基于圖像數字處理技術的元帥系蘋果葉片營養水平診斷研究

楊煥昱 李幗英 馬建芳 王花 楊江生 楊俊霞

摘要：利用圖像數字化處理技術，建立元帥系蘋果葉片氮磷鉀營養元素估算模型。選擇不同營養水平的元帥系蘋果葉樣，通過計算機提取采集葉樣的圖像特征紅R、綠G、藍B各參數值及其相對的系數r、g、b和簡單算術組合。分析RGB、rgb和簡單算術組合分量值與葉片氮、磷、鉀之間的相關特征。結果表明，葉片顏色特征分量G/B與氮元素含量呈極顯著相關性，g分量與磷元素含量呈顯著相關性，G/R分量與鉀元素含量呈極顯著相關性。選擇葉片顏色特征分量跟元帥系蘋果葉片氮、磷、鉀元素的最高顯著相關特征參數，建立的元帥系蘋果葉片氮、磷、鉀營養水平估算模型為y=-6.780x +8.913、y=-1.813x + 1.158、y=-25.196x + 22.872，其中x分別為葉片顏色特征G/B、g、G/R的分量值。氮、磷、鉀預測值與實測值相關系數分別達到極顯著（0.721）、顯著（0.522）、極顯著（0.644）水平，能較為可靠的反映元帥系蘋果葉片的營養水平。

關鍵詞：元帥系蘋果;葉片;圖像處理;營養水平

中圖分類號：S661.1? ? ? ? ? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1001-1463（2022）03-0059-05

doi：10.3969/j.issn.1001-1463.2022.03.013

Diagnose Leaf Nutrition Level of Red Delicious Apple with Image Digital Processing Technology

YANG Huanyu， LI Guoying， MA Jianfang， WANG Hua，YANG Jiangsheng，YANG Junxia

（Tianshui Fruit Tree Research Institute， Tianshui Gansu 741002， China）

Abstract：The estimation model of nitrogen， phosphorus and potassium nutrients in Red delicious apple leaves was established by image digital processing technology. The leaf samples of Red delicious apple with different nutritional levels were collected， and the parameter values of red R， green G and blue B， their corresponding coefficients r， g， b and simple arithmetic combination were analyzed by computer. The correlation characteristics between RGB， rgb and simple arithmetic combination component values and leaf nitrogen， phosphorus and potassium were calculated. The results showed an extremely significant correlation between leaf color characteristic component value G/B and leaf nitrogen content， G/R component value and leaf potassium content， and g component value was significantly correlated with phosphorus content. The most significant correlation characteristic parameters between leaf color characteristic components and leaf nitrogen， phosphorus and potassium elements in Red delicious apple leaves were selected. The estimation models of nitrogen， phosphorus and potassium nutrient levels in Red delicious apple leaves were established as y=-6.780x + 8.913， y=-1.813x + 1.158， y=-25.196x + 22.872， in which x was the component values of leaf color characteristics G/B， g， G/R， respectively. The correlation coefficients between the predicted value and the measured value of nitrogen， phosphorus and potassium which reached 0.721 （extremely significant）， 0.522 （significant） and 0.644 （extremely significant）， respectively， can reflect the nutritional level of Red delicious apple leaves reliably.

Key words：Red delicious apple;Leaf blade;Image processing;Nutritional level

長期以來，果樹營養分析基本采用化學分析的方法進行，這種方法雖然準確，但成本高，須采用破壞性的檢測手段，生產者很難做到[1 ]。由于營養成分的不同，樹體葉片具有不同的光譜反射特性，因此通過研究葉片的光譜反射特性，可進行作物識別、葉面積測定[2 ]，對葉片圖像數字處理進行營養水平的分析[3 - 4 ]。近年來，計算機圖像處理技術廣泛應用于生物、醫學、建筑、工業生產、氣象、資源調查、災害檢測中的航拍和衛星圖像的解析等領域[5 ]，在農業生產中的研究和應用已顯現出巨大的發展潛力，通過圖像處理技術診斷作物營養狀況的研究正成為機器視覺在農業應用中的熱門課題[6 - 7 ]。我們通過對花牛蘋果葉片圖像的數字化處理，探討花牛蘋果葉片顏色與樹體營養水平的關系，建立元帥系蘋果葉片氮磷鉀營養元素估算模型，為快速有效無損檢測和判斷元帥蘋果葉片營養狀況，實現元帥蘋果田間智能化管理提供支撐。

1? ?材料與方法

1.1? ?葉樣采集

2021年果實緩慢膨大期（7月18 — 19日），于天水市果樹研究所12年生蘋果種質資源圃和甘谷縣白家灣鄉康家坪村15年生蘋果園，選擇長勢、葉色不同的天汪1號蘋果單株，在樹冠四周選1年生枝條，每株采集中部葉20片，共采集葉樣28份。

