專利名稱：基于偏振光譜技術(shù)的作物營養(yǎng)水平快速診斷裝置和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種作物營養(yǎng)水平的診斷技術(shù)領(lǐng)域，特指基于偏振光譜圖像技術(shù)的作物營養(yǎng)水平快速診斷裝置和方法。
背景技術(shù)：
基于葉片或冠層的光譜和計算機視覺診斷技術(shù)由于具有快速、方便、非破壞性的優(yōu)點，成為當(dāng)前國內(nèi)外作物營養(yǎng)水平診斷技術(shù)的研究熱點。不論是采用反射光譜技術(shù)、圖像技術(shù)或多光譜圖像技術(shù)進(jìn)行作物營養(yǎng)狀況的診斷都僅僅利用了光波的強度(即反射率或反射強度)和波長信息，而光波的信息是非常豐富的，除了強度、波長外，還包括偏振態(tài)。偏振光譜圖像技術(shù)就是將光的偏振態(tài)引入作物營養(yǎng)水平的光譜快速診斷
偏振光譜圖像技術(shù)是指利用檢測對象表面各點所反射和散射的偏振光進(jìn)行成像。偏振圖像具有普通圖像和反射光譜所不具備的優(yōu)點，可以表征一些強度圖像和光譜很難表征的信息，如目標(biāo)表面的微觀結(jié)構(gòu)變化、物質(zhì)內(nèi)部對入射光的選擇性吸收、散射以及物體表面前向反射、后向反射、漫反射特性的變化，具有廣泛的軍用和民用前景。近年來偏振檢測技術(shù)發(fā)展很快，從單一線偏振探測到現(xiàn)在的全Mokes (斯托克斯參數(shù))測量。國內(nèi)外一些學(xué)者主要是將該技術(shù)應(yīng)用于遙感及目標(biāo)識別、鑒別不同的葉片及植物種類、土壤水分含量的偏振特性研究等等。目前，尚未見用偏振光譜圖像技術(shù)來快速診斷作物營養(yǎng)水平。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明為了彌補現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種基于偏振光譜圖像技術(shù)的作物營養(yǎng)水平快速診斷裝置和方法。本發(fā)明基于偏振光譜圖像技術(shù)的作物營養(yǎng)水平快速診斷裝置，包括如下部件計算機，控制器，偏振測量模塊，偏振平行光發(fā)生模塊，樣品電控旋轉(zhuǎn)機構(gòu)，大支架，小支架、電控移動軌道，載物板；載物板中心偏右側(cè)的位置固定的是電控移動軌道，與之相對的左側(cè)固定的是大支架；其中電控移動軌道上還活動連接了小支架，小支架可沿電控移動軌道的整個圓周360度旋轉(zhuǎn)；樣品電控旋轉(zhuǎn)機構(gòu)安裝在電控移動軌道的中心位置，并直接固定在載物板上；偏振測量模塊活動連接于大支架，偏振平行光發(fā)生模塊活動連接于小支架，均可以通過手動方式調(diào)節(jié)固定在支架上的位置；控制器通過數(shù)據(jù)線將計算機分別與偏振測量模塊、偏振平行光發(fā)生模塊、樣品電控旋轉(zhuǎn)機構(gòu)相連接。其中所述的電控移動軌道為圓形，半徑為250mm。其中所述的大支架和小支架均為1/4圓弧形，大支架的圓弧半徑大于小支架的圓弧半徑。其中所述的偏振測量模塊為偏振光采集傳感器。其中所述的偏振平行光發(fā)生模塊為氙燈光源(150W)，波長范圍350 SOOnm ；提供均勻的偏振平行光，光束直徑5 10mm。
其中所述的樣品電控旋轉(zhuǎn)機構(gòu)5的直徑為100mm，旋轉(zhuǎn)范圍0 360度。能夠根據(jù)來自計算機的位移旋轉(zhuǎn)控制指令自動調(diào)節(jié)旋轉(zhuǎn)角度，也可以手動調(diào)節(jié)放置在載物板9上的X-Y軸方向的位置。
本發(fā)明基于偏振光譜圖像技術(shù)的作物營養(yǎng)水平快速診斷方法，按照下述步驟進(jìn)行
(1)將作物對象固定在樣品電控旋轉(zhuǎn)機構(gòu)上，
