 绝 对 反 射 装 置 本 试 验 主 要 测 量 了 黄 瓜 叶 片 的 的 绝 对 反 射 率 和 相 对 反 射 率, 其 中 测 量 相 对 反 射 率 时 采 用 了 积 分 球 专 用 硫 酸 钡 (BaSO 4 ) 标 准 板 作 为 参 比 分 光 测 试 条 件 测 量 黄 瓜 叶 片 的 相 对 反 射 率 时, 首 先 扫 描 BaSO 4 标 准 板 的 分 光 反 射 数 据 作 为 参 比 做 基 线 校 正, 然 后 扫 描 叶 片 样 本 相 对 于 BaSO 4 的 相 对 分 光 反 射 数 据 选 取 的 测 量 波 长 范 围 为 nm, 扫 描 速 度 为 中 速, 波 长 分 辨 率 为 0.5 nm, 氘 灯 和 钨 灯 的 光 源 波 长 切 换 点 设 置 在 340 nm 处, 光 栅 波 长 切 换 点 设 置 在 820 nm 处, 狭 缝 宽 度 设 置 为 20 nm 叶 片 测 定 的 位 置 点 基 本 与 叶 绿 素 仪 SPAD502 的 测 点 保 持 一 致, 即 在 叶 片 的 中 部 距 离 叶 基 部 约 为 55% 的 位 置 ( 图 2-2) 图 2-2 叶 绿 素 SPAD 值 与 分 光 特 性 测 定 位 置 图 像 采 集 条 件 与 方 法 小 苗 期 和 大 苗 期 从 上 方 约 1000 mm 处 使 用 分 辨 率 为 330 万 像 素 的 数 码 相 机 (Optio330,PENTAX 公 司, 日 本 ) 进 行 水 平 拍 摄 爬 藤 期 和 花 蕾 期 的 图 像 在 实 验 室 使 用 数 码 相 机 进 行 侧 面 近 距 离 拍 摄 在 整 个 试 验 期 间, 使 用 Field Monitoring Server 对 实 验 环 境 的 温 度 湿 度 光 照 强 度 植 物 图 16

23 第 二 章 试 验 设 计 像 进 行 全 程 实 时 在 线 监 测 分 光 检 测 之 前 的 离 体 叶 片 图 像 采 集 采 用 330 万 像 素 的 数 码 相 机 (Optio330, PENTAX 公 司, 日 本 ) 在 自 制 的 图 像 采 集 架 上 进 行 图 像 采 集 架 的 外 形 尺 寸 为 mm, 内 壁 贴 反 光 膜, 其 内 壁 顶 部 固 定 有 四 支 高 功 率 / 高 亮 度 管 状 节 能 灯 ( 达 然 E27, 浙 江 达 然 电 子 有 限 公 司, 中 国 ), 灯 管 功 率 为 45W( 有 效 功 率 为 200W) 拍 摄 图 像 时, 把 植 物 叶 片 放 入 采 集 架 底 部, 数 码 相 机 利 用 侧 面 或 者 顶 部 所 开 的 小 孔 处 进 行 图 像 采 集 为 了 减 少 人 工 光 源 及 环 境 可 能 对 拍 摄 对 象 的 颜 色 再 现 造 成 颜 色 失 真 等 影 响, 每 次 图 像 采 集 之 前 还 应 对 数 码 相 机 进 行 白 平 衡 校 准, 即 对 白, 以 便 在 不 同 的 色 温 条 件 下 都 能 还 原 出 被 对 象 物 体 的 原 色 具 体 操 作 为 : 用 镜 头 对 准 纯 白 色 物 体 ( 如 白 色 墙 壁 ) 充 满 相 机 取 景 器, 调 整 手 动 白 平 衡 ( 不 同 的 机 器 调 整 方 法 不 同, 可 参 阅 说 明 书, 一 般 是 按 住 手 动 白 平 衡 钮 1~2 秒 系 统 提 示 完 毕 即 可 ) 就 可 以 了 在 图 像 采 集 架 上 进 行 图 像 采 集 之 后, 使 用 扫 描 仪 (BenQ5550, 明 基, 中 国 ) 扫 描 叶 片 图 像 以 减 少 光 照 的 影 响, 并 与 数 码 相 机 采 集 到 的 图 像 进 行 对 比, 以 备 图 像 校 准 只 用 数 据 处 理 时 采 用 扫 描 图 像, 而 实 际 应 用 验 证 时 可 选 用 数 码 相 机 图 像 进 行 叶 片 营 养 成 分 的 精 细 检 测 样 品 的 前 处 理 方 法 将 黄 瓜 叶 