CN108152213A - 一种诊断水稻冠层氮素营养状况的系统 - Google Patents

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李宗南
黄平
任国业
蒋怡
李章成
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Abstract

本发明公开了一种诊断水稻冠层氮素营养状况的系统，包括：支架，用于固定图像采集部件；图像识别单元，识别图像中绿色叶片并量化绿色叶片的叶色值；中央控制单元根据绿色叶片像元分布计算孔隙度和冠层叶面积指数，根据叶色值计算叶片氮素状况值；通过冠层叶面积指数和叶片氮素值诊断水稻冠层氮素营养状况等级。本发明的优点在于：根据叶片和土壤背景色彩差异，识别绿色叶片像元，从而计算冠层孔隙度和叶色值。通过孔隙度和叶面积指数的经验公式计算叶面积指数，通过叶色值和氮素状况的经验关系估算氮素值；然后叶面积指数和氮素值相乘得到水稻冠层氮素值。从而实现农田条件下简单、快速、定量诊断氮素营养状况。

Description

一种诊断水稻冠层氮素营养状况的系统
技术领域
本发明涉及水稻冠层参数测量技术领域，特别涉及一种诊断水稻冠层氮素营养状况的系统。
背景技术
氮素是绿色植物光合作物的重要元素，自然状态下，土壤广泛存在氮素不足的现象。在农田中使用氮肥补充作物氮素营养，可显著提高作物光合效率。但当氮素施用超过一定量后，则出现一些负面效应，引起农业面源污染。诊断作物氮素营养状况，合理施用氮肥对农业生产和生态环境保护有重要意义。叶面积指数、叶片氮素含量值等参数是从冠层尺度和叶片尺度诊断作物氮素营养现状及生长需求量的重要依据。
诊断作物氮素状况的方法有直接法和间接法。直接法，即通过化学分析法和无损诊断法确定叶片氮素含量。化学分析法需要破环采样和一系列的化学处理、分析测量过程，具有精度高的特点，但耗时长、费用高。无损诊断法是是基于叶片颜色、反射光谱及荧光特征进行的。基于叶色特征的方法是叶色卡比较法，是一种简便、半定量的方法。基于叶片反射光谱特征的方法，主要使用叶绿素仪和光谱仪测量。叶片氮素与叶绿素关系密切，根据叶绿素含量与氮素含量的回归模型，可通过叶绿素仪测量值可快速估算田间作物叶片氮素含量。常见的性能稳定、精度高的叶绿素测量仪器，以SPAD-502叶绿素仪为代表。
叶面积指数的测量方法主要包括遥感法和地面调查测量法。遥感法是利用不同平台获取的光谱反射率估算群体的叶面积指数，利用卫星、航空遥感可实现大面积作物叶面积指数估算，但目前受限于时间分辨率和空间分辨率，在各生长关键期及时获取地块尺度精准的叶面积指数还很困难。地面调查主要使用植被冠层分析仪和相机。冠层分析仪如LAI-2200、Sunscan、AcuPAR及TRAC等，价格昂贵，主要用于科研测量。基于相机拍摄冠层图片测量叶面积指数的技术可使用普通数码相机进行，具有便携和低成本的特点，但该方法目前需要专门的电脑软件处理图片和计算分析，也难以在农户中推广使用。
如何提供一种精度较高且易于野外操作的水稻氮素诊断装置，是一个亟待解决的问题。
发明内容
本发明针对现有技术的缺陷，提供了一种诊断水稻冠层氮素营养状况的系统，能有效的解决上述现有技术存在的问题。
为了实现以上发明目的，本发明采取的技术方案如下：
一种诊断水稻冠层氮素营养状况的系统，包括：图像采集部件1、独脚支架2、电源4、中央控制单元5、存储单元6、显示单元7和图像识别单元8；
所述中央控制单元5分别与电源4、存储单元6、显示单元7和图像识别单元8相连接；
所述电源4用于给中央控制单元5、存储单元6、显示单元7和图像识别单元8供电；
所述图像识别单元8与图像采集部件1电连接，根据土壤背景和绿色叶片的色彩差异，识别叶片像元及灰度值并传输给中央控制单元5；
所述中央控制单元5将图像识别单元8所传输的叶片像元及灰度值通过经验公式计算得到孔隙度、叶面积指数及叶片氮素值；
中央控制单元5将图像识别单元8所接收的图像信息以及所计算出的各项数值传输给存储单元和显示单元，用于存储计算结果并显示；
所述存储单元6将每次野外采集的冠层图像进行存储，以便后续的计算及研究；
所述显示单元7用于显示诊断结果；
所述图像采集部件1包括光学镜头和与光学镜头相连接的图像传感器，图像采集部件1通过独脚支架固定，用于采集水稻冠层图。
进一步地，所述图像采集部件1包括光学镜头含可更换绿光增透镜和中灰滤光镜，以增加绿光透过率和降低强光影响。
进一步地，图像识别单元可采用SPCA563B芯片。
进一步地，所述独脚支架2上安装有水平仪3，用于水平参考。
进一步地，图像采集部件1通过独脚支架2以57度倾角固定在冠层上方，用于采集水稻冠层图。
与现有技术相比本发明的优点在于：根据叶片和土壤背景色彩差异，识别绿色叶片像元，从而计算冠层孔隙度和叶色值。通过孔隙度和叶面积指数的经验公式计算叶面积指数，通过叶色值和氮素状况的经验关系估算氮素值；然后叶面积指数和氮素值相乘得到水稻冠层氮素值。从而实现农田条件下简单、快速、定量诊断氮素营养状况。
附图说明
图1为本发明实施例结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举实施例，对本发明做进一步详细说明。
如图1所示，一种诊断水稻冠层氮素营养状况的系统，包括：图像采集部件1，独脚支架2，水平仪3，电源4，中央控制单元5、分别与中央控制单元5相连接的存储单元6、显示单元7和图像识别单元8，
图像采集部件1包括光学镜头和与光学镜头相连接的图像传感器。
在野外条件下，将装置安放于需要诊断的水稻冠层边，通过水平仪3进行水平参考，通过所述支架以57度倾角固定在冠层上方，用于采集水稻冠层图。
图像识别单元8与图像采集部件1电连接，根据土壤背景和绿色叶片的色彩差异，识别叶片像元及灰度值并传输给中央控制单元5。图像识别单元可采用SPCA563B芯片。
中央控制单元5将图像识别单元8所传输的叶片像元及灰度值通过经验公式计算得到孔隙度、叶面积指数及叶片氮素值。
中央控制单元5将图像识别单元8所接收的图像信息以及所计算出的叶面积值传输给存储单元和显示单元，用于存储计算结果并显示。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的实施方法，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (5)

