一种基于可见光图像融合值的作物氮素营养检测方法技术

本发明专利技术涉及一种基于可见光图像融合值的作物氮素营养检测方法，针对作物的绿度和覆盖度进行特征融合分析，综合考虑了作物不同生长时期或发育状况下的氮素营养状况，并能对其进行定量分析，显著提高了氮素营养诊断结果的准确性；并且本发明专利技术所设计方法，仅利用一张作物冠层图像中提取的绿度和覆盖度，即可进行氮素诊断，数据获取简单方便、氮素诊断成本低、速度快，可以在大田自然光条件下实时获取作物的氮素营养状况。

【技术实现步骤摘要】
一种基于可见光图像融合值的作物氮素营养检测方法
本专利技术涉及一种基于可见光图像融合值的作物氮素营养检测方法，属于农作物氮素诊断

技术介绍
氮素是对作物生产和产量形成影响最为显著的元素之一，目前在我国中部和东部地区，大部分农田都存在过量施氮的情况。一方面，过量施用的氮肥通过各种途径进入土壤、水体和大气，造成一系列环境问题；另一方面，氮肥的过量施用也造成了经济和能源的浪费。对作物进行氮素诊断并指导施肥，可以在保证产量的前提下实现氮肥的源头减量施用（彭少兵,黄见良,钟旭华,杨建昌,王光火,邹应斌,张福锁,朱庆森.提高中国稻田氮肥利用率的研究策略.中国农业科学.2002,35(9):1095-103.）。目前对作物氮素进行测量的标准方法仍然是化学分析法，虽然其测试结果准确，但需要花费大量的人力物力及时间才能完成。日本Minolta公司在上世纪80年代推出了便携式叶绿素仪，可以对植物叶片叶绿素相对含量进行快速测定。该仪器采用主动光源，测试速度快，便携性强，在科研中得到了广泛的应用，但其单次测试面积较小，需要大量重复测定才能得到较稳定的结果。YaraN-Sensor、GreenSeeker等多光谱或高光谱设备可以利用反射光谱数据对作物进行氮素诊断，但这些已有设备价格昂贵，难以在我国分散式种植的环境下推广应用。随着计算机视觉技术的发展，科研人员开始寄希望于利用普通数码相机图像获取作物的氮素营养状况。以数码相机作为作物氮素诊断工具，推广时几乎不需要额外的设备投入，因此如果该方法发展成熟，将具有极大的应用前景。现阶段，已有部分研究利用数码相机图像获取作物生长指标或氮素指标，申请号为201110228089.3的专利技术专利,公开了一种利用普通数码相机获取水稻冠层叶面积指数的方法，申请号为200910237355.1的专利技术专利公开了一种快速检测叶片叶绿素含量的建模方法及检测方法，这些方法利用数码相机拍摄作物冠层或叶片图像，以图像特征反演作物指标。申请号为200910100740.1的专利技术专利公开了一种图像法水稻氮肥施肥推荐方法，该方法利用图像颜色信息反演多种作物生长指标，并对作物氮素营养状况进行判断，但其并不能对作物氮素营养状况进行定量分析，且易受外界光照条件的影响。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是提供一种针对作物的绿度和覆盖度进行特征融合分析，能够准确反映作物氮素营养状况的基于可见光图像融合值的作物氮素营养检测方法。本专利技术为了解决上述技术问题采用以下技术方案：本专利技术设计了一种基于可见光图像融合值的作物氮素营养检测方法，包括如下步骤：步骤A.针对分别对应预设不同氮素营养的各个作物种植区，基于实测作物冠层图像的绿度值和覆盖度值，构建以覆盖度值为变量，绿度值为因变量的临界氮稀释模型；同时，实测获得待测作物的作物叶片氮浓度或SPAD值；步骤B.实测获得待测作物冠层图像的绿度值和覆盖度值，该绿度值作为待测作物冠层的绿度实测值；并根据该覆盖度值，通过临界氮稀释模型，计算获得绿度值，作为待测作物冠层的绿度计算值；步骤C.获得待测作物冠层的绿度实测值与绿度计算值的比值，作为待测作物氮营养指数NNI；步骤D.根据待测作物冠层绿度实测值与作物叶片氮浓度或SPAD值的关系，分情况针对待测作物氮营养指数NNI进行分析，获得待测作物氮营养状况。作为本专利技术的一种优选技术方案，所述步骤A，包括如下步骤：步骤A01.针对分别对应预设至少4个不同氮素营养水平的作物种植区，按预设第一周期时长，在各个周期采集时刻，分别采集各个作物种植区中作物的冠层图像；步骤A02.分别针对各周期采集时刻所采集到的各幅冠层图像，实测获得冠层图像中的绿度值和覆盖度值；步骤A03.