基于图像处理的冬小麦氮素监测模型

为探索基于数字图像处理技术的冬小麦氮素无损诊断图像评价指标及构建方法,设计拍摄2012-2014年度不同种植方案下冬小麦冠层图像,基于归一化的H分量K均值聚类分割算法提取基础颜色特征值,与同期叶片氮含量(leaf nitrogen content,LNC)进行线性拟合,调优并确定三原色分量最佳拟合系数,提出RGB空间下的颜色组合标准化指数(normalized color mix index,NCMI)。对比深绿色指数(dark green color index,DGCI)、红光标准化值(normalized redness intensity,NRI)和绿光与红光比值G/R发现,3个采样期NCMI与LNC的决定系数R~2均高于3个对比指标,分别为0.77、0.79、0.94,均方根误差(root mean square error,RMSE)相较同期最低的指标,分别降低了0.18%、0.37%和1.67%;生选6号和扬麦18号NCMI与LNC的相关性,在一定冠层覆盖度下均优于其他3个指标;D2密度(3×106株/hm~2)N1(纯氮150 kg/hm~2)处理下NCMI效果明显优于其他3个指标,R~2和RMSE较NRI分别改善了7.69%和4.11%,该研究可为一定冠层覆盖度下的冬小麦氮素营养诊断图像评价指标提供参考。     

应用数字图像技术进行水稻氮素营养诊断

【目的】研究田间试验条件下水稻不同生育期冠层图像色彩参数(G、NRI、NGI、NBI、G/R和G/B)及植株氮素营养指标(叶片含氮量、植株全氮含量、生物量、氮素累积量和冠层NDVI值)的时空变化特征,并分析两者间的相关性,确立水稻氮素营养诊断的最佳色彩参数和方程模型,为探明数码相机在水稻上的适宜性及精确诊断水稻氮素营养状况提供理论基础。【方法】于2013年5月9月在湖北省武汉市华中农业大学试验基地(30°28'08'N,114°21'36'E)采用不同施氮处理的田间试验,以籼型两系杂交稻"两优6326"为供试作物,设置4个施氮水平:0、75、150和225 kg/hm2(分别以N0、N75、150和N225表示),3次重复,随机区组排列。分别在水稻分蘖期、拔节期、孕穗期和灌浆期采用数码相机(Nikon-D700,1200万像素)获取水稻冠层图像,应用Adobe photoshop7.0软件直方图程序提取图像的红光值R、绿光值G和蓝光值B,研究数码相机进行水稻氮素营养诊断色彩参数,确定植株氮素营养指标诊断模型。【结果】较对照(N0)相比,分蘖期、拔节期、孕穗期和灌浆期3个施氮处理水稻地上部生物量、叶片含氮量、植株全氮含量、氮素累积量、冠层NDVI值和成熟期产量增幅分别平均为40.7%98.0%、42.4%72.4%、36.2%85.3%、125.5%209.1%、51.3%60.6%和60.1%117.0%,差异显著。水稻不同生育期各冠层数字化指标G、NRI、NGI、NBI、G/R和G/B与上述氮素营养参数相关性差异较大,且以数字图像红光标准化值NRI表现最佳,建议作为应用数码相机进行水稻氮素营养诊断的最佳冠层图像色彩参数指标。进一步分析表明,可以用统一的线性回归方程来描述不同生育期、不同氮素水平下水稻植株氮素营养指标随冠层色彩参数NRI的变化模式。【结论】数码相机进行水稻氮素营养诊断测试结果稳定,具有快速、便捷、非破坏性等优点,冠层色彩参数NRI与水稻氮素营养指标和产量之间均表现出较好的相关性,满足氮素营养无损诊断的需求,对实时、快速监测水稻长势状况及氮素营养丰缺水平具有较高的可行性,有望发展成为新时期作物氮素营养无损诊断技术的潜力。     

