專利名稱：基于光譜成像技術(shù)的植物健康狀況檢測方法及其裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于光譜成像技術(shù)的檢測方法及其裝置，特別是涉及一種基于光譜成像技術(shù)的植物健康狀況檢測方法及其裝置。
背景技術(shù)：
植物體內(nèi)能激發(fā)熒光的物質(zhì)主要有多酚類以及光合色素，包括類胡蘿卜素和葉綠素(Lichtenthaler，1998)。在一個(gè)或多個(gè)波段的激發(fā)光激發(fā)下，可以得到不同波段下的熒光光譜。激發(fā)光源的發(fā)展由氙氣燈、鹵素?zé)舻阶贤鉄簟⒓す?Pereira，2008.Moshou, 2005)。近年來，LED以其耗能小，壽命長等優(yōu)點(diǎn)，成為一種新型光源(Lawrence, 2007)。并且，LED不會對植物造成灼燒傷害，目前，已有基于LED光源的防除植物病害生長箱(專利申請公布號:CN 102014608A)。植物對藍(lán)光的吸收最強(qiáng)，因此藍(lán)光的激發(fā)效率與其他顏色光相比較高(Lichtenthaler, 1999)。藍(lán)光同時(shí)可以激發(fā)類胡蘿卜素和葉綠素?zé)晒?，分布在綠光、紅光以及近紅外波段。植物受脅迫后，熒光強(qiáng)度會發(fā)生改變，其顏色、紋理等特征會發(fā)生變化。基于多光譜的熒光成像方法，可以同時(shí)對多個(gè)波段的熒光成像，獲得不同波段的熒光圖像信息。通過對單一波段的熒光或不同波段的熒光比率的分析方法(Sankaran，2012)，可以檢測植物營養(yǎng)元素缺乏以及病蟲害脅迫癥狀(Emilie Cadet, 2011.Belasque, 2008)，是植物的健康狀況的一種重要檢測方法。葉片的機(jī)械損傷是指:植物在生長過程中，葉片因外力作用而出現(xiàn)的破損、缺失。健康的葉片也可能存在機(jī)械損傷，其健康部位的熒光強(qiáng)度與完整葉片相比沒有較大差異(MarCassa，2009)，但其破損部位不會有熒光信息。由于植物活體葉子內(nèi)的色素?zé)晒鈴?qiáng)度非常低，葉片受脅迫后色素失去活性，熒光信息會減少，嚴(yán)重時(shí)幾乎沒有熒光信息。因此，僅從熒光圖像區(qū)分二者，易把僅機(jī)械損傷的健康葉片和受脅迫的葉片混淆，對植物的健康狀況出現(xiàn)誤判(Belasque，2008)。但是在可見光波下，植物外觀信息可以完整呈現(xiàn)，結(jié)合可見光和熒光信息，能實(shí)現(xiàn)二者的區(qū)分。目前的針對植物健康狀況的檢測裝置，在光源的布置方面，實(shí)現(xiàn)均勻光照的方法是，采取左右對稱結(jié)構(gòu)或在封閉環(huán)境中加入反光物質(zhì)；在檢測對象方面，大多對植物內(nèi)自發(fā)熒光物質(zhì)如綠色熒光蛋白進(jìn)行檢測(Zuzana，2009)，或者采用其他裝置激發(fā)出的熒光后再進(jìn)行成像，缺乏光源轉(zhuǎn)換控制結(jié)構(gòu)，不能實(shí)現(xiàn)激發(fā)和采集在同一裝置中進(jìn)行；在成像方法方面，多采用單色相機(jī)和濾光片轉(zhuǎn)盤的結(jié)構(gòu)(Wetterich, 2013),不能有效地達(dá)到對處于同一熒光強(qiáng)度下的植物的多波段熒光成像；在檢測方法方面，僅從熒光圖像分析，難以區(qū)分葉片的破損是由機(jī)械損傷還是病害等脅迫導(dǎo)致。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種基于光譜成像技術(shù)的植物健康狀況檢測方法及其裝置。通過等邊三角形間隔光源結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)兩種光源均勻光照和相互轉(zhuǎn)換，激發(fā)植物色素?zé)晒猓瑫r(shí)在多個(gè)波段熒光成像并能采集可見光圖像，通過植物的熒光信息和可見光信息，分析植物受脅迫的狀況并與單純的機(jī)械損傷區(qū)分。為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是:一、一種基于光譜成像技術(shù)的植物健康狀況檢測方法，包括的步驟為:(I)先利用藍(lán)光從頂部照射活體植物，激發(fā)活體植物的類胡蘿卜素?zé)晒夂腿~綠素?zé)晒?，用多光譜相機(jī)采集植物的熒光圖像；(2)再利用白光從頂部照射活體植物，用多光譜相機(jī)采集植物的可見光圖像；(3)對植物的可見光圖像和熒光圖像進(jìn)行圖像處理，得到植物葉片部位的灰度圖；(4)提取熒光圖像中綠光、紅光和近紅外三個(gè)分量熒光圖像，計(jì)算三個(gè)分量熒光圖像中植物葉片的顏色、紋理特征參數(shù)，判別出健康與受脅迫的植物；(5)提取可見光圖像中，植物葉片的形狀參數(shù)，得到植物葉片的外部輪廓信息，判別出完整和有機(jī)械損傷的植物。