一種基于手持設備的植物葉片含氮量測量方法和裝置制造方法
【專利摘要】本發明公開一種基于手持設備的植物葉片含氮量測量方法和裝置，屬于植物葉片含氮量測量領域。該方法通過手持設備一體化完成對葉片拍照、圖像處理和計算，獲得葉片的含氮量。該裝置包括一個安裝有葉片含氮量測量軟件的手持設備（4）、一塊背景板（1）和一個標定色塊組（2）。標定色塊組（2）和被測植物葉片（3）分別置于背景板（1）上的不同位置，手持設備（4）位于背景板（1）的正上方。背景板（1）正面的顏色區別于被測植物葉片（3）顏色，標定色塊組（2）固定在背景板（1）上，顏色區別于背景板（1）正面顏色及被測植物葉片（3）顏色，且顏色信息已知。該方法和裝置能快速、方便、現場實時地測定植物葉片含氮量。
【專利說明】一種基于手持設備的植物葉片含氮量測量方法和裝置
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種植物葉片含氮量的測量方法和裝置，屬于植物葉片含氮量測量領域。具體地說是涉及一種基于手持設備的植物葉片含氮量測量方法，以及一種用于所述測量方法的植物葉片含氮量測量裝置。
【背景技術】
[0002]氮素是植物所需營養中最重要的和不可缺少的元素，目前對于植物氮素營養測量的研究已經做了大量的工作，普遍的氮素營養測量方法主要包括以下方面:①土壤氮素測量:土壤氮素的測量主要包括土壤全氮測量，有效氮測量和土壤無機氮測量。該方法成熟，結果穩定、可靠，但操作繁瑣、費時，且結果與作物生長的相關性不好化學方法測量:化學方法測量是通過化學分析方法找到不同植株器官的氮素營養臨界濃度來實現測量的方法。化學方法主要有植株全氮測量和硝酸鹽測量。植株全氮含量可以很好地反映作物氮素營養狀況，與作物產量也有較好的相關性，且全氮含量測定值相對比較穩定，是一個很好的測量指標。但由于全氮測量操作繁瑣，專業要求高、且工作量大，費工、費時、成本高，在推廣應用中有一定的局限性。③葉綠素儀含氮量測量:葉綠素計法將植物葉片插入葉綠素計測定部位感光后讀出葉綠素值(葉色值)，根據與植株含氮量的關系確定氮素診斷的葉色值。葉綠素計具有體積小、重量輕、攜帶方便、測定方法簡單、不損傷植被、測量準確等特點已被廣泛應用。④氮營養失調的外觀測量:氮營養失調的外觀檢測主要包括癥狀檢測、長勢長相檢測和葉色檢測。氮營養失調的外觀檢測主要包括癥狀檢測、長勢長相檢測和葉色檢測。
[0003]準確、快速、及時地對作物氮營養狀況做出判斷是氮肥合理施用的基礎，也是植物營養工作者一直研究的熱點課題之一。作物在生長發育過程中對氮素的需求較大，缺氮會直接影響作物的生長和產量，然而氮肥施用過多又會造成肥料利用率下降、作物品質降低，地下水污染和溫室氣體排放等問題。準確掌握植株的營養狀況，才能更合理地進行肥料投入，防止肥料浪費和對環境的污染。因此，建立一個簡便、快速、準確的營養診斷方法已成為當務之急。
【發明內容】
[0004]本發明旨在提供一種基于手持設備的植物葉片含氮量測量方法和裝置，以提高植物葉片含氮量測量的速度、精確度、現場實時性和便攜性。本發明是基于現有手持設備的硬件平臺和軟件平臺。硬件要求要具備拍照、存儲等功能。軟件系統為支持硬件操作的軟件平臺，通過安裝的自編軟件實現植物葉片含氮量測量過程中的攝像頭調用，圖像處理、統計分析、人機交互和顯示等功能。
[0005]本發明保護的技術方案要解決的技術問題是:1)如何選擇并配置背景板、標定色塊組以使背景板、標定色塊組、葉片顏色各異并便于測量現場操作簡單、便捷以；2)如何利用手持設備獲得完整的數碼照片；3)如何用手持設備一體化地完成圖像處理及獲得計算結果以及如何更快捷測量葉片含氮量；本發明的基于手持設備的植物葉片含氮量測定方法包括以下步驟:
(I)選擇拍攝背景與標定色塊組:選擇一塊被測植物葉片顏色相區別的純色不透明平板作為背景板；在背景板上固定一個標定色塊組，標定色塊組的每一個色塊的顏色為純色，且不同于背景板和被測植物葉片，且顏色信息已知。
[0006](2)植物葉片圖像的采集:將被測植物葉片放在背景板正面，且與標定色塊組的位置臨近。通過運行安裝在手持設備中的軟件調用攝像頭進行拍攝，采集在背景板區域內，包含被測植物葉片和標定色塊組在內的完整的圖像，并將圖像保存在手持設備的存儲卡中。
[0007](3)植物葉片圖像特征信息的提取:在手持設備中通過數字圖像處理程序提取植物葉片區域的顏色特征信息。植物葉片圖像特征提取包括以下步驟:通過圖像濾波、圖像色彩校正、圖像裁剪和圖像分割，將植物葉片區域從背景中分割；通過遍歷被測植物葉片區域，統計植物葉片區域的顏色特征信息。