片 剪 碎 后 放 置 于 烘 箱 中, 首 先 设 烘 箱 温 度 为 105 对 叶 片 材 料 进 行 约 10 分 钟 杀 青 处 理, 之 后 保 持 80 温 度 条 件 干 燥 72 小 时, 然 后 使 用 研 钵 / 粉 粹 机 将 样 品 研 磨 / 粉 碎 至 直 径 为 0.20 mm 左 右 称 取 粉 碎 过 筛 后 的 黄 瓜 叶 片 样 品 200~500 mg, 置 于 100 ml 干 燥 的 洁 净 消 煮 管 中, 先 用 少 量 水 润 湿 之 然 后 加 浓 H2SO4 3~8 ml, 轻 轻 摇 匀 后 放 置 过 夜 第 二 天 把 消 煮 管 盖 上 小 漏 斗 后 放 在 到 消 煮 炉 上 加 热, 先 升 至 180 消 煮 1 小 时, 再 升 温 至 300 消 煮 约 2 小 时 待 溶 液 呈 棕 红 色 时, 取 下 稍 冷 ( 约 1 分 钟 ), 即 刻 滴 加 15 滴 30 % H2O2 ( 要 直 接 滴 到 溶 液 中 ), 摇 匀 ( 溶 液 颜 色 可 能 变 浅 ), 再 放 到 消 煮 炉 上 继 续 消 煮, 约 15 min 重 复 一 次,H2O2 用 量 要 依 次 减 少 如 此 重 复 数 次, 直 至 溶 液 变 成 无 色 或 清 亮 后, 再 加 热 5-10 分 钟, 以 除 尽 剩 余 的 H2O2 取 下 冷 却 后 加 入 10 ml 蒸 馏 水, 用 少 量 蒸 馏 水 冲 洗 小 漏 斗 后, 洗 液 也 加 入 消 煮 管 后 用 50 ml 容 量 瓶 定 容 各 营 养 元 素 含 量 的 测 定 方 法 鉴 于 植 物 中 的 氮 磷 大 多 数 以 有 机 态 存 在, 钾 以 离 子 态 存 在, 样 品 在 浓 H2SO4 作 用 下, 经 脱 水 碳 化 氧 化 等 一 系 列 反 应 后 可 使 其 有 机 态 转 化 为 无 机 态 氧 化 剂 H2O2 在 热 的 浓 H2SO4 中, 分 解 出 新 生 态 氧,H2O2 H2O+[O] 具 有 强 烈 的 氧 化 作 用, 分 解 H2SO4 所 没 有 破 坏 的 有 机 物 和 碳, 变 成 CO2 H2O, 这 时, 植 物 叶 片 中 的 有 机 氮 磷 已 转 化 为 铵 盐 和 磷 酸 盐 因 此, 可 利 用 上 述 前 处 理 后 的 消 煮 液 分 别 测 定 氮 磷 钾 以 及 其 他 的 微 量 金 属 元 素 ( 一 ) 黄 瓜 叶 片 全 氮 的 测 定 ( 凯 氏 定 氮 法 ) 直 接 将 处 理 好 的 透 明 消 煮 液 放 到 全 自 动 凯 氏 定 氮 仪 上 进 行 蒸 馏 滴 定, 在 滴 定 样 品 前 首 先 做 空 白 样 品 滴 定, 以 消 除 系 统 误 差 1) 主 要 仪 器 与 容 器 全 自 动 凯 氏 定 氮 仪 消 煮 管 17

24 第 二 章 试 验 设 计 2) 试 剂 浓 H2SO4( 三 级 ) 30 %H2O2( 二 级 ) 甲 基 红 - 溴 甲 酚 绿 指 示 剂 0.5 克 溴 甲 酚 绿 和 1.0 克 甲 基 红 溶 于 300 ml 无 水 乙 醇 中 2%H3BO3 溶 液 20 克 H3BO3 ( 三 级 ) 溶 于 1 升 水 中, 每 升 H3BO3 中 加 入 甲 基 红 溴 甲 酚 绿 指 示 剂 5 毫 升 0.02N 盐 酸 的 标 定 : 配 制 :17 ml 浓 盐 酸 溶 于 水, 定 容 10 L 标 定 : 准 称 取 硼 砂 0.09xx 克 放 入 三 角 瓶 中, 加 水 20 ml 左 右, 完 全 溶 解 后 用 待 标 定 的 酸 滴 定 之 指 示 剂 用 甲 基 红 - 溴 甲 酚 绿 混 合 指 示 剂 或 甲 基 红 指 示 剂 均 可 V 盐 酸 *N 盐 酸 =0.09xx*1000/ 滴 定 时, 溶 液 由 青 绿 色 变 为 浅 红 为 终 点 % 的 NaOH 溶 液 : 称 取 固 体 NaOH368 g, 加 水 400 ml( 注 : 加 水 时 要 不 