植物叶片叶绿素含量测量方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种植物叶片叶绿素含量测量方法及系统，涉及叶绿素含量检测技术领域，所述方法包括：S1：获取所述待测植物叶片表面的激光后向散射图像；S2：对图像中的光斑进行边缘检测，并获取光斑的中心；S3：获取距离中心点预设距离的像素值；S4：对所述漫射方程进行拟合反演，以获得光学特性参数；S5：建立叶绿素含量与光学特性参数之间的预测关系模型，获得所述待测植物叶片的叶绿素含量。本发明专利技术通过对散射图像进行处理，实现了较厚叶片的叶绿素无损测量，在不提高仪器成本的情况下，保证植物叶片叶绿素含量的测量精度。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及叶绿素含量检测
，特别涉及一种植物叶片叶绿素含量测量方法及系统。
技术介绍
叶绿素在植物进行光合作用的过程中起着重要的作用，其含量是植物营养胁迫、光合作用能力和生长状况的重要指示因子。叶绿素含量检测技术的研究在农业生产、林业研究等方面有着至关重要的意义。目前测定植物叶片叶绿素含量的标准方法是分光光度计法，即将植物叶片取回实验室，将叶片称重剪碎，用丙酮提取叶片叶绿素，然后用分光光度计测定提取液在645nm和663nm的光密度，依次用0D645和0D663表示，然后按公式换算成叶绿素含量。这种方法具有耗时长、环节多、操作复杂、对叶片有破坏性、不便于野外现场测量、不便于连续测量等诸多缺点，而且实验条件等受到诸多因素的影响，需要严格控制。在叶绿素快速测定方面，主要基于叶绿素与光的相互作用特性，目前国内外已开发出多款实用的产品。叶片的光学测量模式通常有三种一是透射测量模式，二是反射测量模式，三是激光诱导荧光测量模式。透射测量模式中使用最广泛的是日本美能达公司产的SPAD-502，它是根据叶绿素在可见光区域特定波长位置有吸收谷和反射峰的特点，通过发射一束已知强度的光照射在需测定的叶片位置，检测被测试叶片特定波长吸收率和反射率来推算叶片叶绿素含量。英国CL-Ol叶绿素仪的测定叶夹是10 127mm范围内可调的，可测定常见植物叶片的任意位置的叶绿素含量，其他所有产品的叶夹都是固定的，只能测定叶片边缘和小叶片中部的叶绿素含量。CL-Ol叶绿素仪的测定范围很广，达到0 2000单位，能够测定叶绿素含量非常高的叶片。美国CCM-200叶绿素仪是通过在红光和蓝光两个波段激发光源时的光学吸收率，测量被测物的叶绿素相对含量。它可以精确测量植物和作物的相对叶绿素含量，广泛用在氮肥管理，除草剂应用，研究叶衰老、环境胁迫等。公开号为CN100462712A的中国专利公开了一种便携式植物氮素和水分含量的无损检测方法及测量仪器，该系统可利用多波长校正背景、去除背景成分影响，实现无损检测作物叶片中的色素含量。公开号为CN200965518Y的中国专利公开了一种叶绿素测定仪，其采用两个不同波长的光源分别照射植物叶片表面，比较叶片表面透射光的光密度差异，从而测量出叶绿素的相对含量，最终确定含氮量。在反射测量模式中，使用较多的是美国ASD公司生产的地物光谱仪，它通过光谱仪测量叶片反射光谱，由用户自行建立光谱与叶绿素含量之间的模型，从而实现快速测量。公开号为CN100590417C的中国专利基于可见-近红外光谱，测量叶绿素、叶黄素、水分和氮素，对校正集样本进行光谱采集，在对光谱数据进行预处理和波段优选后建立光谱值与植物组分含量标准之间的校正模型，采集未知样本的光谱，对光谱数据预处理后，将选定波段数据代入校正模型，对待组分的含量进行预测。在激光诱导突光测量模式中，公开号为CN201464366U的中国专利公开了一种叶绿素荧光探测仪，可测量植被冠层的荧光强度，该叶绿素荧光探测仪的能量探测单元用于探测植被在自然光照条件下的入射能量和植被反射能量，并将能量信号传输给输出单元，得出能量计算模型，从而获得植被冠层的荧光强度。但由于基于透射测量模式的SPAD叶绿素仪是点接触式的，读取的数值仅是仪器探头触点处的叶绿素含量，如要获取大区域的叶绿素含量需要进行大量测定，而且该仪器适合较薄的植物叶片，对于测量较厚植物叶片叶绿素含量，光难以透过，因此测量精度会受到影响。 反射测量模式的仪器中，需要使用全谱测量光谱仪，因此仪器的成本一般较高。激光诱导荧光测量模式的仪器中，测量精度较高，但仪器成本也较高。
