專利名稱：基于可見/近紅外多光譜成像的灰霉病害早期診斷系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種植物葉片與冠層灰霉病害早期診斷系統(tǒng)，尤其是指一種基于可見/近紅外多光譜成像的植物葉片與冠層灰霉病害早期診斷系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
植物灰霉病害對于植物生長的危害十分嚴重。病害不僅能夠?qū)е陆?jīng)濟植物的產(chǎn)物產(chǎn)量和質(zhì)量的下降，同時會引起農(nóng)藥等藥物的大量投入以及防治費用的上升，從而增加了農(nóng)林生產(chǎn)成本并會造成嚴重的環(huán)境污染?，F(xiàn)有的病害檢測方法在實際農(nóng)林業(yè)生產(chǎn)中都存在取樣、測定、數(shù)據(jù)分析等方面需要耗費大量的人力、物力的缺點，且實時性差，無法滿足具體生產(chǎn)實踐的需要。肉眼觀測存在著疲勞、情緒等主觀因素的干擾；基于分子水平的檢測方法，如生物測定技術(shù)、核酸序列分析技術(shù)、分子標記技術(shù)，PCR技術(shù)等，雖然較為準確，但不能實時操作，且需要專業(yè)人員操作，耗時，成本較高；通過以往的病害發(fā)生數(shù)據(jù)進行的統(tǒng)計預(yù)測在精度方面不夠高，缺少實效性，并且只適用于在一個很大的地域范圍內(nèi)進行粗略估計，很難對小區(qū)或單株進行。
可見/近紅外多光譜成像技術(shù)是一種能夠同時采集可見光譜和紅外光譜等波段數(shù)字圖像并進行分析的技術(shù)。它結(jié)合了光譜分析技術(shù)(敏感波段提取)和計算機圖像處理技術(shù)的長處，同時可以彌補光譜儀抗干擾能力較弱和RGB圖像感受范圍窄的缺點。針對錯綜復(fù)雜的外部環(huán)境和形狀各異的植物品種，利用可見/近紅外多光譜成像技術(shù)，同時處理可見光譜和紅外光譜圖像中植物的顏色信息、形狀信息以及特征信息，對植物生長健康狀況進行快速、準確的檢測。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種結(jié)構(gòu)簡單，制作方便，應(yīng)用可見/近紅外多光譜成像技術(shù)，可快速、準確地采集被測植物葉片和冠層的可見/近紅外多光譜圖象信息，分析得到被測植物灰霉病害的感染程度，從而實現(xiàn)實時無損的植物灰霉病害檢測的診斷系統(tǒng)。
一種基于可見/近紅外多光譜成像的植物葉片與冠層灰霉病害早期診斷系統(tǒng)，包括可見/近紅外多光譜成像儀、成像儀固定裝置、圖像采集卡、計算機、反射率動態(tài)標定板和光源，可見/近紅外多光譜成像儀分別近紅外多光譜成像儀通過RS-232串口線及圖象采集卡數(shù)據(jù)線與計算機連接，計算機上設(shè)有圖像分析處理軟件；RS-232串行口控制可見/近紅外多光譜成像儀采集被測植物的冠層圖象和反射率動態(tài)標定板圖象，通過圖象采集卡輸入計算機，圖像分析處理軟件分析植物冠層圖象紅色、綠色及近紅外三個通道圖像的信息，通過反射率動態(tài)標定板將該三個通道圖像信息的灰度值轉(zhuǎn)換成反射率值，分離土壤背景，去除泥土、枯葉等干擾因素，提取被測植物的病害信息，診斷被測植物是否感染病害及病癥出現(xiàn)的位置。
所述的可見/近紅外多光譜成像儀采集圖象所用光源為日光，當室內(nèi)無日光時采用人工光源。
上述系統(tǒng)的圖像分析處理軟件對采集到的被測植物冠層圖象的診斷過程包括以下步驟1)通過反射率動態(tài)標定板在被測植物冠層圖象的紅、綠、近紅外三個通道圖象中各個象素點的灰度值及其對應(yīng)的反射率值建立兩者之間的線性相關(guān)關(guān)系；2)通過建立的圖象灰度值和反射率值的線性關(guān)系，將圖象的灰度值轉(zhuǎn)換成反射率值；3)通過近紅外通道的圖象信息，將圖象中土壤背景和植物分離；4)剔除植物圖像上泥土、枯葉等和病斑顏色大小相似的干擾因素；5)確定病癥所在的位置并根據(jù)病斑的大小、形狀、顏色深淺等判斷病害嚴重程度；6)分析決策是否對拍攝植物噴藥，并確定劑量、噴頭形狀及噴藥種類。