断 搅 拌 ), 用 1L 容 量 瓶 定 容 3) 计 算 全 氮 N(%)= S*W0*N/W S 定 氮 仪 显 示 含 氮 量 W0 设 定 重 量 数 W 称 取 样 品 重 量 数 N 分 取 倍 数 = 消 煮 液 定 容 体 积 / 吸 取 溶 液 体 积 ( 二 ) 黄 瓜 叶 片 全 磷 的 测 定 ( 钒 钼 黄 比 色 法 ) 1) 主 要 仪 器 与 容 器 消 煮 管 比 色 计 2) 试 剂 钒 钼 酸 试 剂 :12.5 g 钼 酸 铵 [(NH4)6Mo7024 4H2O] 溶 于 200 ml 水 另 将 g 偏 钒 酸 铵 [NH4VO3] 溶 于 150 ml 沸 水, 冷 却 后, 加 入 125 ml 浓 HNO3, 再 冷 却 至 室 温 将 钼 酸 铵 溶 液 缓 缓 注 入 偏 钒 酸 铵 溶 液 中, 随 时 搅 拌, 用 水 稀 释 至 500 ml 6N 的 NaOH:24gNaOH 溶 于 水, 稀 释 至 1L 2 6 二 硝 基 酚 指 示 剂 :0.25 g 2,6- 二 硝 基 酚 溶 于 100 ml 95% 酒 精 中 ( 饱 和 ) 磷 标 准 溶 液 : 准 确 称 取 在 105 烘 箱 中 烘 干 的 KH2PO4 ( 一 级 ) mg, 溶 解 在 400 ml 蒸 馏 水 中, 加 浓 硫 酸 5 ml, 转 入 1L 容 量 瓶 定 容, 加 水 至 刻 度 此 溶 液 为 50 ppm 磷 标 液 ( 可 长 期 保 存 使 用 ) 3) 操 作 吸 取 于 100 ml 容 量 瓶 中 定 容 后 的 消 煮 液 上 清 液 ml( 含 P mg) 置 于 50 ml 容 量 瓶 中, 加 2 滴 2 6 二 硝 基 酚 指 示 剂, 用 6N NaOH 中 和 至 刚 呈 黄 色, 加 入 10 ml 钒 钼 酸 试 剂, 用 水 定 容, 摇 匀 放 置 15 min, 用 450 nm 波 长 比 色 以 标 准 液 0 点 的 透 光 率 为 100, 读 出 样 品 的 透 光 度 同 时 作 空 白 试 验, 以 消 除 系 统 误 差. 标 准 曲 线 绘 制 : 分 别 取 50 ppm 磷 标 准 液 0, 1, 2.5, 5, 7.5, 10, 15 于 50 ml 容 量 瓶 中, 显 色 定 容 即 得 0, 1, 2.5, 5, 7.5, 10, 15 ppm 的 系 列 磷 标 液 18

25 第 二 章 试 验 设 计 4) 计 算 P(%)= 显 色 液 Pppm* 显 色 液 体 积 *N*10-6 /W*100 显 色 液 P ppm 测 定 液 透 光 度 代 入 标 准 曲 线 所 得 数 值, 再 减 去 空 白 的 值 显 色 液 体 积 50mL N 分 取 倍 数 = 消 煮 液 定 容 体 积 (100)/ 吸 取 上 层 清 液 体 积 W 烘 干 样 品 重 10-6 将 微 克 换 成 克 的 乘 数 100 换 算 成 质 量 百 分 数 的 乘 数 ( 三 ) 黄 瓜 叶 片 的 钾 钙 镁 铜 铁 锰 锌 的 测 量 ( 原 子 吸 收 法 ) 1) 主 要 仪 器 消 煮 管 原 子 吸 收 分 光 光 度 计 ( 或 火 焰 光 度 计 ) 2) 试 剂 K 标 准 溶 液 : 称 取 在 105 烘 干 4-6 小 时 的 KCl( 分 析 纯 ) mg 溶 于 蒸 馏 水 中,1L 容 量 瓶 定 容 则 为 含 K 1000 ppm 的 标 液, 吸 取 此 液 100 ml, 定 容 成 1000 ml, 则 得 100 ppm K 标 液 3) 操 作 吸 取 于 100 ml 容 量 瓶 中 定 容 后 的 上 清 液 10mL 于 50mL 容 量 瓶, 定 容, 摇 匀 在 原 子 吸 收 分 光 光 度 计 上 测 定 K 标 准 曲 线 绘 制 分 别 吸 取 100 ppm K 标 液 0,5,10,20 ml 于 50 ml 容 量 瓶 中, 同 时 加 入 与 待 测 液 等 量 其 他 离 子 成 分 ( 即 加 