专利名称：基于偏振光谱技术的作物营养水平快速诊断装置和方法
技术领域：
本发明涉及一种作物营养水平的诊断技术领域，特指基于偏振光谱图像技术的作物营养水平快速诊断装置和方法。
背景技术：
基于叶片或冠层的光谱和计算机视觉诊断技术由于具有快速、方便、非破坏性的优点，成为当前国内外作物营养水平诊断技术的研究热点。不论是采用反射光谱技术、图像技术或多光谱图像技术进行作物营养状况的诊断都仅仅利用了光波的强度(即反射率或反射强度)和波长信息，而光波的信息是非常丰富的，除了强度、波长外，还包括偏振态。偏振光谱图像技术就是将光的偏振态引入作物营养水平的光谱快速诊断
偏振光谱图像技术是指利用检测对象表面各点所反射和散射的偏振光进行成像。偏振图像具有普通图像和反射光谱所不具备的优点，可以表征一些强度图像和光谱很难表征的信息，如目标表面的微观结构变化、物质内部对入射光的选择性吸收、散射以及物体表面前向反射、后向反射、漫反射特性的变化，具有广泛的军用和民用前景。近年来偏振检测技术发展很快，从单一线偏振探测到现在的全Mokes (斯托克斯参数)测量。国内外一些学者主要是将该技术应用于遥感及目标识别、鉴别不同的叶片及植物种类、土壤水分含量的偏振特性研究等等。目前，尚未见用偏振光谱图像技术来快速诊断作物营养水平。
发明内容
本发明为了弥补现有技术的不足，提供一种基于偏振光谱图像技术的作物营养水平快速诊断装置和方法。本发明基于偏振光谱图像技术的作物营养水平快速诊断装置，包括如下部件计算机，控制器，偏振测量模块，偏振平行光发生模块，样品电控旋转机构，大支架，小支架、电控移动轨道，载物板；载物板中心偏右侧的位置固定的是电控移动轨道，与之相对的左侧固定的是大支架；其中电控移动轨道上还活动连接了小支架，小支架可沿电控移动轨道的整个圆周360度旋转；样品电控旋转机构安装在电控移动轨道的中心位置，并直接固定在载物板上；偏振测量模块活动连接于大支架，偏振平行光发生模块活动连接于小支架，均可以通过手动方式调节固定在支架上的位置；控制器通过数据线将计算机分别与偏振测量模块、偏振平行光发生模块、样品电控旋转机构相连接。其中所述的电控移动轨道为圆形，半径为250mm。其中所述的大支架和小支架均为1/4圆弧形，大支架的圆弧半径大于小支架的圆弧半径。其中所述的偏振测量模块为偏振光采集传感器。其中所述的偏振平行光发生模块为氙灯光源(150W)，波长范围350 SOOnm ；提供均勻的偏振平行光，光束直径5 10mm。
其中所述的样品电控旋转机构5的直径为100mm，旋转范围0 360度。能够根据来自计算机的位移旋转控制指令自动调节旋转角度，也可以手动调节放置在载物板9上的X-Y轴方向的位置。
本发明基于偏振光谱图像技术的作物营养水平快速诊断方法，按照下述步骤进行
(1)将作物对象固定在样品电控旋转机构上，
(2)调整偏振平行光发生模块，使得作物对象完整的接受其发出的均勻偏振平行光；
(3)偏振测量模块检测上述偏振光；
(4)利用检测结果分析建模并预测作物的营养水平。其中所述的将作物对象固定在样品电控旋转机构上是指将需要检测的植物叶片固定在样品电控旋转机构上并根据叶片大小等通过手动X-Y平台进行调整，
