專利名稱：基于偏振光譜技術(shù)的作物營(yíng)養(yǎng)水平快速診斷裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種作物營(yíng)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(yíng)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(jì)算機(jī)視覺(jué)診斷技術(shù)由于具有快速、方便、非破壞性的 優(yōu)點(diǎn)，成為當(dāng)前國(guó)內(nèi)外作物營(yíng)養(yǎng)水平診斷技術(shù)的研究熱點(diǎn)。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(yíng)養(yǎng)狀況的診斷都僅僅利用了光波的強(qiáng)度(即反射率或反射強(qiáng)度)和波長(zhǎng)信息，而光波的信息是非常豐富的，除了強(qiáng)度、波長(zhǎng)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(yíng)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(cè)對(duì)象表面各點(diǎn)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(diǎn)，可以表征一些強(qiáng)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(duì)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(lái)偏振檢測(cè)技術(shù)發(fā)展很快，從單一線偏振探測(cè)到現(xiàn)在的全Stokes (斯托克斯參數(shù))測(cè)量。國(guó)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(shí)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(jiàn)用偏振光譜圖像技術(shù)來(lái)快速診斷作物營(yíng)養(yǎng)水平。
發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型為了彌補(bǔ)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(yíng)養(yǎng)水平快速診斷裝置和方法。本實(shí)用新型基于偏振光譜圖像技術(shù)的作物營(yíng)養(yǎng)水平快速診斷裝置，包括如下部件計(jì)算機(jī)，控制器，偏振測(cè)量模塊，偏振平行光發(fā)生模塊，樣品電控旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，大支架，小支架、電控移動(dòng)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(dòng)軌道，與之相對(duì)的左側(cè)固定的是大支架；其中電控移動(dòng)軌道上還活動(dòng)連接了小支架，小支架可沿電控移動(dòng)軌道的整個(gè)圓周360度旋轉(zhuǎn)；樣品電控旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)安裝在電控移動(dòng)軌道的中心位置，并直接固定在載物板上；偏振測(cè)量模塊活動(dòng)連接于大支架，偏振平行光發(fā)生模塊活動(dòng)連接于小支架，均可以通過(guò)手動(dòng)方式調(diào)節(jié)固定在支架上的位置；控制器通過(guò)數(shù)據(jù)線將計(jì)算機(jī)分別與偏振測(cè)量模塊、偏振平行光發(fā)生模塊、樣品電控旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)相連接。其中所述的電控移動(dòng)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(cè)量模塊為偏振光采集傳感器。其中所述的偏振平行光發(fā)生模塊為氣燈光源(150W),波長(zhǎng)范圍350 800nm ;提供均勻的偏振平行光，光束直徑5 10mm。[0012]其中所述的樣品電控旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)5的直徑為100mm，旋轉(zhuǎn)范圍O 360度。能夠根據(jù)來(lái)自計(jì)算機(jī)的位移旋轉(zhuǎn)控制指令自動(dòng)調(diào)節(jié)旋轉(zhuǎn)角度，也可以手動(dòng)調(diào)節(jié)放置在載物板9上的X-Y軸方向的位置?；谄窆庾V圖像技術(shù)的作物營(yíng)養(yǎng)水平快速診斷方法，按照下述步驟進(jìn)行(I)將作物對(duì)象固定在樣品電控旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)上， (2)調(diào)整偏振平行光發(fā)生模塊，使得作物對(duì)象完整的接受其發(fā)出的均勻偏振平行光;(3)偏振測(cè)量模塊檢測(cè)上述偏振光；(4)利用檢測(cè)結(jié)果分析建模并預(yù)測(cè)作物的營(yíng)養(yǎng)水平。