分别针对各个周期采集时刻，针对周期采集时刻内所采集各幅冠层图像的覆盖度值进行方差分析，并根据方差分析结果，将彼此覆盖度波动范围处于阈值内的各幅冠层图像划为一组，实现针对周期采集时刻内所采集各幅冠层图像的分组；步骤A04.分别针对各个周期采集时刻，针对周期采集时刻内最大覆盖度划分所对应的冠层图像分组，选择该冠层图像分组内最小绿度值所对应的冠层图像，并将该冠层图像的绿度值和覆盖度值分别作为该周期采集时刻内临界绿度值和临界覆盖度值；步骤A05.以临界覆盖度值为变量，临界绿度值为因变量，针对各个周期采集时刻分别所对应的临界绿度值和临界覆盖度值进行拟合，获得临界氮稀释模型。作为本专利技术的一种优选技术方案，所述步骤A05中，以临界覆盖度值为变量，临界绿度值为因变量，针对各个周期采集时刻分别所对应的临界绿度值和临界覆盖度值，采用异速生长曲线函数进行拟合，获得临界氮稀释模型。作为本专利技术的一种优选技术方案，所述步骤D包括如下步骤：步骤D01.判断待测作物冠层绿度实测值与作物叶片氮浓度或SPAD值的关系，若待测作物绿度实测值变化与作物叶片氮浓度或SPAD值成正线性相关，则进入步骤D02；若待测作物绿度实测值变化与作物叶片氮浓度或SPAD值成负线性相关，则进入步骤D03；步骤D02.若NNI>1时，则判断待测作物处于氮素供应过量状态；若NNI=1时，则判断待测作物处于最佳氮素供应状态；若NNI<1时，则判断待测作物处于氮素亏缺状态；步骤D03.若NNI<1时，则判断待测作物处于氮素供应过量状态；若NNI=1时，则判断待测作物处于最佳氮素供应状态；若NNI>1时，则判断待测作物处于氮素亏缺状态。作为本专利技术的一种优选技术方案，所述由作物冠层图像实测获得绿度值，包括如下步骤：步骤X01.实测获得作物的作物叶片氮浓度或SPAD值，同时将作物冠层图像更新转换为预设指定颜色空间的作物冠层图像；步骤X02.提取作物冠层图像中冠层各像素点的颜色基本值，并获得对应各通道颜色的平均值，进而获得各通道颜色平均值相互间的比值；步骤X03.将作物冠层图像对应预设指定颜色空间各通道颜色平均值相互间的比值，以及作物冠层图像对应RGB颜色空间中各通道颜色的标准化值，构成作物冠层图像的多种颜色特征参数；步骤X04.针对作物冠层图像的多种颜色特征参数，选择与作物叶片氮浓度或SPAD值呈线性关系的一种颜色特征参数，作为该作物冠层图像的绿度值。作为本专利技术的一种优选技术方案，所述步骤X01中，将作物冠层图像更新转换为预设指定颜色空间的作物冠层图像，其中，预设指定颜色空间为CIEL*a*b*、LUV、RGB或HSV中的任意一种。本专利技术所述一种基于可见光图像融合值的作物氮素营养检测方法采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：本专利技术设计的基于可见光图像融合值的作物氮素营养检测方法，针对作物的绿度和覆盖度进行特征融合分析，综合考虑了作物不同生长时期或发育状况下的氮素营养状况，并能对其进行定量分析，显著提高了氮素营养诊断结果的准确性；并且本专利技术所设计方法，仅利用一张作物冠层图像中提取的绿度和覆盖度，即可进行氮素诊断，数据获取简单方便、氮素诊断成本低、速度快，可以在大田自然光条件下实时获取作物的氮素营养状况。附图说明图1是本专利技术所设计基于可见光图像融合值的作物氮素营养检测方法的流程图；图2是绿度值（特征参数b*）与水稻叶片氮浓度间的关系；图3是绿度值（特征参数b*）与水稻叶片SPAD值间的关系；图4是利用特征参数b*和覆本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于可见光图像融合值的作物氮素营养检测方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤A. 针对分别对应预设不同氮素营养的各个作物种植区，基于实测作物冠层图像的绿度值和覆盖度值，构建以覆盖度值为变量，绿度值为因变量的临界氮稀释模型；同时，实测获得待测作物的作物叶片氮浓度或SPAD值；步骤B. 实测获得待测作物冠层图像的绿度值和覆盖度值，该绿度值作为待测作物冠层的绿度实测值；并根据该覆盖度值，通过临界氮稀释模型，计算获得绿度值，作为待测作物冠层的绿度计算值；步骤C. 获得待测作物冠层的绿度实测值与绿度计算值的比值，作为待测作物氮营养指数NNI；步骤D. 根据待测作物冠层绿度实测值与作物叶片氮浓度或SPAD值的关系，分情况针对待测作物氮营养指数NNI进行分析，获得待测作物氮营养状况。