其中所述的偏振平行光发生模块调整是指利用计算机发出控制指令给控制器，控制器驱动调整偏振测量模块、偏振平行光发生模块、样品电控旋转机构及手动X-Y平台三者之间的对应角度，并实现检测参数的要求。其中所述的偏振测量模块检测是指偏振测量模块接收作物对象反射或散射的偏振光，再由计算机通过控制器获取在不同偏振平行光入射参数下的反射或散射偏振光谱信息，有效的进行定量描述。其中所述的利用检测结果分析建模并预测作物的营养水平是指建立基于作物对象的营养水平与偏振方向、偏振度和反射或散射光谱分布的对应关系模型；包括先光谱预处理，再提取光谱特征，最后建立模型并预测。所述的图像预处理，包括MSC(多元散射校正)、一阶导数微分、二阶导数微分、SNV (变量标准化)等，光谱特征提取选择采用遗传算法、 线性回归、偏最小二乘回归或小波变换等建模方法，筛选出预测精度最高的特征子集，并利用最优特征子集建立植物营养水平的预测模型，用该预测模型预测植物的营养水平。本发明的有益效果本项目综合考虑强度、波长、偏振多维光信息，又结合采用先进的偏振光谱技术，提出利用偏振光谱的光信息检测作物营养水平诊断方法，充分利用偏振、光谱和视觉等多方面的优势，综合了颜色、纹理等宏观特征和叶片表面微观结构特征、 内部组织结构等微观信息以及营养胁迫引起的各向异性分布信息。相对于传统的检测方法，拓展了有效特征空间，有望大幅提高作物营养水平的预测精度。实现对作物营养水平的高精度的快速检测。为基于多维光信息图像的作物营养水平快速诊断仪的开发提供理论和方法依据。
图1基于偏振光谱图像技术的作物营养水平快速诊断装置示意图， 其中1.计算机；2.控制器；3.偏振测量模块；4.偏振平行光发生模块；5.样品电控旋转机构及手动X-Y平台；6.大支架；7.小支架；8. Dome型电控移动轨道；9.载物板。图2基于偏振光谱图像技术的作物营养水平快速诊断方法流程图。
具体实施例方式下面结合附图对本发明进行进一步详细描述。光的偏振作用诊断作物营养水平的机理是营养的丰缺将引起分子的振动和旋转能级的跃迁，植物叶片内部组织结构受到入射偏振光的取向选择性、不同波长光的前向和背向散射特性的影响，基于此建立营养水平与偏振方向及反射强度的对应关系，表征营养的丰缺水平。缺素引起的水分缺失、细胞萎缩和渗透压的变化导致的叶面弹性和张力的变化，即叶面质地变化，叶面也会凹凸不平。通过分析不同营养水平下，植物叶片非光滑表面的凸凹、栅栏组织等的变化，研究表面微结构变化对偏振度的影响，用偏振度和偏振方向反演不同营养水平，为实时检测作物缺素情况提供了理论依据。本发明基于偏振光谱图像技术的作物营养水平快速诊断装置，包括如下部件计算机1，控制器2，偏振测量模块3，偏振平行光发生模块4，样品电控旋转机构5，大支架6， 小支架7、电控移动轨道8，载物板9 ；载物板中9心偏右侧的位置固定的是电控移动轨道8， 与之相对的左侧固定的是大支架6 ；其中电控移动轨道上还活动连接了小支架7，小支架7 可沿电控移动轨道8的整个圆周360度旋转；样品电控旋转机构5安装在电控移动轨道8 的中心位置，并直接固定在载物板9上；偏振测量模块3活动连接于大支架6，偏振平行光发生模块4活动连接于小支架7，均可以通过手动方式调节固定在支架上的位置；控制器2 通过数据线将计算机1分别与偏振测量模块3、偏振平行光发生模块4、样品电控旋转机构 5相连接。其中所述的计算机1是指用于偏振光谱图像的采集、显示、处理和分析，负责向整个装置发出指令、收集信号等，完成人机交互。计算机1与偏振测量模块3之间的连接，不仅能按参数要求向偏振测量模块3发出指令，而且能够接收偏振测量模块3的实测数据，实现双向交互。其中所述的控制器2是指连接在计算机和偏振测量模块3、偏振平行光发生模块 4、样品电控旋转机构5之间的，按照预定程序来控制各个测量模块的启动、调整、制动和检测的主令装置和信号控制检测装置。其中所述的电控移动轨道5为圆形，半径为250mm。