(2)調(diào)整偏振平行光發(fā)生模塊，使得作物對象完整的接受其發(fā)出的均勻偏振平行光；
(3)偏振測量模塊檢測上述偏振光；
(4)利用檢測結(jié)果分析建模并預(yù)測作物的營養(yǎng)水平。其中所述的將作物對象固定在樣品電控旋轉(zhuǎn)機構(gòu)上是指將需要檢測的植物葉片固定在樣品電控旋轉(zhuǎn)機構(gòu)上并根據(jù)葉片大小等通過手動X-Y平臺進(jìn)行調(diào)整，
其中所述的偏振平行光發(fā)生模塊調(diào)整是指利用計算機發(fā)出控制指令給控制器，控制器驅(qū)動調(diào)整偏振測量模塊、偏振平行光發(fā)生模塊、樣品電控旋轉(zhuǎn)機構(gòu)及手動X-Y平臺三者之間的對應(yīng)角度，并實現(xiàn)檢測參數(shù)的要求。其中所述的偏振測量模塊檢測是指偏振測量模塊接收作物對象反射或散射的偏振光，再由計算機通過控制器獲取在不同偏振平行光入射參數(shù)下的反射或散射偏振光譜信息，有效的進(jìn)行定量描述。其中所述的利用檢測結(jié)果分析建模并預(yù)測作物的營養(yǎng)水平是指建立基于作物對象的營養(yǎng)水平與偏振方向、偏振度和反射或散射光譜分布的對應(yīng)關(guān)系模型；包括先光譜預(yù)處理，再提取光譜特征，最后建立模型并預(yù)測。所述的圖像預(yù)處理，包括MSC(多元散射校正)、一階導(dǎo)數(shù)微分、二階導(dǎo)數(shù)微分、SNV (變量標(biāo)準(zhǔn)化)等，光譜特征提取選擇采用遺傳算法、 線性回歸、偏最小二乘回歸或小波變換等建模方法，篩選出預(yù)測精度最高的特征子集，并利用最優(yōu)特征子集建立植物營養(yǎng)水平的預(yù)測模型，用該預(yù)測模型預(yù)測植物的營養(yǎng)水平。本發(fā)明的有益效果本項目綜合考慮強度、波長、偏振多維光信息，又結(jié)合采用先進(jìn)的偏振光譜技術(shù)，提出利用偏振光譜的光信息檢測作物營養(yǎng)水平診斷方法，充分利用偏振、光譜和視覺等多方面的優(yōu)勢，綜合了顏色、紋理等宏觀特征和葉片表面微觀結(jié)構(gòu)特征、 內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)等微觀信息以及營養(yǎng)脅迫引起的各向異性分布信息。相對于傳統(tǒng)的檢測方法，拓展了有效特征空間，有望大幅提高作物營養(yǎng)水平的預(yù)測精度。實現(xiàn)對作物營養(yǎng)水平的高精度的快速檢測。為基于多維光信息圖像的作物營養(yǎng)水平快速診斷儀的開發(fā)提供理論和方法依據(jù)。


圖1基于偏振光譜圖像技術(shù)的作物營養(yǎng)水平快速診斷裝置示意圖， 其中1.計算機；2.控制器；3.偏振測量模塊；4.偏振平行光發(fā)生模塊；5.樣品電控旋轉(zhuǎn)機構(gòu)及手動X-Y平臺；6.大支架；7.小支架；8. Dome型電控移動軌道；9.載物板。圖2基于偏振光譜圖像技術(shù)的作物營養(yǎng)水平快速診斷方法流程圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)描述。光的偏振作用診斷作物營養(yǎng)水平的機理是營養(yǎng)的豐缺將引起分子的振動和旋轉(zhuǎn)能級的躍遷，植物葉片內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)受到入射偏振光的取向選擇性、不同波長光的前向和背向散射特性的影響，基于此建立營養(yǎng)水平與偏振方向及反射強度的對應(yīng)關(guān)系，表征營養(yǎng)的豐缺水平。缺素引起的水分缺失、細(xì)胞萎縮和滲透壓的變化導(dǎo)致的葉面彈性和張力的變化，即葉面質(zhì)地變化，葉面也會凹凸不平。通過分析不同營養(yǎng)水平下，植物葉片非光滑表面的凸凹、柵欄組織等的變化，研究表面微結(jié)構(gòu)變化對偏振度的影響，用偏振度和偏振方向反演不同營養(yǎng)水平，為實時檢測作物缺素情況提供了理論依據(jù)。