[0008](4)植物葉片含氮量的計算:根據已經建立的植物葉片含氮量與植物葉片顏色特征信息的數學模型，計算植物葉片含氮量。
[0009]上述方法中圖像處理包括圖像濾波，圖像濾波可以減少和消除圖像中的“噪音”，以改善圖像質量。本方法中采用線性濾波法。線性濾波的算法如下:
①分別于每一個通道下，從左到右，從上到下順序遍歷圖像的每一個像素U_7);
②把模板算子的中心與該輸入像素Cr，_7)重疊，把該像素與模板進行卷積運算，把運算的結果作為輸出圖像在該通道下對應像素的灰度值；
③如果所有像素都處理完畢，則算法結束，否則轉向①。
[0010]上述方法中圖像處理包括圖像色彩校正，圖像色彩校正可以減少CMOS攝像頭在自然光條件下拍攝圖像過程中由于光照和硬件自身非線性畸變造成的圖像色彩畸變。本方法中采用基于標定色塊組的圖像色彩校正方法。基于標定色塊組的圖像色彩校正方法的算法如下:
①通過閾值分割圖像中的標定色塊組中的灰度色塊，遍歷灰度色塊區域，分別統計R通道的均值、G通道的均值GW2p和B通道的均值馬&。
[0011]②求出、σ_和的均值,并分別求出RGB三通道的灰度校正系數Gr、Gg 和 Ga。
【權利要求】
1.一種基于手持設備的植物葉片含氮量測量方法，其特征在于，按照如下步驟進行: (1)選擇拍攝背景與標定色塊組:選擇一塊與被測植物葉片顏色相區別的純色不透明平板作為背景板(I);在背景板(I)上固定一個標定色塊組(2)，標定色塊組(2)由多個不同顏色的純色色塊構成；標定色塊組(2)各色塊的顏色不同于背景板(I)和被測植物葉片(3)，且標定色塊組(2)各色塊的顏色特征信息已知； (2)植物葉片圖像的采集:將被測植物葉片(3)放在背景板(I)正面，且與標定色塊組的位置臨近；通過運行安裝在手持設備(4)中的植物葉片含氮量測量軟件調用攝像頭進行拍攝，采集在背景板(I)區域內包含被測植物葉片(3)和標定色塊組(2)在內的完整的圖像，并將圖像保存在手持設備(4)的存儲卡中； (3)植物葉片圖像特征信息的提取:在手持設備(4)中通過數字圖像處理程序提取植物葉片(3)區域的顏色特征信息；具體包括以下步驟:通過圖像濾波、圖像色彩校正、圖像裁剪和圖像分割，將植物葉片(3)區域從背景中分割；通過遍歷被測植物葉片(3)區域，統計植物葉片(3)區域的顏色特征信息； (4)植物葉片含氮量的計算:根據已經建立并存儲于手持設備中的植物葉片(3)含氮量與植物葉片(3)顏色特征信息之間的數學模型計算植物葉片(3)含氮量。
2.根據權利要求1所述的一種基于手持設備的植物葉片含氮量測量方法，其特征在于采用線性濾波法進行圖像濾波；采用標定色塊組(2)法進行圖像色彩校正；采用閾值法進行圖像二值化。
3.一種用于實現權利要求1所述的一種基于手持設備的植物葉片含氮量測量方法的裝置，其特征在于:包括一個手持設備(4)、一塊背景板(I)和一個標定色塊組(2);拍照時手持設備(4)位于背景板(I)的正上方；手持設備(4)具有拍照、存儲、圖像處理、統計分析、人機交互和顯示功能； 所述背景板(I)為一個純色不透明平板，其正面的顏色區別于被測植物葉片(3)顏色和標定色塊組(2)各色塊的顏色；標定色塊組(2)固定在背景板(I)的正面； 所述標定色塊組(2)由多個不同顏色的純色色塊構成；標定色塊組(2)各色塊的顏色不同于背景板(I)和被測植物葉片(3)，且標定色塊組(2)各色塊的顏色特征信息已知； 所述的手持設備(4)安裝有植物葉片含氮量測量軟件，所述的軟件包括交互界面模塊和算法實現程序模塊；交互界面模塊包括主界面子模塊、軟件簡介界面子模塊、系統相機調用界面子模塊、存儲器文件選擇界子面模塊和植物葉片含氮量計算界面子模塊；所述的算法實現程序模塊包括獲取圖像子模塊、拍攝圖像子模塊、選取本地圖像子模塊、裝載圖像子模塊、圖像平滑子模塊、圖像色彩信息校正子模塊、圖像裁剪子模塊、圖像分割子模塊、顏色特征提取子模塊和計算含氮量子模塊； 所述的交互界面上有5個按鈕組件、一個圖像顯示組件和幾個文本顯示組件；所述的5個按鈕組件分別是拍攝圖像組件、加載圖像組件、圖像處理組件、查看結果組件和開始新的測量組件；所述的交互界面上給出關鍵操作提示；所述的植物葉片含氮量計算界面子模塊給出了葉片區域的R均值、G均值、B均值和葉片的含氮量值； 所述的的基于手持設備的植物葉片含氮量測量裝置的測量精度為0.01%。
【文檔編號】G01N21/25GK104132897SQ201410402460
【公開日】2014年11月5日 申請日期:2014年8月16日 優先權日:2014年8月16日
【發明者】郭文川, 周超超, 韓文霆 申請人:西北農林科技大學