其中所述的偏振测量模块3为偏振光采集传感器。其中所述的偏振平行光发生模块4为氙灯光源(150W)，波长范围350 SOOnm ； 提供均勻的偏振平行光，光束直径5 10mm。其中所述的样品电控旋转机构5的直径为100mm，旋转范围0 360度。能够根据来自计算机1的位移旋转控制指令自动调节旋转角度，也可以手动调节放置在载物板9 上的X-Y轴方向的位置。其中所述的大支架6和小支架7均为1/4圆弧形，大支架6的圆弧半径大于小支架7的圆弧半径。下面通该诊断装置检测番茄叶片的工作过程来详细阐述本发明基于偏振光谱技术的作物营养水平快速诊断方法，按照下述步骤进行
(1)将番茄叶片固定在样品电控旋转机构5上。首先开启整个装置预热3-5分钟，将经过清水简单漂洗并拭干的作物对象固定在样品电控旋转机构5上，通过手动调节X-Y平台调整样品电控旋转机构5相对于载物板9 的位置，由计算机1发出位移旋转控制指令调节旋转90度。(2)调整偏振平行光发生模块4，使得番茄叶片完整的接受其发出的均勻偏振平行光。
此时利用计算机1发出控制指令给控制器2，控制器2启动偏振测量模块，并将测量到的偏振平行光入射下的反射和散射偏振光谱信息通过控制器2返回到计算机1中。(3)偏振测量模块3检测上述偏振光；
偏振测量模块3接收作物对象反射或散射的偏振光，再由计算机通过控制器获取在不同偏振平行光入射参数下的反射或散射偏振光谱信息，有效的进行定量描述，偏振测量模块3中的偏振光采集传感器选择如下参数
①电控旋转线偏振器范围0 180度，分辨率0.1度；
②收光镜组波长范围300 2000nm；
③(VIS-NIR)光纤和接口孔径IOOOum;
④(VIS-NIR)光谱仪波长范围360 lOOOnm，分辨率1nm ；
⑤收光镜组收光角度电控调整机构的角度范围-90 90度，分辨率0.1度； (4)利用检测结果分析建模并预测作物的营养水平。其中所述的利用检测结果分析建模并预测作物的营养水平是指建立基于作物对象的营养水平与偏振方向、偏振度和反射或散射光谱分布的对应关系模型；包括先光谱预处理，再提取光谱特征，最后建立模型并预测。所述的图像预处理，包括MSC(多元散射校正)二阶导数微分，光谱特征提取选择采用偏最小二乘回归的建模方法，筛选出预测精度最高的特征子集，并利用最优特征子集建立植物营养水平的预测模型，用该预测模型预测植物的营养水平，校正集和预测集相关系数分别为0. 9463和0. 9371。以上只是示例性说明及帮助进一步理解本发明，但实施例具体细节仅是为了说明本发明，并不代表本发明构思下全部技术实施例，因此不应理解为对本发明总的技术实施例限定，一些在技术人员看来，不偏离发明构思的非实质性改动，例如以具有相同或相似技术效果的技术特征简单改变或替换，均属本发明保护范围。
权利要求
1.一种基于偏振光谱图像技术的作物营养水平快速诊断装置，其特征在于，包括如下部件计算机，控制器，偏振测量模块，偏振平行光发生模块，样品电控旋转机构，大支架，小支架、电控移动轨道，载物板；载物板中心偏右侧的位置固定的是电控移动轨道，与之相对的左侧固定的是大支架；其中电控移动轨道上还活动连接了小支架，小支架可沿电控移动轨道的整个圆周360度旋转；样品电控旋转机构安装在电控移动轨道的中心位置，并直接固定在载物板上；偏振测量模块活动连接于大支架，偏振平行光发生模块活动连接于小支架，均可以通过手动方式调节固定在支架上的位置；控制器通过数据线将计算机分别与偏振测量模块、偏振平行光发生模块、样品电控旋转机构相连接。