基于无人机图像参数对滴灌条件下玉米氮素营养的动态诊断

于2018和2019年在宁夏平吉堡农场进行滴灌水肥一体化氮肥梯度试验，以天赐19为试验材料，设6个氮素水平，即 0 （N0）、90（N1）、180（N2）、270（N3）、360（N4）和450（N5）kg·hm⁻²，在玉米拔节期（V6）、小喇叭口期（V10）、大喇叭口期（V12）、吐丝期（R1）和乳熟期（R3）利用无人机搭载数码相机获取玉米冠层图像，利用Matlab编写代码开发的数字图像识别系统提取玉米冠层图像红光值R、绿光值G、蓝光值B，研究基于此计算的10个冠层图像参数指标与氮素营养指标间的相关性，筛选出稳定性好且敏感度高的图像色彩参数，构建玉米氮素营养诊断指标与图像参数间关系模型并进行验证，以探究利用无人机图像进行宁夏引黄灌区滴灌玉米拔节-乳熟期氮素营养动态估测的可行性。结果表明：冠层图像参数指标绿光与红光比值(G/R)、绿光标准化值（NGI）、红绿蓝植被指数(RGBVI)与植株氮含量和叶片氮含量相关性高且变异系数小，可作为氮素营养诊断的潜在最佳色彩参数；将最佳色彩参数与植株氮含量和叶片氮含量分别进行回归模型构建，幂函数模型可以更好地预估玉米氮素营养状况；利用2019年相同氮素试验进行模型验证，发现NGI与植株氮浓度和叶片氮浓度实测值与估测值的R2分别为0.738和0.689，检验指标RMSE为2.594和3.014，nRMSE为13.125%和13.347%，预测精度和准确性高于G/R和RGBVI。故选择NGI作为滴灌玉米拔节−乳熟期氮素营养动态诊断的最优参数，参数NGI与植株氮浓度的关系模型（N_P=4.967×106NGI^14.26）R²为0.707，与叶片氮浓度的关系模型（N_L=1.707×106NGI^12.88）R²为0.654。说明应用无人机图像技术可以较好地对宁夏引黄灌区玉米拔节−乳熟期氮素营养状况进行动态估测，构建的氮素营养诊断模型可为宁夏引黄灌区滴灌玉米氮肥精准配施提供理论依据。     

数字图像技术在夏玉米氮素营养诊断中的应用

基于6个不同水平的氮肥田间试验,采用数码相机获取夏玉米6叶期和10叶期的冠层图像,分析了不同供氮水平下夏玉米冠层图像色彩参数指标与施氮量、叶片SPAD值、植株硝酸盐浓度、植株全氮含量、0～90cm土壤硝态氮含量之间的关系。结果表明:在6叶期,玉米冠层数字图像色彩参数指标B/(R+G+B)、G/B、R/B、B/L均与施氮量、叶片SPAD值、植株硝酸盐浓度、植株全氮含量、0～90cm土壤硝态氮含量存在极显著的线性相关关系,其中B/(R+G+B)与各营养参数的相关关系最好,其次是B/L。因此,运用数字图像技术进行玉米的氮素营养诊断是可行的。夏玉米6叶期冠层图像色彩参数指标与上述营养参数间的相关性明显高于10叶期,可作为应用数字图像技术进行氮素营养诊断的关键时期,而蓝光标准化值[B/(R+G+B)]是进行夏玉米氮素营养诊断的最佳冠层图像色彩参数指标。     

数字图像诊断技术在冬小麦氮素营养诊断中的应用

本文应用数码相机获取冬小麦冠层图像并对其进行相应色彩参数处理, 结合土壤、植株快速测试技术, 分析了色彩参数与传统氮素营养参数之间的数量关系, 研究了应用数字图像技术进行冬小麦氮素营养诊断的可行性, 建立了应用数字图像技术诊断冬小麦氮素营养状况的图像获取方法, 筛选出了适宜于冬小麦氮素营养诊断的最佳色彩参数以及最佳诊断时期, 建立了冬小麦氮素营养诊断指标体系和推荐施肥方程。研究结果表明, 数字图像技术可以作为冬小麦氮素营养诊断的方法。数字图像获取时, 可将数码相机与冬小麦冠层呈30°~60°角度进行拍摄。在冬小麦拔节期和孕穗期多数冠层图像色彩参数与施氮量、叶片SPAD 值、植株硝酸盐浓度、植株全氮含量、0~90 cm 土壤硝态氮含量之间存在显著或极显著相关关系; 在众多色彩参数中, 拔节期冠层图像绿光标准化值G/(R+G+B)与各项氮素指标的相关性最好, 可作为冬小麦氮素营养诊断的最佳色彩参数指标;拔节期可作为应用数字图像技术进行氮素诊断的关键时期。     