步驟(3)所述的圖像處理包括去背景、濾波增強(qiáng)圖像和分割圖像。二、一種基于光譜成像技術(shù)的植物健康狀況檢測裝置:本發(fā)明包括光照箱、照明單元、成像單元和計(jì)算機(jī)；其中:照明單元包括:三個(gè)藍(lán)色LED和三個(gè)白色LED構(gòu)成的光源，光源控制器；等邊三角形支架的每一邊均有一個(gè)藍(lán)色LED和一個(gè)白色LED，同樣顏色的三個(gè)LED燈形成一個(gè)等邊三角形，三個(gè)等邊三角形具有相同的中心0，六個(gè)LED的光照平面均與水平面呈45度夾角，光源控制器通過與光源相連，光源控制器分別用兩個(gè)獨(dú)立開關(guān)連接兩個(gè)顏色LED燈，控制藍(lán)色LED和白色LED的開關(guān)；成像單元:位于所述的光照箱內(nèi)，成像單元垂直安裝在采集平臺的正上方，成像單元包括多光譜相機(jī)和可調(diào)鏡頭；多光譜相機(jī)與計(jì)算機(jī)相連，采集平臺位于光照箱底部。所述多光譜相機(jī)的光譜范圍是400-700nm和760_1000nm。本發(fā)明具有的有益效果是:I)本發(fā)明利用兩種光源的轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)了對植物色素?zé)晒獾募ぐl(fā)和采集。2)本發(fā)明改進(jìn)了光源的結(jié)構(gòu)，用三角形間隔光源結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)兩種光源的均勻光照。3)本發(fā)明使用多光譜相機(jī)，與以往的單色相機(jī)加濾光片結(jié)構(gòu)相比，可以同時(shí)采集多個(gè)波段的熒光圖像。4)提供熒光圖像與可見光圖像，基于顏色、紋理和形狀等特征參數(shù)將植物分為三類:健康完整、健康有機(jī)械損傷和不健康受脅迫。


圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是本發(fā)明等邊三角形間隔光源結(jié)構(gòu)示意圖。圖3是本發(fā)明成像原理示意圖。圖4是本發(fā)明方法流程中:1、光照箱，2、光源，3、光源控制器，4、計(jì)算機(jī)，5、.多光譜相機(jī)，6、可調(diào)鏡頭，7、采集平臺，8、等邊三角形支架，9、藍(lán)色LED，10、白色LED。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。如圖1、圖2、圖3所示，本發(fā)明包括光照箱1、照明單元、成像單元和計(jì)算機(jī)4 ;其中:照明單元包括:三個(gè)藍(lán)色LED9和三個(gè)白色LEDlO構(gòu)成的光源2，光源控制器3 ;等邊三角形支架8的每一邊均有一個(gè)藍(lán)色LED9和一個(gè)白色LED10，同樣顏色的三個(gè)LED燈形成一個(gè)等邊三角形，三個(gè)等邊三角形具有相同的中心0，檢測對象置于中心位置附近，光源從三個(gè)方向照射，六個(gè)LED的光照平面均與水平面呈45度夾角，能提供均勻的光照，光源控制器用于控制兩種顏色LED的轉(zhuǎn)換；光源控制器3與光源2相連，光源控制器3將220V電壓轉(zhuǎn)換為36V，為六個(gè)LED燈供電，光源控制器3中有兩個(gè)獨(dú)立開關(guān)分別連接兩個(gè)顏色LED燈，可以控制藍(lán)色LED9和白色LEDlO的開關(guān)；計(jì)算機(jī)安裝有圖像采集卡和采集軟件，對檢測對象進(jìn)行圖像采集、處理和顯示。

成像單元:位于所述的光照箱I內(nèi)，成像單元垂直安裝在采集平臺7的正上方，成像單元包括多光譜相機(jī)5和可調(diào)鏡頭6 ;多光譜相機(jī)5通過Camera Link線與計(jì)算機(jī)4相連，采集平臺7位于光照箱I底部。多光譜相機(jī)5內(nèi)置分光棱鏡，可以同時(shí)對可見和近紅外波段成像，且圖像不重疊。鏡頭物距可調(diào)，相應(yīng)活體植物的不同高度而調(diào)整。所述多光譜相機(jī)5的光譜范圍是400-700nm和760_1000nm。如圖4所示，本發(fā)明的方法包括以下步驟:(I)先確定多光譜相機(jī)5的曝光時(shí)間和增益，并進(jìn)行黑白場的標(biāo)定，消除多光譜相機(jī)5的暗電流噪聲；(2)將植物放置于采集平臺7上，位于光源2中等邊三角形支架8的中心位置O附近，用光源控制器3打開藍(lán)色LED9，藍(lán)光從頂部照射活體植物，激發(fā)活體植物的類胡蘿卜素?zé)晒夂腿~綠素?zé)晒?