本發(fā)明基于偏振光譜圖像技術(shù)的作物營養(yǎng)水平快速診斷裝置，包括如下部件計算機1，控制器2，偏振測量模塊3，偏振平行光發(fā)生模塊4，樣品電控旋轉(zhuǎn)機構(gòu)5，大支架6， 小支架7、電控移動軌道8，載物板9 ；載物板中9心偏右側(cè)的位置固定的是電控移動軌道8， 與之相對的左側(cè)固定的是大支架6 ；其中電控移動軌道上還活動連接了小支架7，小支架7 可沿電控移動軌道8的整個圓周360度旋轉(zhuǎn)；樣品電控旋轉(zhuǎn)機構(gòu)5安裝在電控移動軌道8 的中心位置，并直接固定在載物板9上；偏振測量模塊3活動連接于大支架6，偏振平行光發(fā)生模塊4活動連接于小支架7，均可以通過手動方式調(diào)節(jié)固定在支架上的位置；控制器2 通過數(shù)據(jù)線將計算機1分別與偏振測量模塊3、偏振平行光發(fā)生模塊4、樣品電控旋轉(zhuǎn)機構(gòu) 5相連接。其中所述的計算機1是指用于偏振光譜圖像的采集、顯示、處理和分析，負(fù)責(zé)向整個裝置發(fā)出指令、收集信號等，完成人機交互。計算機1與偏振測量模塊3之間的連接，不僅能按參數(shù)要求向偏振測量模塊3發(fā)出指令，而且能夠接收偏振測量模塊3的實測數(shù)據(jù)，實現(xiàn)雙向交互。其中所述的控制器2是指連接在計算機和偏振測量模塊3、偏振平行光發(fā)生模塊 4、樣品電控旋轉(zhuǎn)機構(gòu)5之間的，按照預(yù)定程序來控制各個測量模塊的啟動、調(diào)整、制動和檢測的主令裝置和信號控制檢測裝置。其中所述的電控移動軌道5為圓形，半徑為250mm。其中所述的偏振測量模塊3為偏振光采集傳感器。其中所述的偏振平行光發(fā)生模塊4為氙燈光源(150W)，波長范圍350 SOOnm ； 提供均勻的偏振平行光，光束直徑5 10mm。其中所述的樣品電控旋轉(zhuǎn)機構(gòu)5的直徑為100mm，旋轉(zhuǎn)范圍0 360度。能夠根據(jù)來自計算機1的位移旋轉(zhuǎn)控制指令自動調(diào)節(jié)旋轉(zhuǎn)角度，也可以手動調(diào)節(jié)放置在載物板9 上的X-Y軸方向的位置。其中所述的大支架6和小支架7均為1/4圓弧形，大支架6的圓弧半徑大于小支架7的圓弧半徑。下面通該診斷裝置檢測番茄葉片的工作過程來詳細(xì)闡述本發(fā)明基于偏振光譜技術(shù)的作物營養(yǎng)水平快速診斷方法，按照下述步驟進(jìn)行
(1)將番茄葉片固定在樣品電控旋轉(zhuǎn)機構(gòu)5上。首先開啟整個裝置預(yù)熱3-5分鐘，將經(jīng)過清水簡單漂洗并拭干的作物對象固定在樣品電控旋轉(zhuǎn)機構(gòu)5上，通過手動調(diào)節(jié)X-Y平臺調(diào)整樣品電控旋轉(zhuǎn)機構(gòu)5相對于載物板9 的位置，由計算機1發(fā)出位移旋轉(zhuǎn)控制指令調(diào)節(jié)旋轉(zhuǎn)90度。(2)調(diào)整偏振平行光發(fā)生模塊4，使得番茄葉片完整的接受其發(fā)出的均勻偏振平行光。
此時利用計算機1發(fā)出控制指令給控制器2，控制器2啟動偏振測量模塊，并將測量到的偏振平行光入射下的反射和散射偏振光譜信息通過控制器2返回到計算機1中。(3)偏振測量模塊3檢測上述偏振光；
偏振測量模塊3接收作物對象反射或散射的偏振光，再由計算機通過控制器獲取在不同偏振平行光入射參數(shù)下的反射或散射偏振光譜信息，有效的進(jìn)行定量描述，偏振測量模塊3中的偏振光采集傳感器選擇如下參數(shù)
①電控旋轉(zhuǎn)線偏振器范圍0 180度，分辨率0.1度；
②收光鏡組波長范圍300 2000nm；
③(VIS-NIR)光纖和接口孔徑IOOOum;
④(VIS-NIR)光譜儀波長范圍360 lOOOnm，分辨率1nm ；