基于手机相机获取玉米叶片数字图像的氮素营养诊断与推荐施肥研究

本文利用手机相机获取玉米6叶期和9叶期的冠层图像,对图像进行色彩参数的提取与处理,分析了不同生长时期、不同品种间色彩参数的差异性,以及色彩参数与传统玉米氮素营养指标的相关性,选择出适宜的敏感色彩参数,对色彩参数与氮素营养指标进行拟合建模,建立了玉米氮素营养诊断体系,并推荐了不同产量目标下的施肥量,为实现利用智能手机田间拍照进行氮素营养诊断和精准推荐施肥提供参考。结果表明,在玉米6叶期,冠层图像色彩参数与传统氮素营养指标间的相关性优于9叶期,可作为应用数字图像分析技术进行氮素营养诊断的诊断时期;不同品种玉米的冠层图像色彩参数间无显著差异。B/(R+G+B)和G/(R+G+B)与传统氮素诊断指标——叶片SPAD值、第1完全展开叶叶脉硝酸盐浓度均显著相关,且B/(R+G+B)更为敏感,因此可作为玉米氮素营养诊断的色彩参数指标,诊断方程为:玉米叶脉硝酸盐浓度=1.73×10~(10)×[B/(R+G+B)]~(9.43)。并依此给出了不同B/(R+G+B)值下的玉米营养状况以及不同目标产量下的推荐施氮量。本研究结果可为基于手机相机开展玉米氮素营养诊断与推荐施肥技术的推广与应用提供技术支撑。     

应用数字图像进行小麦氮素营养诊断中图像分析方法的研究

简便、快速、经济地诊断作物氮素营养状况是实施氮肥用量调控的关键。利用数码相机对作物冠层进行拍照, 通过图像处理软件获得作物色彩参数, 根据色彩参数与作物氮素营养状况的关系可以对其氮素丰缺进行诊断。针对作物数字图像色彩参数的获取方法, 结合小麦多水平氮肥试验, 采用遥感软件PCI Geomatics的非监督分类功能, 将小麦图像分为土壤、反光叶面和不反光叶面, 与Adobe Photoshop 软件普通图像处理方法对照, 比较分析了小麦图像不同类别叶片的8 种色彩参数与SPAD 值及植株全氮的相关性。结果表明, 返青期小麦反光叶面的G/R 与R/(R+G+B)色彩参数能较好地反映小麦的氮素营养状况; 拔节期不反光叶面和反光叶面的R/(R+G+B)色彩参数与植株全氮相关性较好。利用普通图像处理软件获得色彩参数的方法有待改进, 图像分类后能够提高其色彩参数对作物氮素营养诊断的准确性。     

数字图像技术估测冬油菜氮素营养拍摄参数标准化研究

【目的】数字图像技术可以用来快速无损地预测冬油菜的氮素营养,建立标准化的拍摄参数获取方法,可为不同作物、不同型号相机间结果的互用提供依据。【方法】以冬油菜为试验材料,设置不同氮肥水平（N:0、90、180、270和360 kg/hm2）田间试验,于苗期（移栽后79~83天）,利用数码相机（Nikon-D7000,1620万像素）以不同光照强度、时间、高度、角度、照片像素尺寸和拍摄模式进行拍摄,并以不同储存格式进行保存。比较了不同拍摄条件下获取的冠层数字图像信息差异显著性,同时测定植株地上部生物量、叶片氮浓度和叶绿素浓度,分析冠层图像数字化指标（红光标准化值,NRI）与测定的氮素营养指标之间的相关性。【结果】晴天与阴天获取的冠层NRI均可较好的表达冬油菜冠层数字信息,晴天效果稍好于阴天;中午获取的冠层NRI与叶片氮浓度相关系数为-0.802**,优于上午和下午;1.5、2.0和2.5 m拍摄高度获取的冠层NRI差异不显著;30°、60°和90°拍摄角度下获取的冠层NRI与地上部生物量、叶片氮浓度和叶绿素浓度的相关性均达到极显著水平,30°~60°时获取冠层数码信息可操作性较强;拍摄模式为自动曝光模式获取冠层NRI与叶片氮浓度的相关系数为-0.802**,高于其他拍摄模式;三种照片像素尺寸（4928×3264、3696×2448和2464×1632）下获取的冠层NRI差异不大;储存格式为JPEG精细格式时获取的冠层NRI优于其他储存格式。【结论】综合分析认为,数字图像技术估测冬油菜氮素营养指标最佳操作范围为拍摄时间为晴天太阳高度角相对较大的中午;拍摄高度为近地面均可;拍摄角度为易于操作的30°~60°;相机拍摄模式为自动曝光模式;照片像素尺寸为图片相对较为清晰的高分辨率;存储格式为压缩格式且占用空间较小的JPEG精细格式。本研究为无人机低空遥感的氮素营养无损诊断技术提供了理论技术基础。     