1.2? ?葉樣圖像的獲取

將采集葉樣保鮮帶回實驗室，每樣株選擇干凈、完整、無損的10片葉，放置在鋪有黑色背影板的微型攝影棚（60 cm×60 cm×60 cm）中，棚內頂部配置40 W? LED補光燈2支，棚頂開口利用數碼相機固定垂直拍攝。數碼相機以自曝光與色彩自平衡模式，拍攝葉片圖像，圖像以JPG格式傳入計算機。

1.3? ?葉片氮、 磷、 鉀營養指標的檢測

每份樣品隨機選擇10片葉利用葉面積儀測定葉面積。全部葉片按營養元素檢測方法要求，進行清洗、烘干、研磨、過篩處理后，送甘肅省農業工程技術研究院集中檢測氮、磷、鉀營養元素。氮使用凱氏定氮儀法、磷使用釩鉬黃吸光光度法、鉀使用火焰原子吸收分光光度法檢測。

1.4? ?葉片數字圖像的分析處理

葉片圖像顏色特征數據采用Adobe Photshop cc 2014軟件提取。在工具面板選吸管工具，在“窗口”下拉菜單的“信息”中讀取葉片紅R、綠G、藍B各圖像值，取值盡可能避開葉脈、高光點、陰影部位等，每葉取5個點，用于計算單株葉片紅R、綠G、藍B平均值。由于圖像顏色R、G、B分量值易受拍攝光照等的影響，因此數據分析中采用r=R/（R+G+B）、g= G /（R+G+B）、b=B /（R+G+B）以及R、G、B的其他簡單算術組合，來降低光源等對顏色特征值的影響[8 ]。

1.5? ?數據的利用與分析

從采集的28份葉樣數據中隨機選擇18份建立估算模型，其余10份用于模型檢驗。用SPSS 12.0和Excel 2007軟件對數據進行統計分析。

2? ?結果與分析

2.1? ?葉樣圖像顏色與氮營養水平的對比分析

圖1為18份建模葉樣圖像。表1為18份葉樣葉面積、圖像R、G、B計算機的分析平均值及r、g、b分量和各參數簡單比值及葉樣氮、磷、鉀含量的平均值。從圖1、表1可以看出，18份樣品中，平均葉面積為3.61～32.41 cm2，最大值是最小值的8.98倍;氮營養水平1.89%～2.76%，相比較甘肅省元帥系蘋果葉營養診斷指標[9 ]，氮素含量最大值（2.76%）高于26.1%的過高值、最小值（2.19%）低于2.31%的缺乏值。從圖片的排列順序可知，葉片大小同氮素營養水平的高低沒有規律性，而葉色從淡黃至深綠變化時氮元素含量呈從低到高的態勢，故生產中可從葉片的顏色深淺判斷氮元素的高低。

2.2? ?葉片顏色特征分量與氮、 磷、 鉀營養含量的相關性分析

表2為元帥系蘋果葉面積、葉片顏色分量值與氮、磷、鉀含量的相關性分析結果。結果表明，葉片大小與氮、磷、鉀含量相關性表現為不顯著相關。氮元素與b、R/B、B/R、G/B、B/G、B（R+G）分量表現為極顯著相關，相關系數分別為0.598、-0.674、0.608、-0.729、0.627、0.626，最高相關系數達到-0.729;與G、r、g、R（G+B）、G（R+B）分量為顯著相關，相關系數分別為-0.538、-0.571、-0.520、-0.570、-0.550，最高相關系數達到-0.571。磷元素與g、b、B/R、B/G、G/（R+B）、B（R+G）分量表現為顯著相關，相關系數分別為-0.529、0.504、0.505、0.526、-0.520、0.513，最高相關系數為-0.529。鉀元素與R、G、R/G、G/R分量同葉片為極顯著相關，相關系數分別為0.633、0.597、0.649、-0.642，最高相關系數達0.649。與r、R/B、R （G +B）分量為顯著相關，相關系數分別為-0.571、0.502、0.502，最高相關系數達-0.571。

2.3? ?葉片顏色特征分量與氮、 磷、 鉀營養含量估算模型的構建

根據表2分析結果，選擇葉片顏色特征分量與葉片營養元素的最高顯著相關特征參數，建立元帥系蘋果葉片氮、磷、鉀營養含量估算模型。

用與元帥系蘋果葉片氮元素含量相關性極為顯著葉片顏色特征分量G/B作為評價元帥系蘋果葉片氮元素含量的特征量進行建模，用g分量作為評價元帥蘋果葉片磷含量的特征量建模，用G/R分量作為評價元帥系蘋果葉片鉀含量的特征量建模。