其中所述的將作物對(duì)象固定在樣品電控旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)上是指將需要檢測(cè)的植物葉片固定在樣品電控旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)上并根據(jù)葉片大小等通過(guò)手動(dòng)X-Y平臺(tái)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(jì)算機(jī)發(fā)出控制指令給控制器，控制器驅(qū)動(dòng)調(diào)整偏振測(cè)量模塊、偏振平行光發(fā)生模塊、樣品電控旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)及手動(dòng)X-Y平臺(tái)三者之間的對(duì)應(yīng)角度，并實(shí)現(xiàn)檢測(cè)參數(shù)的要求。其中所述的偏振測(cè)量模塊檢測(cè)是指偏振測(cè)量模塊接收作物對(duì)象反射或散射的偏振光，再由計(jì)算機(jī)通過(guò)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(cè)結(jié)果分析建模并預(yù)測(cè)作物的營(yíng)養(yǎng)水平是指建立基于作物對(duì)象的營(yíng)養(yǎng)水平與偏振方向、偏振度和反射或散射光譜分布的對(duì)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(cè)。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(cè)精度最高的特征子集，并利用最優(yōu)特征子集建立植物營(yíng)養(yǎng)水平的預(yù)測(cè)模型，用該預(yù)測(cè)模型預(yù)測(cè)植物的營(yíng)養(yǎng)水平。本實(shí)用新型的有益效果本項(xiàng)目綜合考慮強(qiáng)度、波長(zhǎng)、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(cè)作物營(yíng)養(yǎng)水平診斷方法，充分利用偏振、光譜和視覺(jué)等多方面的優(yōu)勢(shì)，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(yíng)養(yǎng)脅迫引起的各向異性分布信息。相對(duì)于傳統(tǒng)的檢測(cè)方法，拓展了有效特征空間，有望大幅提高作物營(yíng)養(yǎng)水平的預(yù)測(cè)精度。實(shí)現(xiàn)對(duì)作物營(yíng)養(yǎng)水平的高精度的快速檢測(cè)。為基于多維光信息圖像的作物營(yíng)養(yǎng)水平快速診斷儀的開發(fā)提供理論和方法依據(jù)。
圖I基于偏振光譜圖像技術(shù)的作物營(yíng)養(yǎng)水平快速診斷裝置示意圖，其中1.計(jì)算機(jī)；2.控制器；3.偏振測(cè)量模塊；4.偏振平行光發(fā)生模塊；5.樣品電控旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)及手動(dòng)X-Y平臺(tái)；6.大支架；7.小支架；8. Dome型電控移動(dòng)軌道；9.載物板。圖2基于偏振光譜圖像技術(shù)的作物營(yíng)養(yǎng)水平快速診斷方法流程圖。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)描述。[0028]光的偏振作用診斷作物營(yíng)養(yǎng)水平的機(jī)理是營(yíng)養(yǎng)的豐缺將引起分子的振動(dòng)和旋轉(zhuǎn)能級(jí)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(zhǎng)光的前向和背向散射特性的影響，基于此建立營(yíng)養(yǎng)水平與偏振方向及反射強(qiáng)度的對(duì)應(yīng)關(guān)系，表征營(yíng)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(huì)凹凸不平。通過(guò)分析不同營(yíng)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(duì)偏振度的影響，用偏振度和偏振方向反演不同營(yíng)養(yǎng)水平，為實(shí)時(shí)檢測(cè)作物缺素情況提供了理論依據(jù)。本實(shí)用新型基于偏振光譜圖像技術(shù)的作物營(yíng)養(yǎng)水平快速診斷裝置，包括如下部件計(jì)算機(jī)1，控制器2，偏振測(cè)量模塊3，偏振平行光發(fā)生模塊4，樣品電控旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)5，大支架6，小支架7、電控移動(dòng)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(dòng)軌道8，與之相對(duì)的左側(cè)固定的是大支架6 ;其中電控移動(dòng)軌道上還活動(dòng)連接了小支架7，小支架7可沿電控移動(dòng)軌道8的整個(gè)圓周360度旋轉(zhuǎn)；樣品電控旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)5安裝在電控移動(dòng)軌道8的中心位置，并直接固定在載物板9上；偏振測(cè)量模塊3活動(dòng)連接于大支架6，偏振平行光發(fā)生模塊4活動(dòng)連接于小支架7，均可以通過(guò)手動(dòng)方式調(diào)節(jié)固定在支架上的位置；控制 器2通過(guò)數(shù)據(jù)線將計(jì)算機(jī)I分別與偏振測(cè)量模塊3、偏振平行光發(fā)生模塊4、樣品電控旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)5相連接。