空 白 消 煮 液 10 ml), 用 无 离 子 水 定 容, 摇 匀 Cu Fe Mn Zn Ca Mg 标 准 曲 线 的 配 制 分 别 吸 取 Cu Fe Mn Zn Ca Mg 标 准 储 备 液 到 100 ml 容 量 瓶 中, 同 时 加 入 与 待 测 液 等 量 其 他 离 子 成 分 ( 即 浓 H2SO48mL), 用 无 离 子 水 定 容, 摇 匀 标 准 曲 线 浓 度 按 下 列 梯 度 制 备 : Cu 0 µg/ml,1 µg/ml,2 µg/ml Fe 0 µg/ml,5 µg/ml,10 µg/ml Mn 0 µg/ml,2 µg/ml,4 µg/ml Zn 0 µg/ml,1 µg/ml,2 µg/ml Ca 0 µg/ml,50 µg/ml,100 µg/ml Mg 0 µg/ml,20 µg/ml,40 µg/ml 4) 计 算 X(%)= 测 定 值 * 定 容 体 积 *N*10-6 /W*100 X 金 属 元 素 种 类 定 容 体 积 吸 取 上 层 清 液 定 容 体 积 (50mL) N 分 取 倍 数 = 消 煮 液 定 容 体 积 / 吸 取 体 积 =100/10 W 样 品 重 10-6 将 微 克 换 成 克 的 乘 数 100 换 算 成 质 量 百 分 数 的 乘 数 19

26 第 三 章 数 据 处 理 与 算 法 确 定 3.1 参 数 的 相 关 性 分 析 数 据 的 统 计 处 理 方 法 第 三 章 数 据 处 理 与 算 法 确 定 本 试 验 中 检 测 的 分 光 光 谱 数 据 的 波 长 范 围 为 350~800 nm, 这 主 要 是 依 据 数 码 相 机 的 感 光 范 围 一 般 在 可 见 光 范 围 内 而 进 行 选 择 的 由 于 本 研 究 的 目 标 是 使 用 CCD 数 码 相 机 采 集 的 图 像 进 行 营 养 诊 断, 因 此 为 了 与 数 码 相 机 的 有 效 光 谱 波 段 相 对 应, 在 数 据 处 理 时 只 选 取 了 400~700 nm 波 段 范 围 的 数 据, 其 他 数 据 作 为 辅 助 分 析 用 CCD 数 码 相 机 选 用 的 滤 色 器 一 般 为 Bayer 型,Bayer 型 的 红 绿 蓝 三 种 颜 色 滤 光 片 的 数 量 之 比 为 R:G:B=1:2:1( 图 3-1) 从 一 般 滤 色 器 的 分 光 光 谱 特 性 来 看, 蓝 色 滤 光 片 的 有 效 波 长 范 围 在 380~550 nm 之 间, 其 峰 值 位 于 450 nm 附 近 ; 绿 色 滤 光 片 的 有 效 波 长 范 围 在 450~650 nm 之 间, 其 峰 值 位 置 位 于 550 nm 附 近 ; 红 色 滤 光 片 的 波 长 范 围 比 较 特 殊, 不 仅 允 许 550~700 nm 波 长 范 围 内 的 光 通 过, 也 允 许 380~450 nm 波 长 范 围 内 的 光 通 过 ( 图 3-2) 根 据 红 色 滤 光 片 的 独 有 特 点, 我 们 可 以 在 数 据 处 理 时 获 得 一 些 重 要 的 信 息 不 同 品 牌 的 CCD 数 码 相 机 使 用 的 滤 色 器 种 类 各 不 相 同, 但 原 理 一 样, 均 是 通 过 对 入 射 镜 头 的 光 线 进 行 色 彩 过 滤, 从 而 使 原 本 只 能 分 辨 亮 度 高 低 ( 色 盲 ) 的 CCD 附 加 色 彩 信 息 滤 色 器 的 不 同 滤 光 片 比 例 和 结 构 大 多 基 于 人 眼 的 视 觉 欣 赏 需 求 而 设 计, 因 此 CCD 数 码 相 机 采 集 的 图 像 表 达 的 不 一 定 是 真 实 的 世 界, 即 存 在 不 同 程 度 的 失 真 因 此, 在 使 用 数 码 影 像 设 备 进 行 视 觉 识 别 时, 应 尽 量 从 这 非 真 实 的 世 界 中 还 原 出 被 摄 像 物 体 原 本 的 面 貌 图 3-1 Bayer 滤 色 器 RGB 布 局 20