與傳統(tǒng)病害檢測手段相比，本發(fā)明系統(tǒng)具有以下優(yōu)點(1)功能強大，可實現(xiàn)多種植物灰霉病害的快速、準確、穩(wěn)定、實時、非破壞性的診斷，并且做到盡可能地早期病害檢測；(2)系統(tǒng)簡單，整個檢測系統(tǒng)只由一個可見/近紅外多光譜成像系統(tǒng)、一個圖像采集卡、一臺計算機、一塊反射率動態(tài)標定板組成；(3)使用方便，當測量系統(tǒng)的各組件都連接完畢后，最后的圖象采集分析工作通過圖像分析處理軟件完成；(4)通過對檢測出染病的植物進行藥物處理，可以減少由于全面噴灑而造成的藥物用量，降低生產(chǎn)成本并減少污染。


圖1為本發(fā)明系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理框圖；圖2為本發(fā)明系統(tǒng)的軟件流程圖。
具體實施例方式
如圖1所示，一種基于可見/近紅外多光譜成像的植物葉片與冠層灰霉病害早期診斷系統(tǒng)，包括可見/近紅外多光譜成像儀、成像儀固定裝置、圖像采集卡、計算機、反射率動態(tài)標定板和光源，可見/近紅外多光譜成像儀分別近紅外多光譜成像儀通過RS-232串口線及圖象采集卡數(shù)據(jù)線與計算機連接，計算機上設(shè)有圖像分析處理軟件；可見/近紅外多光譜成像儀通過三個電荷耦合器件(Charge CoupledDevice，CCD)傳感器實時采集被測植物的冠層圖像和反射率動態(tài)標定板圖像。RS-232串行口用于圖象采集的控制。圖像包括綠光波段(550nm±40nm)、紅光波段(650nm±40nm)、近紅外波段(800nm±40nm)三個波段通道的單色圖像，圖像信息通過圖象采集卡輸入計算機，圖像分析處理軟件分析植物冠層圖象三個通道圖像的信息，通過反射率動態(tài)標定板將該三個通道圖像信息的灰度值轉(zhuǎn)換成反射率值，分離土壤背景，去除泥土、枯葉等干擾因素，提取被測植物的病害信息，診斷被測植物是否感染病害及病癥出現(xiàn)的位置。由于不同光照條件下葉面反射率也隨之不同。因此設(shè)計了反射率動態(tài)標定板，將葉面圖像數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為葉面反射率數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進行標定。每張圖片的病害識別時間為5秒左右。
可見/近紅外多光譜成像儀采用美國Redlake公司的MS3100 DuncanCamera；圖象采集卡采用美國National Instrument公司的PCI1424或1428數(shù)據(jù)采集卡。
本發(fā)明系統(tǒng)的可見/近紅外多光譜成像儀可通過設(shè)置如可調(diào)節(jié)角度、高度、移動底座的三腳架，屋頂可沿設(shè)計軌跡移動的懸掛機構(gòu)或安裝有可調(diào)節(jié)機械伸展臂高度、角度的車輛等固定裝置進行固定，分別用于室內(nèi)及室外使用。同時植物和反射率動態(tài)標定板的可見/近紅外多光譜的圖象采集所用的光源為日光，當室內(nèi)無陽光時采用人工光源。
在野外田間工作時，將可見/近紅外多光譜成像儀安裝在三角支架上方，如植物距離道路較近，為了方便快速測量，亦可安裝在從車輛上伸出的機械臂上。成像儀鏡頭保證垂直地面照射，鏡頭距離植物冠層表面1.5～2米左右。