⑤收光鏡組收光角度電控調(diào)整機構(gòu)的角度范圍-90 90度，分辨率0.1度； (4)利用檢測結(jié)果分析建模并預(yù)測作物的營養(yǎng)水平。其中所述的利用檢測結(jié)果分析建模并預(yù)測作物的營養(yǎng)水平是指建立基于作物對象的營養(yǎng)水平與偏振方向、偏振度和反射或散射光譜分布的對應(yīng)關(guān)系模型；包括先光譜預(yù)處理，再提取光譜特征，最后建立模型并預(yù)測。所述的圖像預(yù)處理，包括MSC(多元散射校正)二階導(dǎo)數(shù)微分，光譜特征提取選擇采用偏最小二乘回歸的建模方法，篩選出預(yù)測精度最高的特征子集，并利用最優(yōu)特征子集建立植物營養(yǎng)水平的預(yù)測模型，用該預(yù)測模型預(yù)測植物的營養(yǎng)水平，校正集和預(yù)測集相關(guān)系數(shù)分別為0. 9463和0. 9371。以上只是示例性說明及幫助進(jìn)一步理解本發(fā)明，但實施例具體細(xì)節(jié)僅是為了說明本發(fā)明，并不代表本發(fā)明構(gòu)思下全部技術(shù)實施例，因此不應(yīng)理解為對本發(fā)明總的技術(shù)實施例限定，一些在技術(shù)人員看來，不偏離發(fā)明構(gòu)思的非實質(zhì)性改動，例如以具有相同或相似技術(shù)效果的技術(shù)特征簡單改變或替換，均屬本發(fā)明保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種基于偏振光譜圖像技術(shù)的作物營養(yǎng)水平快速診斷裝置，其特征在于，包括如下部件計算機，控制器，偏振測量模塊，偏振平行光發(fā)生模塊，樣品電控旋轉(zhuǎn)機構(gòu)，大支架，小支架、電控移動軌道，載物板；載物板中心偏右側(cè)的位置固定的是電控移動軌道，與之相對的左側(cè)固定的是大支架；其中電控移動軌道上還活動連接了小支架，小支架可沿電控移動軌道的整個圓周360度旋轉(zhuǎn)；樣品電控旋轉(zhuǎn)機構(gòu)安裝在電控移動軌道的中心位置，并直接固定在載物板上；偏振測量模塊活動連接于大支架，偏振平行光發(fā)生模塊活動連接于小支架，均可以通過手動方式調(diào)節(jié)固定在支架上的位置；控制器通過數(shù)據(jù)線將計算機分別與偏振測量模塊、偏振平行光發(fā)生模塊、樣品電控旋轉(zhuǎn)機構(gòu)相連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種基于偏振光譜圖像技術(shù)的作物營養(yǎng)水平快速診斷裝置，其特征在于，其中所述的電控移動軌道為圓形，半徑為250mm。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種基于偏振光譜圖像技術(shù)的作物營養(yǎng)水平快速診斷裝置，其特征在于，其中所述的大支架和小支架均為1/4圓弧形，大支架的圓弧半徑大于小支架的圓弧半徑。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種基于偏振光譜圖像技術(shù)的作物營養(yǎng)水平快速診斷裝置，其特征在于，其中所述的偏振測量模塊為偏振光采集傳感器。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種基于偏振光譜圖像技術(shù)的作物營養(yǎng)水平快速診斷裝置，其特征在于，其中所述的偏振平行光發(fā)生模塊為氙燈光源150W，波長范圍350 SOOnm;提供均勻的偏振平行光，光束直徑5 10mm。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種基于偏振光譜圖像技術(shù)的作物營養(yǎng)水平快速診斷裝置，其特征在于，其中所述的樣品電控旋轉(zhuǎn)機構(gòu)5的直徑為100mm，旋轉(zhuǎn)范圍0 360度；能夠根據(jù)來自計算機的位移旋轉(zhuǎn)控制指令自動調(diào)節(jié)旋轉(zhuǎn)角度，也可以手動調(diào)節(jié)放置在載物板上的 X-Y軸方向的位置。
