【技术实现步骤摘要】
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
本专利技术属于设施农业生物综合信息探测
,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。
技术介绍
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的专利技术专利申请,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 ...
【技术保护点】
1.一种基于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,其特征在于,包括如下步骤:步骤一,采取标准营养液配方,利用珍珠岩作为基质,采用无土栽培定植番茄,采用温室标准化管理方式进行管理,保证番茄营养元素和水分的正常供给;步骤二,定植一周后,在营养元素不变的条件下,对番茄进行三天不同级别的水分胁迫样本培育;步骤三,对水分胁迫番茄样本进行水分胁迫的连续跟踪检测,进行micro‑CT检测及采集micro‑CT特征参数,获取植株叶片和茎秆的气孔尺度密度、海绵体厚度、栅栏组织、纤毛密度、维管束的剖面结构,以及根系体积和主根、根毛密度及分布参数;进行偏振‑高光谱图像及采集偏振‑高光谱图像特征参数,获取植株冠幅、株高、叶倾角图像,1450nm高光谱水分敏感波长下的叶脉分布、平均灰度、叶缘阴影面积,以及水分胁迫植株样本0°、45°、90°、135°、180°特征偏振角下1450nm特征图像的冠层的偏振态、stock向量、穆勒矩阵变量;步骤四,进行常规理化检测:利用干湿重法测定植株的含水率;采用扫描电镜和显微成像技术,获取植株的气孔和纤毛密度,以及海绵体和栅栏组织厚度,维管束分 ...
【技术特征摘要】
1.一种基于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,其特征在于,包括如下步骤:步骤一,采取标准营养液配方,利用珍珠岩作为基质,采用无土栽培定植番茄,采用温室标准化管理方式进行管理,保证番茄营养元素和水分的正常供给;步骤二,定植一周后,在营养元素不变的条件下,对番茄进行三天不同级别的水分胁迫样本培育;步骤三,对水分胁迫番茄样本进行水分胁迫的连续跟踪检测,进行micro-CT检测及采集micro-CT特征参数,获取植株叶片和茎秆的气孔尺度密度、海绵体厚度、栅栏组织、纤毛密度、维管束的剖面结构,以及根系体积和主根、根毛密度及分布参数;进行偏振-高光谱图像及采集偏振-高光谱图像特征参数,获取植株冠幅、株高、叶倾角图像,1450nm高光谱水分敏感波长下的叶脉分布、平均灰度、叶缘阴影面积,以及水分胁迫植株样本0°、45°、90°、135°、180°特征偏振角下1450nm特征图像的冠层的偏振态、stock向量、穆勒矩阵变量;步骤四,进行常规理化检测:利用干湿重法测定植株的含水率;采用扫描电镜和显微成像技术,获取植株的气孔和纤毛密度,以及海绵体和栅栏组织厚度,维管束分布密度和管径等的实测值;称量样本的干湿重,确定植株的含水率真值;步骤五,对步骤三提取的micro-CT的特征变量和偏振-高光谱图像特征变量进行归一化处理,使其特征值范围统一在0-1之间;步骤六,对步骤五提取的归一化特征参数,利用主成分分析,结合分段逐步回归法进行特征降维和优化,以相关性和独立性为原则,在显著性水平α=0.005时,当变量进入时模型的F>4.14则保留,变量回判时模型的F<2.91则剔除,同时保证R2>0.9,以获取相关性最大,多重共线性最小,相对检测误差最小为优化原则,进行特征寻优,获取最优化的特征变量作为植株水分胁迫诊断的特征变量;步骤七,利用SVR支持向量机回归法进行特征层融合,建立基于micro-CT系统获取的气孔、海绵体、栅栏组织、纤毛、维管束、根系体积、主根和根毛密度特征变量,以及基于偏振-高光谱图像系统获取的冠幅、株高、叶倾角、1450nm高光谱水分敏感波长下的叶脉分布、平均灰度、叶缘阴影面积;0°、45°、90°、135°、180°特征偏振角下1450nm特征图像的偏振态、stock向量、穆勒矩阵变量特征变量多特征融合水分胁迫精确定量检测模型;步骤八,按照步骤三采集番茄micro-CT图像和偏振高光谱图像特征变量采集,利用步骤七所建立的多特征融合水分胁迫精确定量检测模型,进行温室水分胁迫检测。2.根据权利要求1所述的基于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,其特征在于,micro-CT检测及采集micro-CT特征参数的方法为:①将五个不同水分胁迫水平的番茄样本,依次放入Micro-CT扫描成像系统的样本仓的旋转样本托架(1)上,通过计算机(15)启动Micro-CT扫描成像系统,顺序进行扫描,获得各个样本的CT剖面;②利用IPL软件,进行样本断层图片的边界和轮廓选取;③选取不同断层切面进行图像分析,根据断层图片中目标灰阶的不同,调节高、低阈值,选定目标阈值范围,并二值化番茄样本目标的断层图像;④利用IPL软件结合图像分析,获取植株叶片和茎秆的气孔尺度密度、海绵体厚度、栅栏组织、纤毛密度、维管束的剖面结构等特征参数;⑤基于选择的边界和阈值,剥离珍珠岩基质,生成根系三维图像,执行IPL语言导出根系体积和主根、根毛密度及分布参数。3.根据权利要求1所述的基于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,其特征在于,偏振-高光谱检测检测及采集偏振-高光谱检测特征参数的方法为:①将样本置于偏振-高光谱成像系统的双坐标样本台(6)上,设置可见光-近红外光源系统11的波长范围300-2200nm和光强范围为0-6500lux;②利用具有前置偏振滤光片的两台高光谱成像系统(9),设置偏振片的采样偏振角分别为:0°、45°、90°、135°、180°;高光谱前置滤光片透过波长为1450nm,分别在水平平面方向和垂直面方向上,进行推帚式的扫描成像,获取植株主视和俯视方向的偏振-高光谱特征图像;③通过坐标匹配和主视/俯视特征图像融合,提取水分胁迫样本的主视和俯视视场下的高光谱特征图像,提取植株冠幅、株高、叶倾角图像;④基于前置1450nm滤光片...
【专利技术属性】
技术研发人员:张晓东,张雪威,毛罕平,张红涛,左志宇,高洪燕,倪纪恒,张怡雪,张放,孙宏伟,
申请(专利权)人:江苏大学,
类型:发明
国别省市:江苏,32
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