在溫室內(nèi)工作時，將可見/近紅外多光譜成像儀安裝在房頂可沿設(shè)計軌跡移動的懸掛機構(gòu)上。成像儀同樣可以固定在三角支架上，鏡頭垂直向下采集圖象信息。
如圖2所示，圖像分析處理軟件對采集到的被測植物冠層圖象的診斷過程包括以下步驟1)通過反射率動態(tài)標定板在被測植物冠層圖象的紅、綠、近紅外三個通道圖象中各個象素點的灰度值及其對應(yīng)的反射率值建立兩者之間的線性相關(guān)關(guān)系；2)通過建立的圖象灰度值和反射率值的線性關(guān)系，將圖象植物的灰度值轉(zhuǎn)換成反射率值；3)通過近紅外通道的圖象信息，將圖象中土壤背景和植物分離；4)剔除植物上泥土、枯葉等和病斑顏色大小相似的干擾因素；5)確定病癥所在的位置并根據(jù)病斑的大小、形狀、顏色深淺等判斷病害嚴重程度；6)分析決策是否對拍攝植物噴藥，并確定劑量、噴頭形狀及噴藥種類。
權(quán)利要求
1.一種基于可見/近紅外多光譜成像的植物葉片與冠層灰霉病害早期診斷系統(tǒng)，其特征在于包括可見/近紅外多光譜成像儀、成像儀固定裝置、圖像采集卡、計算機、反射率動態(tài)標定板和光源，可見/近紅外多光譜成像儀分別通過RS-232串口線及圖象采集卡數(shù)據(jù)線與計算機連接，計算機上設(shè)有圖像分析處理軟件；RS-232串行口控制可見/近紅外多光譜成像儀采集被測植物的冠層圖象和反射率動態(tài)標定板圖象，通過圖象采集卡輸入計算機，圖像分析處理軟件分析植物冠層圖象紅色、綠色及近紅外三個通道圖像的信息，通過反射率動態(tài)標定板將該三個通道圖像信息的灰度值轉(zhuǎn)換成反射率值；然后分離土壤背景，去除泥土、枯葉等干擾因素，提取被測植物的病害信息，診斷被測植物是否感染病害及病癥出現(xiàn)的位置。
2.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于所述的可見/近紅外多光譜成像儀采集圖象所用光源為日光，當室內(nèi)無日光時采用人工光源。
3.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于圖像分析處理軟件對采集到的被測植物冠層圖象的診斷過程包括以下步驟1)通過反射率動態(tài)標定板在被測植物冠層圖象的紅、綠、近紅外三個通道圖象中各個象素點的灰度值及其對應(yīng)的反射率值建立兩者之間的線性相關(guān)關(guān)系；2)通過建立的圖象灰度值和反射率值的線性關(guān)系，將圖象的灰度值轉(zhuǎn)換成反射率值；3)通過近紅外通道的圖象信息，將圖象中土壤背景和植物分離；4)剔除植物圖像上泥土、枯葉等和病斑顏色大小相似的干擾因素；5)確定病癥所在的位置并根據(jù)病斑的大小、形狀、顏色深淺等判斷病害嚴重程度；6)分析決策是否對拍攝植物噴藥，并確定劑量、噴頭形狀及噴藥種類。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于可見/近紅外多光譜成像的植物葉片與冠層灰霉病害早期診斷系統(tǒng)，其特征在于包括可見/近紅外多光譜成像儀、成像儀固定裝置、圖像采集卡、計算機、反射率動態(tài)標定板和光源，可見/近紅外多光譜成像儀分別通過RS－232串口線及圖象采集卡數(shù)據(jù)線與計算機連接，計算機上設(shè)有圖像分析處理軟件。本發(fā)明可實現(xiàn)多種植物灰霉病害的快速、準確、穩(wěn)定、實時、非破壞性的診斷，并且做到盡可能地早期病害檢測；并通過對檢測出染病的植物進行藥物處理，可以減少由于全面噴灑而造成的藥物用量，降低生產(chǎn)成本并減少污染。
文檔編號G01N21/84GK1975378SQ20061015485
公開日2007年6月6日 申請日期2006年11月24日 優(yōu)先權(quán)日2006年11月24日
發(fā)明者何勇, 吳迪, 馮雷 申請人:浙江大學(xué)