其中所述的計(jì)算機(jī)I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(gè)裝置發(fā)出指令、收集信號(hào)等，完成人機(jī)交互。計(jì)算機(jī)I與偏振測(cè)量模塊3之間的連接，不僅能按參數(shù)要求向偏振測(cè)量模塊3發(fā)出指令，而且能夠接收偏振測(cè)量模塊3的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)雙向交互。其中所述的控制器2是指連接在計(jì)算機(jī)和偏振測(cè)量模塊3、偏振平行光發(fā)生模塊
4、樣品電控旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)5之間的，按照預(yù)定程序來(lái)控制各個(gè)測(cè)量模塊的啟動(dòng)、調(diào)整、制動(dòng)和檢測(cè)的主令裝置和信號(hào)控制檢測(cè)裝置。其中所述的電控移動(dòng)軌道5為圓形，半徑為250mm。其中所述的偏振測(cè)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為氣燈光源(150W),波長(zhǎng)范圍350 800nm ；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(jī)構(gòu)5的直徑為100mm，旋轉(zhuǎn)范圍O 360度。能夠根據(jù)來(lái)自計(jì)算機(jī)I的位移旋轉(zhuǎn)控制指令自動(dòng)調(diào)節(jié)旋轉(zhuǎn)角度，也可以手動(dòng)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(cè)番茄葉片的工作過(guò)程來(lái)詳細(xì)闡述基于偏振光譜技術(shù)的作物營(yíng)養(yǎng)水平快速診斷方法，按照下述步驟進(jìn)行(I)將番茄葉片固定在樣品電控旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)5上。首先開啟整個(gè)裝置預(yù)熱3-5分鐘，將經(jīng)過(guò)清水簡(jiǎn)單漂洗并拭干的作物對(duì)象固定在樣品電控旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)5上，通過(guò)手動(dòng)調(diào)節(jié)X-Y平臺(tái)調(diào)整樣品電控旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)5相對(duì)于載物板9的位置，由計(jì)算機(jī)I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(shí)利用計(jì)算機(jī)I發(fā)出控制指令給控制器2，控制器2啟動(dòng)偏振測(cè)量模塊，并將測(cè)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(guò)控制器2返回到計(jì)算機(jī)I中。( 3 )偏振測(cè)量模塊3檢測(cè)上述偏振光；偏振測(cè)量模塊3接收作物對(duì)象反射或散射的偏振光，再由計(jì)算機(jī)通過(guò)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(cè)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. I度； ②收光鏡組波長(zhǎng)范圍300 2000nm ；③(VIS-NIR)光纖和接口孔徑IOOOum ;④(VIS-NIR)光譜儀波長(zhǎng)范圍360 lOOOnm，分辨率I nm ；⑤收光鏡組收光角度電控調(diào)整機(jī)構(gòu)的角度范圍-90 90度，分辨率0. I度；(4)利用檢測(cè)結(jié)果分析建模并預(yù)測(cè)作物的營(yíng)養(yǎng)水平。其中所述的利用檢測(cè)結(jié)果分析建模并預(yù)測(cè)作物的營(yíng)養(yǎng)水平是指建立基于作物對(duì)象的營(yíng)養(yǎng)水平與偏振方向、偏振度和反射或散射光譜分布的對(duì)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(cè)。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(cè)精度最高的特征子集，并利用最優(yōu)特征子集建立植物營(yíng)養(yǎng)水平的預(yù)測(cè)模型，用該預(yù)測(cè)模型預(yù)測(cè)植物的營(yíng)養(yǎng)水平，校正集和預(yù)測(cè)集相關(guān)系數(shù)分別為0. 