一种作物氮素和水分无损检测方法及装置制造方法及图纸

一种作物氮素和水分无损检测方法及装置，涉及作物营养诊断技术领域。其特征在于：所述装置包含多传感信息采集装置、便携式计算机、传感器探测架、仪器箱；其中，红外测温传感器、辐照度传感器、温湿度传感器通过信号电缆与数据采集卡连接；数据采集卡、两台数字式工业摄像机及电源模块的输入端通过ＵＳＢ总线与便携式计算机连接；电源模块将ＵＳＢ电压升至ＤＣ２４Ｖ为传感器供电；传感器探测架可根据作物调整高度；多传感器信息上传至便携式计算机，通过对植株冠层的可见光、近红外图像特征的提取，并融合冠层温度和光照信息，消除环境误差，能够对田间作物氮素和水分进行在线快速无损检测。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种小型便携式农作物营养无损检测装置，尤其是能够充分利用自然 环境下作物的可见光、近红外多光谱图像及冠层温度、冠层光照、环境温度、环境湿度等多 传感信息，利用信息融合技术，针对制约农作物产量和品质的氮素和水分这两个主要因素 进行快速的无损诊断。
技术介绍
目前，公知的作物的氮素营养诊断都是以实验室常规测试为主，主要有形态诊断 法、叶色卡片法、化学诊断法、肥料窗口施用诊断法和酶学诊断法等。而作物的水分胁迫检 测也以实验室分析为主。这些传统的测试手段通常会对作物产生破坏、影响作物生长，而且 在取样、测定、数据分析等方面需要耗费大量的人力、物力，时效性差，不利于推广应用。无 损检测技术是指在不破坏植物组织结构的基础上，利用各种手段对作物的生长、营养状况 进行监测。这种方法可以迅速、准确、自动化、非破坏性的对作物营养状况进行监测，被认为 是极有发展前途的作物营养诊断技术，是实施精确农业迫切需要的高新技术。作物氮素和 水分无损监测与检测的研究主要集中在光谱诊断、计算机视觉诊断及植株冠层温度变化诊 断等方面。作物氮营养缺乏和过剩是会引起作物叶片表面和内部组织生理特性改变，从而引 起作物叶片和冠层对光谱的反射特性发生改变。基于这一原理，可以利用作物营养的光谱 特征波长和植被指数来反演作物的营养状态，如申请号为200510088935.0的专利技术专利申 请，专利技术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，通过检测植株叶 片在四个特征波长处的光谱反射强度信息来进行植物的营养诊断，利用对四个波长植被指 数的反演来获取植物的氮素和含水率信息。申请号为200820078489. 4的技术专利申 请，公开了一种氮反射指数检测仪，利用作物叶片在两个特定波长处的光谱反射信息作为 氮反射指数，进而推断作物的产量和品质。申请号为200510088935.0的专利技术专利申请，发 明了一种植物叶片生理指标的无损检测方法，可以利用380nm-1100nm的光谱反射信息对 叶绿素、叶黄素，氮素和水分等进行检测。在申请号为200410048127. 7的专利技术专利申请，发 明了一种基于自然光照反射光谱的黄瓜叶片含氮量预测方法，可以通过黄瓜叶片在指定波 长处的光谱反射强度得出叶片的反射植被指数，进而判断其氮素水平。目前，作物氮素和水分等营养信息光谱诊断的专利所涉及的研究方法，主要是利 用植物叶片在某些特定波长处的光谱反射率及其组合信息对作物的营养进行检测，也就是 说，通过对单个叶片的光谱反射率分析，进而推断单个植株的营养状况，并据此分析区域内 植物的群体营养水平。而仅仅利用植物的叶片信息，无法充分表征整株植物的营养状态，因 此，通过叶片来推知区域范围内的植物群体的营养水平则会造成很大的误差，而对区域内 的植物群体进行快速的无损检测是营养诊断的主要目的。因此，基于冠层水平的营养诊断 方法才能真正满足需要。另外，由于光谱信息采集采用的是点源采样方式，对采样点要求较 高，且易受背景及大气窗口、光照等环境因素的影响，因此，利用光谱技术在田间进行冠层水平的营养检测误差较大。计算机视觉技术和图像处理技术的发展，为作物营养的无损检测提供了一种新的 方法。作物营养的计算机视觉检测是根据作物营养缺乏所引起的物理特性和形态特征的变 化，利用图像传感器(CCD阵列)将作物光谱转变为数字图像信息，进而将数字图像所对应 的数值矩阵用计算机进行解析，以获取所需的与营养水平有关的颜色(灰度)、纹理及形态 学等特征。