基于計(jì)算機(jī)視覺的番茄營養(yǎng)元素虧缺識(shí)別研究

張 陸

(天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)，天津 300222)

0 引言

在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，農(nóng)作物在初期大多采用無土培育幼苗，容易出現(xiàn)營養(yǎng)元素的虧缺。農(nóng)作物虧缺必需的營養(yǎng)元素會(huì)出現(xiàn)一些異狀，如葉片變形、葉片的顏色也會(huì)變得不一樣，從而影響到農(nóng)作物的產(chǎn)量，且虧缺營養(yǎng)元素會(huì)導(dǎo)致果實(shí)變異。因此，判斷農(nóng)作物在生長過程中需要哪些營養(yǎng)元素和需要多少，對(duì)農(nóng)業(yè)種植有著非常重大的意義。

目前，用于農(nóng)作物營養(yǎng)元素虧缺識(shí)別的方法有化學(xué)方法、形態(tài)法和施肥法等，這些方法檢測的成本高，且會(huì)破壞到植物本身，不易在實(shí)際農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中推廣使用。在農(nóng)作物生長周期中，營養(yǎng)元素的虧缺比較嚴(yán)重時(shí)，在葉片上的表現(xiàn)比較明顯，這時(shí)可以通過肉眼判斷出來；但在虧缺的初期，在葉片上的表現(xiàn)不明顯，肉眼判斷識(shí)別不準(zhǔn)確且不易確診。虧缺氮、鎂的葉片與正常葉片的差別不大，在正常光線下，肉眼無法識(shí)別確定，而采用計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)來分析可達(dá)到缺素識(shí)別的要求。農(nóng)作物前期無土育苗是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的特色，無土育苗的產(chǎn)量高，產(chǎn)品品質(zhì)好；但無土育苗易出現(xiàn)缺素癥，且缺素癥在早期不易被發(fā)現(xiàn)，若不能及時(shí)進(jìn)行施肥，后期就會(huì)嚴(yán)重影響農(nóng)作物的生長，嚴(yán)重時(shí)可能會(huì)造成農(nóng)作物絕產(chǎn)。在農(nóng)作物生長所必須的營養(yǎng)元素中，氮、鎂、磷對(duì)農(nóng)作物生長有比較明顯的作用，缺少氮、鎂、磷嚴(yán)重會(huì)造成減產(chǎn)或不能結(jié)果，借用計(jì)算機(jī)來識(shí)別營養(yǎng)元素虧缺現(xiàn)象，可以及早地采取補(bǔ)救措施。農(nóng)作物出現(xiàn)缺素癥表現(xiàn)在葉片的紋理和顏色上，穗波信雄等[1]利用計(jì)算機(jī)技術(shù)對(duì)茨植物茨菇的葉子進(jìn)行識(shí)別，分析茨菇葉片虧缺鈣、鎂、鐵營養(yǎng)元素的情況，利用顏色特征分析確定缺素癥。現(xiàn)今很多研究者都在這方面取得了突出的貢獻(xiàn)[2-12]，采用計(jì)算機(jī)視覺分析研究農(nóng)作物生長，可為農(nóng)作物種植提供良好技術(shù)支持。

1 樣本培育

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)材料：番茄品種為巨粉寶石品種。采用溫室大棚培養(yǎng)，無土栽培，溫室無土栽培不會(huì)不受時(shí)間和空間的限制。基質(zhì)選擇珍珠巖，珍珠巖穩(wěn)定性好，不會(huì)影響到番茄對(duì)營養(yǎng)液的吸收。該試驗(yàn)使用的營養(yǎng)液采用日本的山崎配方[13]，EC值為1.2ms/cm，配方原料為KNO3、Ca(NO3)2、MgSO4、NH4H2PO3。缺氮元素樣本的營養(yǎng)液有兩種配置：一種是去除100%的氮元素的營養(yǎng)液；另一種是保留正常的50%的氮元素的營養(yǎng)液。去除100%氮元素的營養(yǎng)液澆灌番茄樣本，可以在短時(shí)間內(nèi)獲得虧缺樣本，且虧缺比較大；用第二種營養(yǎng)液澆灌番茄獲得的樣本虧缺氮比較輕微。同樣，缺鎂樣本的營養(yǎng)液也采用同樣的方法配置，獲得100%缺鎂營養(yǎng)液和50%缺鎂營養(yǎng)液。營養(yǎng)液采用自來水配置。

1.2 番茄培養(yǎng)

