番茄氮素的多特征融合檢測研究

張曉東++李立++高洪燕++孫俊++蘇辰

doi：10.15889/j.issn.1002-1302.2016.10.0111

摘要：針對設施番茄的氮營養探測，利用高光譜成像結合三維激光掃描技術，提取了番茄氮素的高光譜特征圖像和植株的三維形態特征，實現了番茄氮素的快速定量分析。基于獲取的不同氮素水平番茄的高光譜圖像數據立方體，利用敏感區域逐步回歸，結合相關分析，提取了氮素的特征譜段，獲取了特征圖像強度均值特征；基于獲取的番茄三維激光掃描數據，通過建立番茄三維點云數據的空間幾何模型，獲取了不同氮素水平番茄的莖粗、株高和生物量特征；采用PLSR建立了多特征融合番茄氮素檢測模型，結果表明，所建立的模型的R為0.94，模型精度明顯優于采用高光譜圖像和三維激光掃描單一特征模型。

關鍵詞：番茄；氮素；高光譜圖像；三維形態；多特征融合；檢測模型

中圖分類號： S126；S641.206文獻標志碼： A文章編號：1002-1302（2016）10-0379-03

收稿日期：2015-08-11

基金項目：國家自然科學基金重點項目（編號：61233006）；國家科技支撐計劃（編號：2014BAD08B03）；中國博士后科學基金（編號：20100481097）；江蘇高校優勢學科建設工程資助項目[編號：蘇政辦發（2011）6號]；江蘇省農業裝備與智能化高技術研究重點實驗室項目（編號：BM2009703）；江蘇大學高級專業人才基金（編號：10JDG081）；江蘇大學博士后基金。

作者簡介：張曉東（1970—），男，河南洛陽人，博士，副研究員，主要從事高光譜和機器視覺技術在設施作物生長信息檢測應用方面的研究。E-mail：zxd700227@126.com。目前我國設施面積已達380萬hm2，其中番茄種植面積186萬hm2，產量已占世界產量的近1/3，但由于缺乏先進科學的營養調控方法，設施番茄的氮肥利用效率僅為35%，不及設施發達國家的1/2；因此對番茄生長過程信息進行精確監測，實現基于作物生長需求反饋的精確調控具有現實意義。

目前替代傳統人工和化學測定的高光譜遙感、視覺圖像等作物氮素的無損探測方法，因其具有快速性和時效性，且不影響作物生長等優勢，已有許多相關研究，并取得了一些成果[1-4]。但研究大多僅針對氮素豐缺導致的反射特性差異進行氮素診斷，而作物氮素豐缺會直接導致其生物量、莖粗和植株高度等的差異，因而同樣可以作為有效特征進行作物氮素的反演；與傳統的視覺圖像和接觸式的測量方法相比，三維激光掃描能夠同步獲取植株的整體形貌特征，且精度較高，可實現作物長勢綜合特征的精確提取和分析。本研究提出將高光譜成像和三維激光掃描技術相結合，充分利用氮素豐缺導致的番茄葉片尺度的高光譜圖像特征，以及冠層尺度的生物量、株高、莖粗等形態特征差異，通過多尺度多特征信息融合進行番茄氮素的定量分析，有效提高了番茄氮素營養的檢測精度，為設施水肥精確管理提供了科學依據。

1材料與方法

1.1樣本培育

試驗于2014年9月至2014年12月期間在江蘇大學現代農業裝備與技術省部共建重點實驗室的Venlo型現代化玻璃溫室進行。為實現對番茄氮素的精確控制，采用無土栽培；在保證其他營養元素均衡的條件下，對氮素進行精確控制，以獲取不同氮素水平的番茄樣本。

選取的試驗品種為合作903大紅番茄。根據山崎配方配置營養液[5]，樣本分N1、N2、N3、N4、N5組5個氮素水平處理，配置標準配方中N的濃度分別為0%、50%、100%、150%、200%的營養液（均為質量分數），每個水平10株，共50株樣本。

1.2試驗方法

1.2.1高光譜圖像采集與處理利用高光譜圖像采集系統采集番茄葉片的高光譜圖像數據[6]，設定高光譜成像的曝光時間為900 ms，掃描速度為1.25 mm/s，以保證圖像的清晰且不失真；之后進行黑場和白場標定，設定強度區間在0～4 000；高光譜圖像數據的采集是基于Spectral Cube軟件平臺；采樣光譜區間為390.8～1 050.1 nm，分辨率為1.3 nm，同步獲取采樣區間內由512幅不同譜段圖像構成的高光譜圖像數據立方體。基于ENVI V.4軟件平臺對數據進行處理。

1.2.2番茄長勢信息掃描與數據獲取采用手持式自定位三維激光掃描儀采番茄的三維形態，如圖1所示，三維激光掃描儀由計算機、Handyscan3D（EXA scan）、FireWire適配器、FireWire電纜、電源等部件組成。該儀器測量速度25 measures/s，分辨率0.05 mm，精度0.04 mm，拍攝距離300 mm，視野深度±150 mm，激光交叉區域210 mm×210 mm。進行掃描時，首先在番茄和花盆上粘貼直徑為6 mm的反射目標點，番茄植株形態復雜，因此兩目標點之間的距離控制在20 mm；之后，用三維激光掃描儀測量校準板，以校正傳感器參數；為了保證三維形態模型清晰，經試驗分析，設定激光功率為65%，快門時間為7.2 ms，分辨率為0.5 mm。通過手持掃描的方式，依次獲取所有番茄樣本的三維數據。

1.2.3植株氮素測定樣本含氮量測定采用凱氏定氮法，利用AA3連續流動分析儀對樣本進行分析，通過式（1）計算含氮量[7]。

N=cm×（1-w）×100%。（1）

式中：N為測試樣本的含氮量（%）；c為樣品液儀器觀測值（mg）；m為測試樣本的質量（mg）；w為測試樣本的含水率（%）。

2結果與分析

2.1番茄氮素高光譜圖像特征提取與分析

2.1.1圖像背景分割為了獲取番茄葉片的高光譜目標圖像，本研究利用ENVI軟件，通過對目標圖像和背景的閾值分析，最終選擇476nm圖像基于雙峰法進行閾值分割，分割閾值為187；并將分割后的二值化目標圖像進行灰度反轉，填補殘留，去除孤立噪點；在此基礎上，將原始圖像與處理后的二值化目標圖像進行像素點相乘，得到番茄樣本的高光譜序列目標圖像。