计算机视觉成像由于其视角范围适中且分辨率较高，可获取整个叶片或冠层的 不同区域的图像和光反射信息，能够反映叶片或冠层的不同区域由于反射特性差异引起的 分布规律的变化，因此，克服了光谱法利用光纤探头采样(点源采样)所引起的受背景光谱 影响较大、对测试部位要求严格等缺点，且可获得较多的作物信息，是一种发展很快的无损 检测技术。申请号为200710069116.0的专利技术专利公开了一种多光谱成像技术快速无 损测量茶树含氮量的方法。申请号为200510062298. X的专利技术专利申请和申请号为 200520134360. 7的技术专利申请，公布了一种油菜氮素营养多光谱图像诊断方法及诊 断系统。上述系统均采用3CCD多光谱摄像系统作为视觉采集装置，在计算机的控制下，通 过3CCD多光谱摄像系统采集植株冠层多光谱图像信息，能够非破坏性的诊断植株的氮素 营养状况。此类系统虽然能够通过对植株冠层多光谱图像的颜色和纹理特征的分析，来诊 断植物的氮营养状况，但由于植株营养彼此之间存在着交互作用，尤其是氮素和水分之间 存在明显的正交互作用，而此类系统无法对植株的水分胁迫信息进行检测，因此，在无法确 知水分信息的情况下，氮素的检测也会受到一定的影响。且利用3CCD多光谱摄像机进行田 间在线信息采集，受作物冠层结构、冠层光照和温湿度等环境因子的影响较大，仅靠标定板 进行图像信息的标定，无法消除多种环境信息对检测的影响。目前，植物水分胁迫检测主要是采用电容等水分敏感元件作为传感器，利用类似 探针式的传感器探头深入植物内部进行检测，或者采用传统的干湿重法进行检测，这些方 法都会对植株造成损伤，对植株的生长带来不利影响。目前，作物水分胁迫的无损检测，从 理论上可以采用植株的冠气温差特征、近红外光谱特征以及近红外图像特征进行监测。植株冠层的温度变化，可以反映植株的水分胁迫状态，通过对不同饱和水汽压下 冠气温差(冠层温度与环境温度之差)变化规律的分析，可以对植株的水分信息进行无损 检测。申请号为200710178192. 5的专利技术专利申请和申请号为200720190401. 3的实用新 型专利申请，公开了一种在线式作物冠气温差灌溉决策监测系统，通过一组高速云台内部 安装的红外冠层温度传感器和支架立杆上设置的环境温度传感器等监测装置，可以实现对 小区内作物的冠层温度的监测。此装置采用分布式设计，将高速云台通过多个支架立杆分 别设置在农作物田间，可以实现对田间作物冠层温度的变化规律进行实时监测。系统能够 根据小区内的作物的冠层温度变化进行决策，适时灌溉。此系统实现了田间作物水分胁迫 的在线诊断和灌溉决策，但由于基于冠气温差的水分胁迫指数指标只能表明水分胁迫的趋 势，无法对植株的含水率进行定量评价，且水分胁迫指数受环境温湿度的影响较大，必须利 用同步采集的环境信息进行实时修正。因此，仅采用单一冠气温差信息进行植株的水分监 测，只能进行趋势判断，且无法对水分和氮素之间的作用进行解耦，因此，必须引进如近红 外图像信息等多种特征对营养交互进行解耦，并对环境因子进行实时修正，才能进一步提 高植株水分胁迫诊断的水平。尽管地物光谱技术可以较便捷地进行植被指数检测，可获得含氮量与光谱反射率 或其演生量的关系，可见光视觉图像或近红外视觉图像颜色和纹理特征的组合在一定程度 上也能表征氮素含量，植株的冠气温差也可以作为植株水分胁迫诊断的依据。但是由于氮 素、水分具有交互作用，检测过程受作物冠层结构、土壤背景光谱及大气窗口、温湿度等环 境因子的影响较大，因此，仅仅用光谱技术，或可见光视觉图像、或近红外视觉图像、或植株 的冠气温差等单一探测技术不足以准确、全面反映作物氮素和水分胁迫信息。因本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种作物氮素和水分无损检测方法，其特征在于：通过采集田间作物冠层的可见光－近红外多光谱图像、冠层温度、冠层光照、环境温度和环境湿度多种有效信息，对能够反应作物氮素的冠层可见光图像特征、反应作物水分信息的冠层近红外图像特征和反应作物水分信息的冠层温度特征进行提取，利用冠层光照，消除环境因子对检测结果的影响，实现对田间作物氮素和水分信息的在线检测。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：毛罕平，张晓东，左志宇，陈树人，孙俊，张红涛，
申请(专利权)人：江苏大学，
类型：发明
国别省市：32[中国|江苏]