基于有效积温的玉米冠层图像特征参数分析

为揭示滴灌水肥一体化玉米冠层图像颜色特征参数随有效积温的动态变化规律,明确有效积温对玉米冠层图像三基色RGB的动态变化影响机理,比较图像特征参数的拟合精度。以宁夏主栽品种天赐19为试验材料,于2018年在宁夏平吉堡农场开展6个不同氮素处理的小区试验,利用防抖手持云台搭载手机相机遥控获取玉米冠层垂直地面图像,提取图像色彩特征参数,以有效积温为自变量,对玉米冠层数字图像特征参数进行拟合分析并比较,并分析图像参数与叶片氮浓度的相关性。结果表明:有效积温与红光值(R)符合有理函数关系,与绿光值(G)和蓝光值(B)符合对数函数关系,通过比较可以看出,各图像特征参数中R拟合效果最好,B和G次之,均达到显著水平,图像参数与叶片氮浓度十叶期的相关系数高于六叶期。因此,数字图像参数R的拟合效果最好,可作为宁夏滴灌玉米图像监测指标和群体结构分析的参考依据,十叶期可作为该地区滴灌玉米氮素营养诊断的关键生育时期。     

基于冠层光谱仪的芹菜当季产量潜力预测

高效、精准的产量预测对于优化芹菜(Apium graveolens L.)产量管理和指导后期农业决策具有重要意义。为建立一种实时、准确的芹菜当季产量预测方法,采用田间试验方法,对2年不同品种和不同施氮处理芹菜进行田间试验,以GreenSeeker冠层光谱仪为例,获取芹菜冠层植被归一化指数(NDVI)及产量等,通过建模和验证分析,探明冠层光谱仪对芹菜当季产量潜力预测的可行性与准确性。相关分析结果表明,冠层NDVI测定值与2种芹菜产量显著相关,相关系数分别为0.583～0.805(西芹,XQ)和0.256～0.922(药芹,YQ)。回归分析结果表明,移栽后30～70 d测定的冠层NDVI值可预测芹菜当季产量,模型类型对预测结果准确性无显著影响,R2值为0.51～0.85。综合不同品种结果,冠层NDVI值可准确预测XQ和YQ两品种芹菜当季产量,R2值和RMSE值分别为0.66～0.84和7.40～10.72。经验证,移栽后60和70 d时,验证方程的斜率分别为0.95和1.05,预测产量和实测产量数据点均匀分布在1∶1线附近。因此,外叶生长盛期是利用冠层光谱仪进行芹菜产量预测的最早时期。研究表明,构建基于NDVI值的产量预测模型可准确预测芹菜的当季产量,也为芹菜作物和其他蔬菜作物的产量预测和养分管理提供理论依据和技术支撑。     

应用多光谱图像技术进行锦橙叶片氮含量监测

以蓬安100号锦橙为试材,运用多光谱图像技术建立快速监测叶片氮含量的方法。利用多光谱相机MS3100采集蓬安100号锦橙叶片图像,运用Adobe Photoshop软件提取叶片图像的颜色特征参数,对其进行数学变换和归一化处理后的颜色特征参数与叶片氮含量值进行相关分析,并建立二者回归模型。结果表明:6个颜色特征参数G-B、G/(R+B)、(G-B)/(G+B)、G/(R+G+B)、g-b值与叶片氮含量的相关较好,综合评价得出G-B、(G-B)/(G+B)、g-b值所建立的蓬安100号锦橙叶片氮含量监测模型较好,其相关系数均为0.84,决定系数为0.70,预测误差为3.7%。研究结果表明,利用计算机视觉技术进行锦橙叶片氮含量监测是可行的。     