由圖2、圖3、圖4分別可得，氮元素的回歸方程為y=-6.780x+8.913（x為顏色分量G/B值）、磷元素的回歸方程為y=-1.813x+ 1.158（x為顏色分量g值）、鉀元素的回歸方程為y=-25.196x+22.872（x為顏色分量G/R值）。

2.4? ?葉片顏色特征值與氮、磷、鉀含量回歸模型的可靠性分析

將圖2、圖3、圖4獲得的氮、磷、鉀3組回歸方程 ，用預留的10份樣品實測氮、磷、鉀含量進行可靠性檢驗。

圖5、圖6、圖7為元帥系蘋果葉片氮、磷、鉀含量預測值與實測值的對比，可以看出，氮、鉀含量預測值與實測值的擬合系數分別為0.721、0.644，達到極顯著水平，磷含量的擬合系數為0.522，達到顯著水平。直線斜率在0.935以上，截距幾近為0，說明模型可以較準確的通過葉片顏色特征來預測葉片氮、磷、鉀的含量。

3? ?結論與討論

利用元帥系蘋果葉片圖像的數字化處理，獲取圖像紅R、綠G、藍B分量值。通過對R、G、B值及簡單算術組合同葉片氮、磷、鉀營養含量相關性的分析，顯示G/B、g和G/R分量值，可用于定量估算葉片N、P、K元素含量。天水元帥系蘋果葉片氮、磷、鉀營養水平估算模型，氮為y=-6.780x+ 8.913、磷為y=-1.813x+1.158、鉀為y=-25.196x+ 22.872，其中x分別為葉片顏色特征G/B、g和G/R的分量值。氮、磷、鉀預測值與實測值相關系數分別達到極顯著（0.721）、顯著（0.522）、極顯著（0.644）水平，可較為可靠的反映葉片的營養水平。

化學方法檢測蘋果葉片營養元素豐缺技術要求高、費時費力[9 ]，利用計算機圖像數字處理技術，在建立估算模型的基礎上，分析簡單，容易操作，在用于指導果樹施肥的同時，也可以作為開發便攜式樹體營養診斷儀的設計依據。我們只對天水元帥系蘋果葉片圖像顏色特征與氮、磷、鉀含量關系方面進行了探討，對由不同拍攝設備、光源以及不同拍攝方式等原因引起的葉片圖像色度值的變化沒有進行分析，還需進一步研究。

參考文獻：

[1] 張彥娥，李民贊，張喜杰，等.? 基于計算機視覺技術的溫室黃瓜葉片營養信息檢測[J].? 農業工程學報，2005，

21（8）：102-105.

[2] 楊勁峰，陳? ?清，韓曉日，等.? 數字圖像處理技術在蔬菜葉面積測量中的應用[J].? 農業工程學報，2002，

18（4）：155-158.

[3] 徐貴力.? 基于計算機視覺技術的無土栽培番茄缺素智能識別研究[D].? 鎮江：江蘇大學，2002.

[4] 陳佳娟.? 基于圖像處理和人工智能的植物病害自動診斷技術的研究[D].? 長春：吉林大學，2001.

[5] 成? ?芳，應義斌.? 機器視覺技術在農作物種子質量檢驗中的尖用研究進展[J].? 農業工程學報，2001，17（6）：175-180.

[6] 劉洪見，鄭麗敏，廖樹華，等.? 計算機視覺技術在農作物氮素營養診斷上的應用研究進展[J].? 麥類作物學報，2005，25（5）：117-121.

[7] 張? ?坤，孫文泰，馬? ?明.? 地面覆蓋對蘋果生育后期葉片葉綠素熒光動力學參數的影響[J].? 甘肅農業科技：2016（7）：7-11.

[8] 馮? ?斌.? 計算機視覺信息處理方法與水果分級檢測技術研究[D].? 北京：中國農業大學，2002.

[9] 劉小勇，董? ?鐵，王發林，等.? 甘肅省元帥系蘋果葉營養元素含量標準值研究[J].? 植物營養與肥料學報，2013，19（1）：246-251.

收稿日期：2021 - 12 - 02

基金項目：天水市科技支撐項目“天水花牛蘋果葉片營養分析應用研究”（2020-NCK-7871）。

作者簡介：楊煥昱（1968 — ），男，甘肅甘谷人，主要從事果樹栽培技術研究、示范推廣及科研管理工作。聯系電話：（0）13830827568。

執? 筆? 人：李幗英。