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摘 要:为了实现对植物氮含量实现无损检测,本课题利用MATLAB软件,设计开发一软件平台,通过传统的凯氏定氮法进行验证,证明具有很好的相关性,可用于实验室研究和田间实验。
关键词:MATLAB 氮含量 油菜 多光谱成像仪
中图分类号:Q6 文献标识码:A 文章编号:1672-3791(2012)06(a)-0013-01
随着精细农业在全球的开展,对作物的无损化实时检测在精细农业的研究中占有越来越重的地位,各类相关的平台相继开发,相应的应用软件也同时开发应用。
目前,国内在作物方面的检测研究仪器,主要是进口,而相应的仪器应用软件也是伴随仪器的购买而购买。此类的软件,一般价格比较昂贵,而且在自主研究平台的设计和开发中,因为无法取得相应代码而出现研究瓶颈,且此类软件的推广和升级都存在很大的问题。
正是基于这样的背景,我们通过对目前应用比较广泛的软件MALTAB进行研究,并利用MATLAB软件强大的图片分析功能、快速数据分析和良好的用户界面化,进行作物无损化实时检测平台的自主设计与开发。
在各类无损化检测技术中,光谱检测的应用非常广泛,对应的软硬件平台开发业迫在眉睫。在此次研究中,我们主要针对植物的光谱检测,进行相应的软件平台开发和检测研究,以目前精细农业领域对作物无损化实时检测为切入点,结合目前光谱分析在无损检测方面的应用,提出以MATLAB这个应用比较广泛的软件为开发工具,对作物检测平台进行研究开发。
1 MATLAB簡介
20世纪70年代后期,时任美国新墨西哥大学计算机科学系主任的Cleve Moler教授出于减轻学生编程负担的动机,为学生设计了一组调用LINPACK和EISPACK库程序的“通俗易用”的接口,此即用FORTRAN编写的萌芽状态的MATLAB。
MATLAB常用的工具箱有MATLAB主工具箱、控制系统工具箱、通讯工具箱、模糊逻辑工具箱、图象处理工具箱、线性矩阵不等式工具箱、模型预测控制工具箱、偏微分方程工具箱、信号处理工具箱、统计工具箱、动态仿真工具箱等等。MATLAB中的图形用户界面(GUI)以其友好性和直观易懂性在软件编程上被广泛使用。
2 系统设计
基于MATLAB的作物信息光谱分析平台的开发与设计是以油菜冠层的光谱数据为样本进行分析和设计的。在此系统开发前期,已经对相应的试验对象进行了准备,并采集了一定量的数据。
为了开发相关软件平台,设计了相关实验。试验中的实际拍摄图像是一个集绿、红和近红外三个波段于一体的合成图片。建立标定板灰度值和其反射率的线性关系,并根据这个数学模型计算相对于步骤4的平均灰度值的反射率值,即油菜在各波段的反射率值。为了建立软件平台,初期先对整个功能进行分步开发,具体步骤如下。
(1)合成图像分离为单一波段的图像。
将合成图像分离的原理是将合成图像中每个元素的三维分开储存,使其成为一维矩阵,具体的程序如下。
I=imread(file);imshow(I);
A=I(1∶1039,1∶1392,1);B=I(1∶1039,1∶1392,2);C=I(1∶1039,1∶1392,3);
这里I是将要处理的图像读入软件后存储后的合成图像名,A、B、C分别为从合成图像I中分离出来的单一波段图片,在读入图像后为确定是否是需要处理的图像,通过程序进行显示。
(2)标定板与作物分离,并计算标定板每个色块的平均灰度值。
(3)绘制各波段标定板的灰度值与反射率线性关系图,通过编程利用MATLAB来绘制。
(4)去除图像背景,并求出各波段图像的灰度值。
