一种基于高光谱成像技术的土壤剖面颜色获取方法技术

本发明专利技术涉及一种基于高光谱成像技术的土壤剖面颜色获取方法，基于整段土壤剖面的获取，通过高光谱成像技术扫描整段土壤剖面，然后利用土壤反射光谱获取CIE XYZ标准颜色系统下的土壤颜色参数，克服了基于孟塞尔颜色系统下土壤颜色参数在定量分析及颜色差异比较等方面的难题；最后，生成的CIE XYZ土壤颜色是不同颜色空间转换的中间媒介，能够满足不同研究需要，本技术同时给出了基于CIE XYZ土壤颜色转换为sRGB颜色系统下的土壤颜色方法，以便于计算机和网络显示；整体技术方案对快速精确获取土壤剖面颜色参数具有重要意义，为实现土壤剖面颜色有效监测提供了新思路，将进一步推动基于高光谱成像技术获取土壤属性参数的发展。基于高光谱成像技术获取土壤属性参数的发展。基于高光谱成像技术获取土壤属性参数的发展。

【技术实现步骤摘要】
一种基于高光谱成像技术的土壤剖面颜色获取方法


[0001]本专利技术涉及一种基于高光谱成像技术的土壤剖面颜色获取方法，属于土壤属性分析


技术介绍

[0002]颜色是土壤的重要属性，是土壤组成物质特别是其中的发色团物质(如有机质、铁的化合物)颜色的综合反映。因此，通过获取土壤颜色信息能够辅助揭示土壤演化形成过程和反映其他土壤属性信息。而且与其他土壤属性相比，土壤颜色更为直观、其测量也更为容易。因此，在土壤学相关研究中，颜色是一种使用最为广泛的土壤监测参数。
[0003]当前，土壤颜色主要采用孟塞尔颜色系统，以色相(Hue，简写为H)、明度(Value，简写为V)和彩度(Chroma，简写为C)三个维度组合描述，以HV/C的形式给出，例如7.5YR3/4表示色相为7.5YR、明度为3以及彩度为4的一种土壤颜色。但该土壤颜色难以进行定量分析，而且测量结果容易受到测量人员眼睛敏感性等因素的影响。
[0004]近年来，高光谱技术快速发展，在土壤属性获取、土壤类型划分等方面发挥了重要作用。与基于孟塞尔颜色系统的土壤颜色参数相比，高光谱技术通过获取可见光范围内的土壤反射光谱，结合色度学相关理论知识，能够更准确客观获取不同颜色系统下的土壤颜色参数，在土壤颜色定量建模分析、颜色差异定量表征等方面具有显著优势；高光谱成像技术具有图谱合一的特点，能够同时获取连续面状区域土壤反射光谱，特别适合整段土壤剖面信息的获取；