【技术特征摘要】
1.一种基于可见光图像融合值的作物氮素营养检测方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤A.针对分别对应预设不同氮素营养的各个作物种植区，基于实测作物冠层图像的绿度值和覆盖度值，构建以覆盖度值为变量，绿度值为因变量的临界氮稀释模型；同时，实测获得待测作物的作物叶片氮浓度或SPAD值；步骤B.实测获得待测作物冠层图像的绿度值和覆盖度值，该绿度值作为待测作物冠层的绿度实测值；并根据该覆盖度值，通过临界氮稀释模型，计算获得绿度值，作为待测作物冠层的绿度计算值；步骤C.获得待测作物冠层的绿度实测值与绿度计算值的比值，作为待测作物氮营养指数NNI；步骤D.根据待测作物冠层绿度实测值与作物叶片氮浓度或SPAD值的关系，分情况针对待测作物氮营养指数NNI进行分析，获得待测作物氮营养状况。2.根据权利要求1所述一种基于可见光图像融合值的作物氮素营养检测方法，其特征在于，所述步骤A，包括如下步骤：步骤A01.针对分别对应预设至少4个不同氮素营养水平的作物种植区，按预设第一周期时长，在各个周期采集时刻，分别采集各个作物种植区中作物的冠层图像；步骤A02.分别针对各周期采集时刻所采集到的各幅冠层图像，实测获得冠层图像中的绿度值和覆盖度值；步骤A03.分别针对各个周期采集时刻，针对周期采集时刻内所采集各幅冠层图像的覆盖度值进行方差分析，并根据方差分析结果，将彼此覆盖度波动范围处于阈值内的各幅冠层图像划为一组，实现针对周期采集时刻内所采集各幅冠层图像的分组；步骤A04.分别针对各个周期采集时刻，针对周期采集时刻内最大覆盖度划分所对应的冠层图像分组，选择该冠层图像分组内最小绿度值所对应的冠层图像，并将该冠层图像的绿度值和覆盖度值分别作为该周期采集时刻内临界绿度值和临界覆盖度值；步骤A05.以临界覆盖度值为变量，临界绿度值为因变量，针对各个周期采集时刻分别所对应的临界绿度值和临界覆盖度值进行拟合，获得临界氮稀释模型。3.根据权利要求2所述一种基于可见光图像融合值的作物氮素营养检测方法，其特征在于，所述步骤A05中，以临界覆盖度值为变量，临界绿度值...

【专利技术属性】
技术研发人员：王远，施卫明，王德建，
申请(专利权)人：中国科学院南京土壤研究所，
类型：发明
国别省市：江苏,32