9463和0. 9371。以上只是示例性說(shuō)明及幫助進(jìn)一步理解本實(shí)用新型，但實(shí)施例具體細(xì)節(jié)僅是為了說(shuō)明本實(shí)用新型，并不代表本實(shí)用新型構(gòu)思下全部技術(shù)實(shí)施例，因此不應(yīng)理解為對(duì)本實(shí)用新型總的技術(shù)實(shí)施例限定，一些在技術(shù)人員看來(lái)，不偏離實(shí)用新型構(gòu)思的非實(shí)質(zhì)性改動(dòng)，例如以具有相同或相似技術(shù)效果的技術(shù)特征簡(jiǎn)單改變或替換，均屬本實(shí)用新型保護(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(yíng)養(yǎng)水平快速診斷裝置，其特征在于，包括如下部件計(jì)算機(jī)，控制器，偏振測(cè)量模塊，偏振平行光發(fā)生模塊，樣品電控旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，大支架，小支架、電控移動(dòng)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(dòng)軌道，與之相對(duì)的左側(cè)固定的是大支架；其中電控移動(dòng)軌道上還活動(dòng)連接了小支架，小支架可沿電控移動(dòng)軌道的整個(gè)圓周360度旋轉(zhuǎn)；樣品電控旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)安裝在電控移動(dòng)軌道的中心位置，并直接固定在載物板上；偏振測(cè)量模塊活動(dòng)連接于大支架，偏振平行光發(fā)生模塊活動(dòng)連接于小支架，均可以通過(guò)手動(dòng)方式調(diào)節(jié)固定在支架上的位置；控制器通過(guò)數(shù)據(jù)線將計(jì)算機(jī)分別與偏振測(cè)量模塊、偏振平行光發(fā)生模塊、樣品電控旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)相連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述一種基于偏振光譜圖像技術(shù)的作物營(yíng)養(yǎng)水平快速診斷裝置，其特征在于，其中所述的電控移動(dòng)軌道為圓形，半徑為250mm。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述一種基于偏振光譜圖像技術(shù)的作物營(yíng)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I所述一種基于偏振光譜圖像技術(shù)的作物營(yíng)養(yǎng)水平快速診斷裝置，其特征在于，其中所述的偏振測(cè)量模塊為偏振光采集傳感器。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述一種基于偏振光譜圖像技術(shù)的作物營(yíng)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(zhǎng)范圍350 800nm ;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I所述一種基于偏振光譜圖像技術(shù)的作物營(yíng)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(jī)構(gòu)(5)的直徑為100mm，旋轉(zhuǎn)范圍O 360度，能夠根據(jù)來(lái)自計(jì)算機(jī)的位移旋轉(zhuǎn)控制指令自動(dòng)調(diào)節(jié)旋轉(zhuǎn)角度，也可以手動(dòng)調(diào)節(jié)放置在載物板上的X-Y軸方向的位置。
專利摘要本實(shí)用新型公開一種基于偏振光譜圖像技術(shù)的作物營(yíng)養(yǎng)水平快速診斷裝置和方法，涉及作物營(yíng)養(yǎng)水平的診斷技術(shù)領(lǐng)域。該裝置主要包括計(jì)算機(jī)、控制器、偏振測(cè)量模塊、偏振平行光發(fā)生模塊、樣品電控旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)及手動(dòng)X-Y平臺(tái)、支架和載物板。針對(duì)作物對(duì)象表面各點(diǎn)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(duì)偏振度的影響，建立基于微結(jié)構(gòu)的營(yíng)養(yǎng)水平與偏振方向、偏振度和反射光譜分布的對(duì)應(yīng)關(guān)系，精確定量診斷作物營(yíng)養(yǎng)水平狀況。相對(duì)于傳統(tǒng)的檢測(cè)方法，拓展了有效特征空間，有望大幅提高作物營(yíng)養(yǎng)水平的預(yù)測(cè)精度。實(shí)現(xiàn)對(duì)作物營(yíng)養(yǎng)水平的高精度的快速檢測(cè)。
文檔編號(hào)G01N21/21GK202383064SQ20112045475
公開日2012年8月15日 申請(qǐng)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(qǐng)人:江蘇大學(xué)