黄瓜初花期叶片光合色素含量与颜色特征的初步研究

基于不同氮素营养水平的栽培试验,采用数码相机拍照,利用图像处理技术提取叶片的颜色特征,通过线性拟合和逐步回归分析,建立了黄瓜初花期叶片光合色素含量的颜色特征估算模型,并对其精度进行了评价和验证。结果表明：R/(R+G+B)可以作为叶绿素含量估算的主要颜色特征参数;G/R和R/(R+G+B)是类胡萝卜素含量估算的主要颜色特征参数。该研究为黄瓜生长的快速检测提供了依据。     

基于手机相机获取冬小麦冠层数字图像的氮素诊断与推荐施肥研究

本文利用不同型号手机、通过不同拍摄角度获取冬小麦拔节期冠层图像,并对其图像进行色彩参数的提取、处理与分析,与传统小麦氮素营养指标进行相关性分析,筛选出敏感色彩参数,对二者进行拟合建模,建立了冬小麦氮素营养诊断指标体系和推荐施肥指标体系,为作物精准施肥提供参考。研究结果表明,在获取冬小麦冠层图像时,适宜从逆光俯视的角度拍摄,不同型号的手机拍照获取的冠层图像色彩参数没有明显差异,冠层图像色彩参数中可见光大气阻抗植被指数(VARI)及红光标准化值[R/(R+G+B)]与传统诊断指标叶片SPAD值、茎基部硝酸盐浓度均有显著的相关关系;其中VARI最为敏感,可作为冬小麦氮素营养诊断的色彩参数指标,诊断方程为冬小麦茎基部硝酸盐浓度=1.481×106×VARI4.987,依据此给出了不同VARI值下的冬小麦营养状况以及推荐施氮量。并基于此研究成果进行了手机软件开发,建立了一款针对冬小麦氮素营养诊断与推荐施肥的软件,为基于手机相机开展冬小麦氮素营养诊断与推荐施肥技术的推广与应用提供了技术支撑。     

无人机搭载数码相机航拍进行小麦、玉米氮素营养诊断研究

精准施肥是减少农业面源污染的重要技术之一,而土壤养分测试与作物营养诊断是其实施的技术保障,特别是在农业规模化经营方式下,急需发展快速、经济、无损的作物氮素营养诊断技术。本文在应用数字图像进行冬小麦、夏玉米氮素营养诊断研究的基础上,将数码相机搭载到无人机上,利用无人机航拍技术采集作物冠层数字图像,研究不同航拍高度下冠层图像相关色彩参数反演冬小麦和夏玉米氮素营养状态的差异,以确定适宜的航拍高度与敏感的色彩参数,建立利用无人机航拍数字图像诊断冬小麦和夏玉米氮素营养状态模型。研究结果表明:在冬小麦拔节期适宜的航拍高度是16 m,敏感的色彩参数是可见光大气阻抗植被指数(VARI),诊断模型为:冬小麦茎基部硝酸盐浓度=2.103 4e18.874VARI;夏玉米大喇叭口期适宜的航拍高度是50 m,敏感色彩参数是蓝光标准化值[B/(R+G+B)],诊断模型为:夏玉米第1完全展开叶叶脉硝酸盐浓度=1.526?1032?[B/(R+G+B)]50.445。依据建立的航拍方法与诊断模型,分别对冬小麦、夏玉米进行了氮素状态监测的验证,结果表明诊断结果与冬小麦、夏玉米实测数据的决定系数分别为0.80和0.85,且均在P0.01水平显著相关。最后将研究结果进行应用,生成了冬小麦、夏玉米氮肥追肥作业图。利用无人机搭载数码相机对冬小麦、夏玉米进行氮素营养诊断简单、可行,但仍有一些技术细节需要完善,以提高该技术的实用性。