域值确定有多种方法,本试验中就是通过画图像像素的直方图来寻找域值。在确定域值后既可通过二值化将图像背景去除。
将图像背景去除后分别求取各波段单一图像的灰度值,具体方法与求取标定板单一色块的方法一致。
求反射率值与NDVI值,将上述实验结果用现有仪器SPAD和传统实验方法凯斯定氮法进行验证,最终得到相关指数达94%。将整个处理进行用MATLAB现有功能进行整合,得到整体软件平台界面。
该软件的主要功能是能实时将近红外光谱遥感图片进行分解,并去除背景的干扰,通过上述实验得到的经验曲线,直接得出该植物的全氮含量水平,从而能实时地进行无损化检测,并作出相应的作物给氮决策,减少作物因生长过程中缺氮而导致的减产等。
3 结语与展望
通过本次研究,专门开发了一个界面化用户的图像处理软件—— 基于3CCD的智能化植物含氮量快速测试系统。利用该软件平台,再次对相关植物的含氮量进行检测,并通过其他传统方式进行验证,可靠性可达90%以上。该处理软件以MATLAB为平台,其主要特点是直观的界面和简易的操作。此次研究开发系统,减少了使用进口仪器操作中对国外系统软件的依赖,利用已普及的软件进行针对性的设计和开发,减少了研究经费,方便相应软件在各研究中的普及。
本系统的设计和开发,针对性比较强,主要是提倡了一种软件开发设计的理念,但是作为光谱类仪器的通用软件,系统的功能和稳定等方面还有待进一步加强。且本次开发过程中涉及的实验对象和研究对象面比较窄,有待进行扩充。
参考文献
[1] 何勇.精细农业[M].杭州:浙江大学出版社,2003.
[2] 于飞,周健民,王火焰,等.不同氮肥对油菜生长和养分吸收的影响[J].土壤肥料,2005(1):20～22.
[3] 王晓丹,吴崇明.基于MATLAB的系统分析与设计—— 图像处理[M].西安电子科技大学出版社,2000.
[4] 孙兆林.MATLAB 6.x图像处理[M].清华大学出版社,2002.
[5] 欧阳黎明.MATLAB控制系统设计[M].国防工业出版社,2001.
关键词:MATLAB 氮含量 油菜 多光谱成像仪
中图分类号:Q6 文献标识码:A 文章编号:1672-3791(2012)06(a)-0013-01
随着精细农业在全球的开展,对作物的无损化实时检测在精细农业的研究中占有越来越重的地位,各类相关的平台相继开发,相应的应用软件也同时开发应用。
目前,国内在作物方面的检测研究仪器,主要是进口,而相应的仪器应用软件也是伴随仪器的购买而购买。此类的软件,一般价格比较昂贵,而且在自主研究平台的设计和开发中,因为无法取得相应代码而出现研究瓶颈,且此类软件的推广和升级都存在很大的问题。
正是基于这样的背景,我们通过对目前应用比较广泛的软件MALTAB进行研究,并利用MATLAB软件强大的图片分析功能、快速数据分析和良好的用户界面化,进行作物无损化实时检测平台的自主设计与开发。
在各类无损化检测技术中,光谱检测的应用非常广泛,对应的软硬件平台开发业迫在眉睫。在此次研究中,我们主要针对植物的光谱检测,进行相应的软件平台开发和检测研究,以目前精细农业领域对作物无损化实时检测为切入点,结合目前光谱分析在无损检测方面的应用,提出以MATLAB这个应用比较广泛的软件为开发工具,对作物检测平台进行研究开发。
1 MATLAB簡介
20世纪70年代后期,时任美国新墨西哥大学计算机科学系主任的Cleve Moler教授出于减轻学生编程负担的动机,为学生设计了一组调用LINPACK和EISPACK库程序的“通俗易用”的接口,此即用FORTRAN编写的萌芽状态的MATLAB。