分3批進(jìn)行番茄樣本培養(yǎng)，直接采用番茄苗培養(yǎng)，珍珠巖需干凈無雜質(zhì)。番茄苗移栽到珍珠巖中，移栽前將番茄苗根部清洗干凈且需保證幼苗成活，并開始添加正常營養(yǎng)液，添加的營養(yǎng)液的量須保證珍珠巖濕潤，每天添加1～3次，分早中晚澆灌；到番茄苗長到開花期時(shí)，將盆中的珍珠巖取出，用清水清洗番茄根部，換上新的珍珠巖，開始缺素營養(yǎng)液的澆灌。取50盆番茄苗進(jìn)行試驗(yàn)，正常營養(yǎng)液澆灌10盆，缺100%氮營養(yǎng)液澆灌10盆，缺50%氮營養(yǎng)液澆灌10盆，缺鎂100%、50%的營養(yǎng)液各10盆。營養(yǎng)液每天分3次澆灌，同時(shí)觀察番茄葉的變化狀況，發(fā)現(xiàn)缺100%氮營養(yǎng)元素的營養(yǎng)液在澆灌3～5天后，番茄葉開始出現(xiàn)變化，葉片開始變黃；缺50%氮營養(yǎng)液澆灌需要差不多10天才開始出現(xiàn)變化；缺50%鎂營養(yǎng)液的番茄葉在20天左右才出現(xiàn)缺素狀態(tài)。

2 圖像采集

2.1 硬件組成

計(jì)算機(jī)視覺采集系統(tǒng)硬件組成包括：由采集箱、CCD攝像機(jī)、圖像采集卡和上位機(jī)，如圖1所示。采集箱和CCD攝像機(jī)采集到清晰的圖像，圖像是否清晰與采集圖像時(shí)的光線有重大關(guān)系，采集圖像上的灰度值與樣本上的影響因素有關(guān)，其他影響因素也會(huì)影響到圖像分析，如樣本本身的特性、觀察方法等影響因素。樣本的本身特性無法改變，也不可改變，故改變其他的影響因素可控制采集圖像的質(zhì)量。因此，采集箱采用封閉式環(huán)形光源，以減少因光照條件影響圖像采集質(zhì)量，進(jìn)而減少圖像識(shí)別誤差。

圖1 計(jì)算機(jī)視覺系統(tǒng)組成

2.2 圖像采集

實(shí)驗(yàn)中，缺氮、鎂營養(yǎng)液的番茄樣本采用隔天取樣的方法，采樣時(shí)間從實(shí)驗(yàn)剛開始澆灌缺素營養(yǎng)液開始，每隔一天取一次樣；正常營養(yǎng)液澆灌的番茄樣本和缺素營養(yǎng)液的番茄樣本分別取樣，樣本采集部位為番茄植株中間的葉片和頂部的新葉片。隔天取樣可以連續(xù)地觀察葉片缺素癥狀，并且可以觀察到缺素前期的表現(xiàn)。故取樣對(duì)5組中的各5盆番茄進(jìn)行觀察，在觀察番茄苗中每株選兩片葉片觀察，有50片葉片需要進(jìn)行跟蹤觀察，觀察時(shí)間為澆灌實(shí)驗(yàn)開始到缺素癥狀表現(xiàn)明顯，可用肉眼觀察出來截止。

圖像采集時(shí)，背景顏色會(huì)影響到圖像采集的效果，須有較大的對(duì)比度來突出樣本色澤。因番茄葉片為綠色，故背景顏色采用白色。對(duì)所有的葉片需要保持相同的條件，CCD攝像機(jī)拍攝圖像時(shí)的設(shè)置需保持一致，即拍照時(shí)的光圈和焦距一致，并保證圖像清晰。將CCD攝像機(jī)采集的圖像存于采集卡中，并置于上位機(jī)中進(jìn)行分析。為保持圖像分析準(zhǔn)確連續(xù)，取圖像的數(shù)量各10張，故采集的圖像有500張。

3 圖像處理及特征提取

3.1 圖像預(yù)處理

圖像的預(yù)處理是為改變圖像的質(zhì)量，提高圖像的分辨率，包括圖像增強(qiáng)、幾何校正和復(fù)原。圖像的增強(qiáng)是為了增強(qiáng)圖像中的信息，幫助后期獲得分析信息，并去除圖像的雜質(zhì)信息，排除圖像中影響圖像分析的干擾因素，如加大圖像的對(duì)比度、降噪處理、濾波及分割等。圖像在采集中易受到干擾，影響圖像的質(zhì)量，對(duì)后期圖像的特征參數(shù)的提取和識(shí)別工作造成不良影響，故需要對(duì)這些干擾因素進(jìn)行排除。在排除這些因素時(shí)需要做到：①不會(huì)影響圖像的邊緣和輪廓，不會(huì)造成重要信息缺失；②不會(huì)影響圖像的紋理和顏色特征；③圖像預(yù)處理后的效果需清晰，可用于圖像特征參數(shù)的提取。

