[發明專利]一種植物氮素含量豐缺圖像檢測方法

有效

• 申請號: 201410145551.7
• 申請日: 2014-04-11
• 公開（公告）號: CN103942555B
• 公開（公告）日: 2017-01-18
• 發明（設計）人: 姚孝明
• 申請（專利權）人: 海南大學
• 主分類號: G06K9/54
• 分類號: G06K9/54;G01N21/84;G01N21/25
• 代理公司: 海口翔翔專利事務有限公司46001
• 代理人: 莫臻

1.一種植物氮素含量豐缺圖像檢測方法，其特征在于，其步驟如下：

1）、建立標準農化模型、計算設備色差補償值及環境色差補償值

A、建立標準農化模型：設當前葉片圖像的色度分量值為H，二分標準色度閾值為H_s，則其氮素豐缺可用下式判斷：

其中，上述色度分量值為H、二分標準色度閾值H_s的計算過程具體如下：a)按照氮素豐缺標準配方對給定植物進行缺素培養，待葉片生長為成葉后從植物上采集具有代表性的樣本葉片；b）將樣本葉片固定在一張白紙中心，然后用不透明材料將其圍成一個高為1米的柱狀空間，在室內僅有日光燈的條件下用拍攝器材由柱狀空間的正上方拍攝該樣本葉片的圖像；c)采用現有數字圖像處理技術中的全局閾值算法分割圖像，計算全局閾值，由此將該圖像分割為背景BK與葉片區域LF兩部分；d)計算LF區域內像素值的平均值，即候選檢測像素的RGB分量值；e)采用傳統IHS色度空間變換公式將上述候選檢測像素的RGB分量轉換為HSB分量值，計算其色度分量值即H分量，選擇該分量值作為相應像素的色度特征值；f)通過農化分析得出相應樣本葉片的氮素含量占干比值，構建色度特征值H與氮素含量占干比值N之間的二元映射關系表；g)采用fisher分類器計算獲得判決閾值即為H_s；

B、計算設備色差補償值：1）選擇同一樣本葉片，設定某一高分辨率的拍攝器材為標準拍攝器材，分別用標準拍攝器材和其它常見拍攝器材進行拍攝采集樣本葉片圖像；2）根據全局閾值分割方法提取其中葉片所在區域，求取葉片區域內所有像素的平均值并將其作為候選檢測像素的RGB分量值；3）采用傳統IHS變換公式，依據RGB分量值計算得到其相應的色度分量值；4）取與常見拍攝器材對應的色度分量值與標準相機對應的色度分量值的差作為常見拍攝器材的單樣本色差補償值；5）取大量葉片樣本，按如下公式計算：

Hd=1nΣ(Si-Bi)]]>

得到常見拍攝器材的標準色差補償值H_d，其中S_i為常見拍攝器材對應的色度分量值，B_i為標準相機對應的色度分量值；

C、計算環境色差補償值：1）設定某一拍攝器材為標準拍攝器材，用標準拍攝器材分別在雨天、陰天、多云和晴天以及標準五個環境條件下采集500張葉片樣本圖像，所述標準環境條件與標準農化模型建立過程中b步驟相同；2）根據全局閾值分割方法提取其中葉片所在區域，求取葉片區域內所有像素的平均值并將其作為候選檢測像素的RGB分量值；采用傳統IHS變換公式，依據RGB分量值計算得到其相應的色度分量值；3）取各類環境與標準環境下得到的色度分量值的差值作為該類環境的單樣本色差補償值；4）按如下公式計算求平均，得到各類環境的標準色差補償值H_e。

He=1nΣ(Ti-Hi)]]>

式中：T_i為各類環境下得到的色度分量值，H_i為標準環境下得到的色度分量值；

2）、葉片氮素豐缺檢測

在任意環境條件下用常見拍攝器材對具有代表性的植物葉片圖像進行拍攝采集，并將圖像導入氮素豐缺檢測應用系統進行檢測；

所述氮素豐缺檢測應用系統由葉片區域提取、小模板濾波、計算候選檢測像素的RGB分量值、計算候選檢測像素的H分量值、設備色差補償、環境色差補償及氮素豐缺判決七個過程構成，具體步驟如下：

A、葉片區域提取：

首先，對葉片圖像采用迭代法或OSTU法確定分割閾值T，按照>=T以及<T將圖像分為背景BK和前景LF兩類，分別對其做非線性空域濾波，其p×p模板如下：

濾波規則：若由窗口K在上述區域圖像中滑動，區域圖像窗口像素分布用A表示，則：

若K.*A=0,則令區塊A中所有像素值均為0，即A=0；否則，A=1為全1矩陣；

經過上述處理，可以得到比較干凈的葉片有效區域；

B、小模板濾波：

在葉片有效區域的結果圖像，選取以下3×3平滑小模板K’進行平滑濾波，即：

K'=116121244121]]>

濾波規則：若由窗口K’在葉片有效區域的結果圖像內逐像素滑動，每次被窗口K’覆蓋的區域像素分布用B表示，對應區域的中心像素為C_ij，濾波后為C'_ij，即

C'_ij=K’.*B

C、計算候選檢測像素的RGB分量值：

令上述經過處理后的圖像中葉片邊界像素值為0，其中所述葉片邊界像素是指葉片區域內與背景像素（提取葉片區域后其像素值為0）相鄰的像素；

計算圖像內所有非0像素個數，以及所有非0像素值的總和，求其平均值即為候選檢測像素的RGB分量值；

D、計算候選檢測像素的H分量值：

采用傳統IHS色度空間變換，將所得候選檢測像素的RGB分量轉換為HSI值，由此計算得到其色度分量值H；

E、設備色差補償：

計算設備色差補償后的色度值H’，即H’=H-H_d；

F、環境色差補償：

計算環境色差補償后的色度值H”，即H”=H’-H_e；

G、氮素豐缺判決：

氮素豐缺判決規則是：若H”≥H_s，則氮素含量為正常以上；否則，若H”<H_s，則氮素處于缺乏狀態，需要追肥。

2.根據權利要求1所述的方法，其特征在于：所述現有數字圖像處理技術中的全局閾值算法是迭代法或OTSU法。