7.一種基于偏振光譜圖像技術(shù)的作物營養(yǎng)水平快速診斷方法，其特征在于按照下述步驟進(jìn)行將作物對象固定在樣品電控旋轉(zhuǎn)機構(gòu)上，調(diào)整偏振平行光發(fā)生模塊，使得作物對象完整的接受其發(fā)出的均勻偏振平行光；偏振測量模塊檢測上述偏振光；利用檢測結(jié)果分析建模并預(yù)測作物的營養(yǎng)水平。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種基于偏振光譜圖像技術(shù)的作物營養(yǎng)水平快速診斷方法， 其特征在于其中所述的將作物對象固定在樣品電控旋轉(zhuǎn)機構(gòu)上是指將需要檢測的植物葉片固定在樣品電控旋轉(zhuǎn)機構(gòu)上并根據(jù)葉片大小等通過手動X-Y平臺進(jìn)行調(diào)整，其中所述的偏振平行光發(fā)生模塊調(diào)整是指利用計算機發(fā)出控制指令給控制器，控制器驅(qū)動調(diào)整偏振測量模塊、偏振平行光發(fā)生模塊、樣品電控旋轉(zhuǎn)機構(gòu)及手動X-Y平臺三者之間的對應(yīng)角度，并實現(xiàn)檢測參數(shù)的要求；其中所述的偏振測量模塊檢測是指偏振測量模塊接收作物對象反射或散射的偏振光， 再由計算機通過控制器獲取在不同偏振平行光入射參數(shù)下的反射或散射偏振光譜信息，有效的進(jìn)行定量描述。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種基于偏振光譜圖像技術(shù)的作物營養(yǎng)水平快速診斷方法， 其特征在于其中所述的利用檢測結(jié)果分析建模并預(yù)測作物的營養(yǎng)水平是指建立基于作物對象的營養(yǎng)水平與偏振方向、偏振度和反射或散射光譜分布的對應(yīng)關(guān)系模型；先光譜預(yù)處理，再提取光譜特征，最后建立模型并預(yù)測；所述的圖像預(yù)處理，為多元散射校正、一階導(dǎo)數(shù)微分、二階導(dǎo)數(shù)微分或變量標(biāo)準(zhǔn)化，光譜特征提取選擇采用遺傳算法、線性回歸、偏最小二乘回歸或小波變換建模方法，篩選出預(yù)測精度最高的特征子集，并利用最優(yōu)特征子集建立植物營養(yǎng)水平的預(yù)測模型，用該預(yù)測模型預(yù)測植物的營養(yǎng)水平。
全文摘要
本發(fā)明公開基于偏振光譜技術(shù)的作物營養(yǎng)水平快速診斷裝置，屬于作物營養(yǎng)水平的診斷技術(shù)領(lǐng)域。該裝置主要包括計算機、控制器、偏振測量模塊、偏振平行光發(fā)生模塊、樣品電控旋轉(zhuǎn)機構(gòu)及手動X-Y平臺、支架和載物板。本發(fā)明還公開了基于偏振光譜技術(shù)的作物營養(yǎng)水平快速診斷方法。針對作物對象表面各點所反射和散射的偏振光譜進(jìn)行分析，研究根據(jù)作物葉片表面及內(nèi)部組織微結(jié)構(gòu)的變化對偏振度的影響，建立基于微結(jié)構(gòu)的營養(yǎng)水平與偏振方向、偏振度和反射光譜分布的對應(yīng)關(guān)系，精確定量診斷作物營養(yǎng)水平狀況。相對于傳統(tǒng)的檢測方法，拓展了有效特征空間，有望大幅提高作物營養(yǎng)水平的預(yù)測精度。實現(xiàn)對作物營養(yǎng)水平的高精度的快速檢測。
文檔編號G01N21/21GK102384892SQ20111036373
公開日2012年3月21日 申請日期2011年11月17日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月17日
發(fā)明者周瑩, 左志宇, 張曉東, 朱文靜, 毛罕平, 韓綠化 申請人:江蘇大學(xué)