技术实现思路
(一)要解决的技术问题本专利技术要解决的技术问题是如何实现较厚叶片叶绿素含量的无损测量，并在不提高仪器成本的情况下，保证植物叶片叶绿素含量的测量精度。(二)技术方案为解决上述技术问题，本专利技术提供了一种植物叶片叶绿素含量测量方法，包括以下步骤SI :通过激光器的出射光线照射待测植物叶片表面，并通过图像传感器获取所述待测植物叶片表面的激光后向散射图像；S2:对所述待测植物叶片表面的激光后向散射图像进行灰度转化，对转化后的图像进行去噪处理，再对去噪后的图像中的光斑进行边缘检测，并获取光斑的中心；S3 :以所述光斑的中心为圆心、N个像素为步长作同心圆，直至到达所述光斑的边缘，将每个同心圆的横纵坐标方向的像素值相加取平均值作为距离中心点预设距离的像素值，其中，N为大于零的整数；S4:构建漫射方程，将所述预设距离和对应的像素值代入所述漫射方程，对所述漫射方程进行拟合反演，以获得光学特性参数，所述光学特征参数包括约化散射系数和吸收系数中的至少一个；S5:利用回归方法建立叶绿素含量与光学特性参数之间的预测关系模型，根据所述预测关系模型获得所述待测植物叶片的叶绿素含量。优选地，步骤S5中，所述叶绿素含量与光学特性参数之间的预测关系模型通过以下步骤获得S51 :选择预设数量的植物叶片作为样品；S52 :通过激光器的出射光线照射所述样品表面，并通过图像传感器获取所述样品表面的激光后向散射图像；S53:对所述样品表面的激光后向散射图像进行灰度转化，对转化后的图像进行去噪处理，再对去噪后的图像中的光斑进行边缘检测，并获取光斑的中心；S54 :以所述光斑的中心为圆心、N个像素为步长作同心圆，直至到达所述光斑的边缘，将每个同心圆的横纵坐标方向的像素值相加取平均值作为距离中心点预设距离的像素值，其中，N为大于零的整数；S55:构建漫射方程，将所述预设距离和对应的像素值代入所述漫射方程，对所述漫射方程进行拟合反演，以获得光学特性参数；S56 :对所述样品的叶绿素含量和光学特性参数进行回归，以获得所述叶绿素含量与光学特性参数之间的预测关系模型。优选地,所述激光器的波长为670nm。优选地，通过激光器的出射光线照射所述待测植物叶片表面或样品表面时，调节所述激光器的出射光线，使获得的激光后向散射图像中的光斑直径小于叶片的宽度。优选地，在步骤S56中，所述光学特性参数与叶绿素的关系模型包括约化散射系数与叶绿素的关系模型、和吸收系数与叶绿素的关系模型中的至少一个。 优选地，步骤S56之后还包括以下步骤S57:获得约化散射系数、以及吸收系数分别与所述叶绿素含量的对应关系的误差值，选择误差值较小的对应关系模型进行叶绿素含量的最终测量。优选地，所述漫射方程为鄭)=f+ 丄]+ k+ 丄]^^)]4^L V rJ rII r2j r2 _其中，R(P)为光强值，P为激光器的出光口与叶片表面之间的垂直距离， I + Ih = 2D，Reff为叶片表面向叶片组织内的反射系数，D为漫射系数，D = -v- ,Z0 =(y a+ y ' s)-1，y eff = 172^1 = ^z20 + P2，r2 =鼻。+ 2 )2 + p2 , y ' 3为约化散射系数，ya为吸收系数。本专利技术还公开了一种植物叶片叶绿素含量测量系统，包括图像获取模块，用于通过激光器的出射光线照射待测植物叶片表面，并通过图像传感器获取所述待测植物叶片表面的激光后向散射图像；中心获取模块，用于对所述待测植物叶片表面的激光后向散射图像进行灰度转化，对转化后的图像进行去噪处理，再对去噪后的图像中的光斑进行边缘检测，并获取光本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：朱大洲，王成，罗斌，王晓冬，侯佩臣，高权，
申请(专利权)人：北京农业智能装备技术研究中心，
类型：发明
国别省市：