1.一种诊断水稻冠层氮素营养状况的系统，其特征在于包括：图像采集部件(1)、独脚支架(2)、电源(4)、中央控制单元(5)、存储单元(6)、显示单元(7)和图像识别单元(8)；
所述中央控制单元(5)分别与电源(4)、存储单元(6)、显示单元(7)和图像识别单元(8)相连接；
所述电源(4)用于给中央控制单元(5)、存储单元(6)、显示单元(7)和图像识别单元(8)供电；
所述图像识别单元(8)与图像采集部件(1)电连接，根据土壤背景和绿色叶片的色彩差异，识别叶片像元及灰度值并传输给中央控制单元(5)；
所述中央控制单元(5)将图像识别单元(8)所传输的叶片像元及灰度值通过经验公式计算得到孔隙度、叶面积指数及叶片氮素值；
中央控制单元(5)将图像识别单元(8)所接收的图像信息以及所计算出的各项数值传输给存储单元和显示单元，用于存储计算结果并显示；
所述存储单元(6)将每次野外采集的冠层图像进行存储，以便后续的计算及研究；
所述显示单元(7)用于显示诊断结果；
所述图像采集部件(1)包括光学镜头和与光学镜头相连接的图像传感器，图像采集部件(1)通过独脚支架固定，用于采集水稻冠层图。
2.根据权利要求1所述的一种诊断水稻冠层氮素营养状况的系统，其特征在于：所述图像采集部件(1)包括光学镜头含可更换绿光增透镜和中灰滤光镜，以增加绿光透过率和降低强光影响。
3.根据权利要求1所述的一种诊断水稻冠层氮素营养状况的系统，其特征在于：图像识别单元(8)可采用SPCA563B芯片。
4.根据权利要求1所述的一种诊断水稻冠层氮素营养状况的系统，其特征在于：所述独脚支架(2)上安装有水平仪(3)，用于水平参考。
5.根据权利要求1所述的一种诊断水稻冠层氮素营养状况的系统，其特征在于：图像采集部件(1)通过独脚支架(2)以57度倾角固定在冠层上方，用于采集水稻冠层图。
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