基于作物譜圖特征的植株分割與葉綠素分布檢測

龍耀威， 李民贊， 高德華， 張智勇， 孫 紅*， Qin Zhang

1. 中國農業大學現代精細農業系統集成研究教育部重點實驗室， 北京 100083 2. Center for Precision & Automated Agricultural System, Washington State University, Pullman WA 99350, USA

引 言

利用不同的平臺搭載可見光-近紅外光譜成像設備[1-2]， 分析作物冠層或葉片葉綠素[3]、 水分[4]、 氮素[5]等含量， 已經成為快速無損檢測田間作物長勢的重要手段和途徑[6-7]。 鍍膜型光譜成像傳感器與棱鏡分光和光柵線掃成像傳感器不同， 其應用半導體薄膜工藝原理， 是在探測器像元上鍍膜實現光信號窄帶選擇透過的一種新型多光譜成像方式。 它具有面陣直接成像速度快、 體積小、 成本低的優點， 在農作物現場檢測中有較好的應用前景而備受關注[8]。

在可見光-近紅外區域， 棱鏡分光成像空間分辨率通常高于1 024×768像素， 作物數據以R(red), G(green), B(blue)和NIR共4波段圖像的處理為基礎。 有報道在NIR圖像分割的基礎上， 開展了基于區域標記的玉米圖像精準分割研究， 并基于歸一化植被指數(normalized vegetation index， NDVI)建立了大田玉米葉綠素指標診斷模型。 光柵線掃成像方式獲取數據光譜分辨率可達1 nm， 因而在可見光-近紅外光譜區作物含氫基團(O—H， N—H， C—H)振動合頻和各級倍頻的吸收特性[9]檢測中常利用相關性、 主成分分析和仿生學優化等算法篩選特征波長和植被指數， 達到解析光譜變量、 剔除冗余數據、 壓縮計算數據、 提高診斷模型精度與魯棒性等目的[10-12]。 然而， 鍍膜型成像方式、 波段數、 圖像空間及光譜分辨率與上述兩種傳感器不同。 以美國XIMEA公司的IMEC4×4或5×5馬賽克式鍍膜傳感器為代表， 分別在470～630和673～951 nm范圍內探測16或25個波段帶寬大于10 nm的光學信號， 各波段圖像僅為409×217像素， 如何在提取馬賽克成像矩陣數據的基礎上， 充分利用其有限的空間圖像和光譜維數據開展作物營養檢測尚待深入研究。……