，用多光譜相機(jī)采集植物在400-700nm以及760-1000nm兩個(gè)波段范圍內(nèi)的熒光圖像；(3)再用光源控制器3關(guān)閉藍(lán)色LED9，打開白色LED10，白光從頂部照射活體植物，用多光譜相機(jī)采集植物的可見光圖像；(4)植物的可見光圖像和熒光圖像，通過圖像采集卡傳輸至計(jì)算機(jī)4，圖像分析處理軟件進(jìn)行圖像處理，包括用單連通區(qū)域法去除土壤和雜質(zhì)，采用綠色增強(qiáng)法增強(qiáng)葉片區(qū)域，得到植物葉片部位的灰度圖，以及用圖像分割算法將灰度圖分割壓縮至16級灰度；(5)經(jīng)過圖像處理后，提取熒光圖像的綠光波段(550nm±40nm)、紅光波段(650nm±40nm)和近紅外(800nm±40nm)三個(gè)分量熒光圖像，把三個(gè)熒光圖像的平均灰度值作為顏色特征量，按照公式1-4計(jì)算角二階矩、熵、對比度、相關(guān)四個(gè)紋理特征值。把健康植物葉片對應(yīng)的特征值作為標(biāo)準(zhǔn)，在任意一個(gè)分量圖中，植物的任意一個(gè)特征值較健康植物有明顯差別，即可判別出健康與受脅迫的植物；
權(quán)利要求
1.種基于光譜成像技術(shù)的植物健康狀況檢測方法，其特征在于，包括的步驟為: (1)先利用藍(lán)光從頂部照射活體植物，激發(fā)活體植物的類胡蘿卜素?zé)晒夂腿~綠素?zé)晒?，用多光譜相機(jī)采集植物的熒光圖像； (2)再利用白光從頂部照射活體植物，用多光譜相機(jī)采集植物的可見光圖像； (3)對植物的可見光圖像和熒光圖像進(jìn)行圖像處理，得到植物葉片部位的灰度圖； (4)提取熒光圖像中綠光、紅光和近紅外三個(gè)分量熒光圖像，計(jì)算三個(gè)分量熒光圖像中植物葉片的顏色、紋理特征參數(shù)，判別出健康與受脅迫的植物； (5)提取可見光圖像中，植物葉片的形狀參數(shù)，得到植物葉片的外部輪廓信息，判別出完整和有機(jī)械損傷的植物。
2.據(jù)權(quán)利要求1所述的基于光譜成像技術(shù)的植物健康狀況檢測方法，其特征在于，步驟(3)所述的圖像處理包括去背景、濾波增強(qiáng)圖像和分割圖像。
3.施權(quán)利要求1所述方法的一種基于光譜成像技術(shù)的植物健康狀況檢測裝置，其特征在于:包括光照箱(I)、照明單元、成像單元和計(jì)算機(jī)(4);其中:照明單元包括:三個(gè)藍(lán)色LED (9)和三個(gè)白色LED (10)構(gòu)成的光源(2)，光源控制器(3);等邊三角形支架(8)的每一邊均有一個(gè)藍(lán)色LED (9)和一個(gè)白色LED (10)，同樣顏色的三個(gè)LED燈形成一個(gè)等邊三角形，三個(gè)等邊三角形具有相同的中心O，六個(gè)LED的光照平面均與水平面呈45度夾角，光源控制器(3)與光源(2)相連，光源控制器(3)控制藍(lán)色LED(9)和白色LED (10)的開關(guān)； 成像單元:位于所述的光照箱(I)內(nèi)，成像單元垂直安裝在采集平臺(7)的正上方，成像單元包括多光譜相機(jī)(5)和可調(diào)鏡頭(6);多光譜相機(jī)(5)與計(jì)算機(jī)(4)相連，采集平臺(7)位于光照箱(I)底部。
4.據(jù)權(quán)利要求3所述的一種基于光譜成像技術(shù)的植物健康狀況檢測裝置，其特征在于:所述多光譜相機(jī)(5)的光譜范圍是400-700nm和760_1000nm。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于光譜成像技術(shù)的植物健康狀況檢測方法及其裝置。其照明單元中等邊三角形支架的每邊均有一個(gè)藍(lán)色LED、白色LED，同樣顏色的三個(gè)LED燈形成一個(gè)等邊三角形，能實(shí)現(xiàn)均勻的光照；光源控制器控制兩種LED燈相互轉(zhuǎn)換，激發(fā)植物熒光。其采集單元的多光譜相機(jī)，用于采集熒光和可見光圖像。提取熒光圖像中植物的顏色、紋理特征，以及可見光圖像中植物的形狀特征，將植物分類為健康完整、健康僅有機(jī)械損傷和不健康受脅迫三類。本發(fā)明激發(fā)植物葉片色素?zé)晒猓瑫r(shí)獲取植物葉片不同波段的熒光和可見光圖像，實(shí)現(xiàn)植物健康狀況的檢測。
文檔編號G01N21/64GK103091296SQ201310026148
公開日2013年5月8日 申請日期2013年1月23日 優(yōu)先權(quán)日2013年1月23日
發(fā)明者蔣煥煜, 盧勁竹 申請人:浙江大學(xué)