MATLAB常用的工具箱有MATLAB主工具箱、控制系统工具箱、通讯工具箱、模糊逻辑工具箱、图象处理工具箱、线性矩阵不等式工具箱、模型预测控制工具箱、偏微分方程工具箱、信号处理工具箱、统计工具箱、动态仿真工具箱等等。MATLAB中的图形用户界面(GUI)以其友好性和直观易懂性在软件编程上被广泛使用。
2 系统设计
基于MATLAB的作物信息光谱分析平台的开发与设计是以油菜冠层的光谱数据为样本进行分析和设计的。在此系统开发前期,已经对相应的试验对象进行了准备,并采集了一定量的数据。
为了开发相关软件平台,设计了相关实验。试验中的实际拍摄图像是一个集绿、红和近红外三个波段于一体的合成图片。建立标定板灰度值和其反射率的线性关系,并根据这个数学模型计算相对于步骤4的平均灰度值的反射率值,即油菜在各波段的反射率值。为了建立软件平台,初期先对整个功能进行分步开发,具体步骤如下。
(1)合成图像分离为单一波段的图像。
将合成图像分离的原理是将合成图像中每个元素的三维分开储存,使其成为一维矩阵,具体的程序如下。
I=imread(file);imshow(I);
A=I(1∶1039,1∶1392,1);B=I(1∶1039,1∶1392,2);C=I(1∶1039,1∶1392,3);
这里I是将要处理的图像读入软件后存储后的合成图像名,A、B、C分别为从合成图像I中分离出来的单一波段图片,在读入图像后为确定是否是需要处理的图像,通过程序进行显示。
(2)标定板与作物分离,并计算标定板每个色块的平均灰度值。
(3)绘制各波段标定板的灰度值与反射率线性关系图,通过编程利用MATLAB来绘制。
(4)去除图像背景,并求出各波段图像的灰度值。
域值确定有多种方法,本试验中就是通过画图像像素的直方图来寻找域值。在确定域值后既可通过二值化将图像背景去除。
将图像背景去除后分别求取各波段单一图像的灰度值,具体方法与求取标定板单一色块的方法一致。
求反射率值与NDVI值,将上述实验结果用现有仪器SPAD和传统实验方法凯斯定氮法进行验证,最终得到相关指数达94%。将整个处理进行用MATLAB现有功能进行整合,得到整体软件平台界面。
该软件的主要功能是能实时将近红外光谱遥感图片进行分解,并去除背景的干扰,通过上述实验得到的经验曲线,直接得出该植物的全氮含量水平,从而能实时地进行无损化检测,并作出相应的作物给氮决策,减少作物因生长过程中缺氮而导致的减产等。
3 结语与展望
通过本次研究,专门开发了一个界面化用户的图像处理软件—— 基于3CCD的智能化植物含氮量快速测试系统。利用该软件平台,再次对相关植物的含氮量进行检测,并通过其他传统方式进行验证,可靠性可达90%以上。该处理软件以MATLAB为平台,其主要特点是直观的界面和简易的操作。此次研究开发系统,减少了使用进口仪器操作中对国外系统软件的依赖,利用已普及的软件进行针对性的设计和开发,减少了研究经费,方便相应软件在各研究中的普及。
本系统的设计和开发,针对性比较强,主要是提倡了一种软件开发设计的理念,但是作为光谱类仪器的通用软件,系统的功能和稳定等方面还有待进一步加强。且本次开发过程中涉及的实验对象和研究对象面比较窄,有待进行扩充。
参考文献
[1] 何勇.精细农业[M].杭州:浙江大学出版社,2003.
[2] 于飞,周健民,王火焰,等.不同氮肥对油菜生长和养分吸收的影响[J].土壤肥料,2005(1):20～22.
[3] 王晓丹,吴崇明.基于MATLAB的系统分析与设计—— 图像处理[M].西安电子科技大学出版社,2000.
[4] 孙兆林.MATLAB 6.x图像处理[M].清华大学出版社,2002.
[5] 欧阳黎明.MATLAB控制系统设计[M].国防工业出版社,2001.