技术实现思路

[0005]本专利技术所要解决的技术问题是提供一种基于高光谱成像技术的土壤剖面颜色获取方法，能够有效、精准实现高空间分辨率土壤剖面颜色获取，提高实际工作效率。
[0006]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高光谱成像技术的土壤剖面颜色获取方法，包括如下步骤：
[0007]步骤A.获取研究区域中目标深度的整段土壤剖面，然后进入步骤B；
[0008]步骤B.针对整段土壤剖面，使得整段土壤剖面的湿度达到预设湿度状态，作为整段土壤剖面样本，然后进入步骤C；
[0009]步骤C.获得整段土壤剖面样本所对应的土壤剖面高光谱影像，并针对土壤剖面高光谱影像进行预处理，更新土壤剖面高光谱影像，然后进入步骤D；
[0010]步骤D.针对土壤剖面高光谱影像进行CIE色彩空间转换，获得土壤剖面高光谱影像对应CIE XYZ色度系统下的三刺激值X、Y、Z，然后进入步骤E；
[0011]步骤E.根据土壤剖面高光谱影像对应CIE XYZ色度系统下的三刺激值X、Y、Z，实现土壤剖面高光谱影像向目标颜色空间的转换，获得土壤剖面高光谱影像对应目标颜色空间下的土壤剖面颜色图，即研究区域中目标深度的整段土壤剖面颜色图。
[0012]作为本专利技术的一种优选技术方案：所述步骤B中预设湿度状态为湿度大于风干态
土壤湿度的状态时，则步骤B中，针对整段土壤剖面，应用室内自然风干操作，结合室内自然风干过程中整段土壤剖面重量变化对整段土壤剖面不同湿度状态的反映，通过对整段土壤剖面重量变化的实时监测，使得整段土壤剖面的湿度达到预设湿度状态，作为整段土壤剖面样本，然后进入步骤C。
[0013]作为本专利技术的一种优选技术方案：所述步骤B中预设湿度状态为土壤风干状态时，则步骤B中，针对整段土壤剖面，应用室内自然风干操作，通过对整段土壤剖面重量变化的实时监测，直至室内自然风干操作预设时长后、且进一步在持续预设时长内整段土壤剖面重量无变化，即使得整段土壤剖面达到土壤风干状态，作为整段土壤剖面样本，然后进入步骤C。
[0014]作为本专利技术的一种优选技术方案：所述步骤C中，针对土壤剖面高光谱影像中的噪声影响，采用光谱平滑方法进行光谱平滑预处理，更新土壤剖面高光谱影像，然后进入步骤D。
[0015]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D1至步骤D3；
[0016]步骤D1.获得标准色度观察者颜色匹配函数值S(λ)、以及光源相对光谱分布函数值其中λ为波长，然后进入步骤D2；
[0017]步骤D2.判断土壤剖面高光谱影像反射光谱R(λ)、以及S(λ)、之间的波长是否一致，是则进入步骤D3；否则以土壤剖面高光谱影像反射光谱R(λ)为依据，应用插值法，更新土壤剖面高光谱影像中不同波长λ分别对应的标准色度观察者颜色匹配函数值S(λ)、以及土壤剖面高光谱影像中不同波长λ分别对应的光源相对光谱分布函数值数值S(λ)、以及土壤剖面高光谱影像中不同波长λ分别对应的光源相对光谱分布函数值以实现R(λ)、S(λ)、以及之间波长匹配，然后进入步骤D3；
[0018]步骤D3.按如下公式：
[0019][0020]针对土壤剖面高光谱影像进行CIE色彩空间转换，获得土壤剖面高光谱影像对应CIE XYZ色度系统下的三刺激值X、Y、Z，然后进入步骤E；其中，λ1和λ2分别为土壤剖面高光谱影像中的波长下限和波长上限。
[0021]作为本专利技术的一种优选技术方案：所述步骤E中的目标颜色空间为便于计算机及网络显示的sRGB颜色空间时，步骤E中包括如下步骤E1至步骤E3；
[0022]步骤E1.根据土壤剖面高光谱影像对应CIE XYZ色度系统下的三刺激值X、Y、Z，按如下公式：
[0023][0024]获得土壤剖面高光谱影像对应sRGB颜色空间下的线性值R
lin
、G
lin
、B
lin
，然后进入步骤E2；
[0025]步骤E2.按如下公式：
[0026][0027][0028][0029]获得土壤剖面高光谱影像对应sRGB颜色空间下的非线性值R
nlin
、G
nlin
、B
nlin
，然后进入步骤E3；
[0030]步骤E3.针对土壤剖面高光谱影像对应sRGB颜色空间下的非线性值R
nlin
、G
nlin
、B
nlin
进行合成，获得土壤剖面高光谱影像对应sRGB颜色空间下的土壤剖面颜色图，即目标深度的土壤剖面颜色图。
[0031]作为本专利技术的一种优选技术方案：所述步骤C中，选用覆盖可见光波段范围的高光谱成像仪，获得整段土壤剖面样本所对应的土壤剖面高光谱影像。
[0032]本专利技术所述一种基于高光谱成像技术的土壤剖面颜色获取方法，采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
[0033]本专利技术所设计一种基于高光谱成像技术的土壤剖面颜色获取方法，基于整段土壤剖面的获取，通过高光谱成像技术扫描整段土壤剖面，然后利用土壤反射光谱获取CIE XYZ标准颜色系统下的土壤颜色参数，克服了基于孟塞尔颜色系统下土壤颜色参数在定量分析及颜色差异比较等方面的难题；最后，生成的CIE XYZ土壤颜色是不同颜色空间转换的中间媒介，能够满足不同研究需要，本技术同时给出了基于CIE XYZ土壤颜色转换为sRGB颜色系统下的土壤颜色方法，以便于计算机和网络显示；整本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于高光谱成像技术的土壤剖面颜色获取方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤A.获取研究区域中目标深度的整段土壤剖面，然后进入步骤B；步骤B.针对整段土壤剖面，使得整段土壤剖面的湿度达到预设湿度状态，作为整段土壤剖面样本，然后进入步骤C；步骤C.获得整段土壤剖面样本所对应的土壤剖面高光谱影像，并针对土壤剖面高光谱影像进行预处理，更新土壤剖面高光谱影像，然后进入步骤D；步骤D.针对土壤剖面高光谱影像进行CIE色彩空间转换，获得土壤剖面高光谱影像对应CIE XYZ色度系统下的三刺激值X、Y、Z，然后进入步骤E；步骤E.根据土壤剖面高光谱影像对应CIE XYZ色度系统下的三刺激值X、Y、Z，实现土壤剖面高光谱影像向目标颜色空间的转换，获得土壤剖面高光谱影像对应目标颜色空间下的土壤剖面颜色图，即研究区域中目标深度的整段土壤剖面颜色图。2.根据权利要求1所述一种基于高光谱成像技术的土壤剖面颜色获取方法，其特征在于：所述步骤B中预设湿度状态为湿度大于风干态土壤湿度的状态时，则步骤B中，针对整段土壤剖面，应用室内自然风干操作，结合室内自然风干过程中整段土壤剖面重量变化对整段土壤剖面不同湿度状态的反映，通过对整段土壤剖面重量变化的实时监测，使得整段土壤剖面的湿度达到预设湿度状态，作为整段土壤剖面样本，然后进入步骤C。3.根据权利要求1所述一种基于高光谱成像技术的土壤剖面颜色获取方法，其特征在于：所述步骤B中预设湿度状态为土壤风干状态时，则步骤B中，针对整段土壤剖面，应用室内自然风干操作，通过对整段土壤剖面重量变化的实时监测，直至室内自然风干操作预设时长后、且进一步在持续预设时长内整段土壤剖面重量无变化，即使得整段土壤剖面达到土壤风干状态，作为整段土壤剖面样本，然后进入步骤C。4.根据权利要求1所述一种基于高光谱成像技术的土壤剖面颜色获取方法，其特征在于：所述步骤C中，针对土壤剖面高光谱影像中的噪声影响，采用光谱平滑方法进行光谱平滑预处理，更新土壤剖面高光谱影像，然后进入步骤D。5.根据权利要求1所述一种基于高光谱成像技术的土壤剖面颜色获取方法，其特征在于：所述步骤D包括如下步骤D1至步骤D3；步骤D1.获得标准色度观察者颜色匹配函数值S(λ)、以及光源相对光谱分布函数值步骤D1.获得标准色度观察者颜色匹配函数值S(λ...

【专利技术属性】
技术研发人员：王昌昆，潘贤章，
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：