3.2 特征提取

3.2.1 顏色特征提取

番茄虧缺營養(yǎng)元素的營養(yǎng)液養(yǎng)元素會(huì)在葉片上表現(xiàn)出來，本實(shí)驗(yàn)采集的樣品是澆灌了缺氮、鎂營養(yǎng)液的葉片，通過顏色參數(shù)模型來識(shí)別，顏色參數(shù)模型是識(shí)別樣本顏色特征的參考。虧缺營養(yǎng)元素的番茄葉片會(huì)存在較大的差別，故需要一些方法來提取圖像中的顏色特征參數(shù)。虧缺營養(yǎng)元素的番茄葉片與正常的番茄葉片會(huì)在顏色上存在差別，虧缺營養(yǎng)元素的番茄葉片會(huì)有黃化。葉片靜脈之間葉綠素缺失。番茄葉片逐步虧缺營養(yǎng)元素，葉片也會(huì)逐漸出現(xiàn)黃化，營養(yǎng)元素虧缺的越嚴(yán)重，葉片黃化也越嚴(yán)重，故認(rèn)為黃色的圖像特征是需要提取的特征參數(shù)，消除圖像中的不利條件，采用相對(duì)差值百分率直方圖法來提取圖像中的顏色特征，并將色度、特征面積比作為顏色特征參數(shù)。

3.2.2 紋理特征提取

番茄虧缺營養(yǎng)元素不僅僅會(huì)在顏色上表現(xiàn)出來，在葉片的紋理上也會(huì)出現(xiàn)不同的癥狀。紋理特征在處理過的圖像上是灰度空間分布的描述，描述紋理的圖像像素灰度的變化。圖像中的紋理特征表現(xiàn)樣本本身的特性，將圖像分區(qū)進(jìn)行提取并用不同像素進(jìn)行提取，即達(dá)到提取紋理特征參數(shù)的目的。將紋理特征提取出來進(jìn)行分析的方法，有統(tǒng)計(jì)法及構(gòu)造法等：統(tǒng)計(jì)法可用于分析局部紋理特征，描述模型空間統(tǒng)計(jì)特征，采用圖像中的空間密度來度量；構(gòu)造法以紋理特征的單元和排列的空間幾何特征進(jìn)行分析。還有其他方法也可用于紋理特征分析，如傅立葉變換法及小波變換法等。紋理特征參數(shù)分析的研究在20世紀(jì)就已取得很大的進(jìn)展，從最開始采用二階灰度統(tǒng)計(jì)特征的統(tǒng)計(jì)法分析到后期隨機(jī)場模型法等。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：統(tǒng)計(jì)法優(yōu)于其他方法，因此本研究采用統(tǒng)計(jì)法進(jìn)行紋理特征分析。

4 識(shí)別仿真測試

采用上述培養(yǎng)的番茄試驗(yàn)樣本進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并將提取特征參數(shù)以遺傳算法進(jìn)行優(yōu)化，得到的組合有：直方圖法提取4個(gè)顏色特征參數(shù)和1個(gè)統(tǒng)計(jì)法提取的紋理特征，并以這5個(gè)特征組合為向量進(jìn)行分析。將實(shí)驗(yàn)中采集的圖像采用模糊k-近鄰法識(shí)進(jìn)行識(shí)別，以二叉樹法建立的分類框架可以降低缺素識(shí)別的難度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)如表1和表2所示。

表1 模糊k-近鄰法識(shí)別正常葉片與缺素葉片的概率

表2 模糊k-近鄰法識(shí)別缺氮、鎂葉片的概率

由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知:虧缺氮營養(yǎng)元素的識(shí)別度可以達(dá)到92%，虧缺鎂營養(yǎng)元素的識(shí)別度為90%；正常樣本與虧缺營養(yǎng)元素的分辨率可達(dá)96%，識(shí)別度比較高，可用于實(shí)際生產(chǎn)種植中，為無土栽培中營養(yǎng)液的配置提供參考。

5 結(jié)論

1)在基于計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)的番茄營養(yǎng)元素虧缺識(shí)別研究中，從顏色特征和紋理特征對(duì)番茄虧缺營養(yǎng)元素進(jìn)行分析，以番茄葉虧缺營養(yǎng)元素的表現(xiàn)建立缺素判斷的參數(shù)模型，并建立缺氮、鎂的分類器，以識(shí)別營養(yǎng)元素虧缺與葉片狀態(tài)變化的關(guān)系。

2)采用計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)識(shí)別營養(yǎng)元素的虧缺，不僅可用于番茄的種植，也可以用于其他方面的應(yīng)用，如在采摘、分級(jí)、病蟲害識(shí)別及雜草區(qū)分等方面。隨著數(shù)字圖像處理及分析的發(fā)展及計(jì)算機(jī)硬件的成本降低，計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用廣泛，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中更是取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)識(shí)別營養(yǎng)元素的虧缺，可實(shí)時(shí)快速地診斷農(nóng)作物的健康狀態(tài)，進(jìn)而快速地采取有效措施，保證農(nóng)作物的產(chǎn)量，提高農(nóng)作物的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。