2.根据权利要求1所述一种基于偏振光谱图像技术的作物营养水平快速诊断装置，其特征在于，其中所述的电控移动轨道为圆形，半径为250mm。
3.根据权利要求1所述一种基于偏振光谱图像技术的作物营养水平快速诊断装置，其特征在于，其中所述的大支架和小支架均为1/4圆弧形，大支架的圆弧半径大于小支架的圆弧半径。
4.根据权利要求1所述一种基于偏振光谱图像技术的作物营养水平快速诊断装置，其特征在于，其中所述的偏振测量模块为偏振光采集传感器。
5.根据权利要求1所述一种基于偏振光谱图像技术的作物营养水平快速诊断装置，其特征在于，其中所述的偏振平行光发生模块为氙灯光源150W，波长范围350 SOOnm;提供均勻的偏振平行光，光束直径5 10mm。
6.根据权利要求1所述一种基于偏振光谱图像技术的作物营养水平快速诊断装置，其特征在于，其中所述的样品电控旋转机构5的直径为100mm，旋转范围0 360度；能够根据来自计算机的位移旋转控制指令自动调节旋转角度，也可以手动调节放置在载物板上的 X-Y轴方向的位置。
7.一种基于偏振光谱图像技术的作物营养水平快速诊断方法，其特征在于按照下述步骤进行将作物对象固定在样品电控旋转机构上，调整偏振平行光发生模块，使得作物对象完整的接受其发出的均勻偏振平行光；偏振测量模块检测上述偏振光；利用检测结果分析建模并预测作物的营养水平。
8.根据权利要求7所述的一种基于偏振光谱图像技术的作物营养水平快速诊断方法， 其特征在于其中所述的将作物对象固定在样品电控旋转机构上是指将需要检测的植物叶片固定在样品电控旋转机构上并根据叶片大小等通过手动X-Y平台进行调整，其中所述的偏振平行光发生模块调整是指利用计算机发出控制指令给控制器，控制器驱动调整偏振测量模块、偏振平行光发生模块、样品电控旋转机构及手动X-Y平台三者之间的对应角度，并实现检测参数的要求；其中所述的偏振测量模块检测是指偏振测量模块接收作物对象反射或散射的偏振光， 再由计算机通过控制器获取在不同偏振平行光入射参数下的反射或散射偏振光谱信息，有效的进行定量描述。
9.根据权利要求7所述的一种基于偏振光谱图像技术的作物营养水平快速诊断方法， 其特征在于其中所述的利用检测结果分析建模并预测作物的营养水平是指建立基于作物对象的营养水平与偏振方向、偏振度和反射或散射光谱分布的对应关系模型；先光谱预处理，再提取光谱特征，最后建立模型并预测；所述的图像预处理，为多元散射校正、一阶导数微分、二阶导数微分或变量标准化，光谱特征提取选择采用遗传算法、线性回归、偏最小二乘回归或小波变换建模方法，筛选出预测精度最高的特征子集，并利用最优特征子集建立植物营养水平的预测模型，用该预测模型预测植物的营养水平。
全文摘要
本发明公开基于偏振光谱技术的作物营养水平快速诊断装置，属于作物营养水平的诊断技术领域。该装置主要包括计算机、控制器、偏振测量模块、偏振平行光发生模块、样品电控旋转机构及手动X-Y平台、支架和载物板。本发明还公开了基于偏振光谱技术的作物营养水平快速诊断方法。针对作物对象表面各点所反射和散射的偏振光谱进行分析，研究根据作物叶片表面及内部组织微结构的变化对偏振度的影响，建立基于微结构的营养水平与偏振方向、偏振度和反射光谱分布的对应关系，精确定量诊断作物营养水平状况。相对于传统的检测方法，拓展了有效特征空间，有望大幅提高作物营养水平的预测精度。实现对作物营养水平的高精度的快速检测。
文档编号G01N21/21GK102384892SQ20111036373
公开日2012年3月21日 申请日期2011年11月17日 优先权日2011年11月17日
发明者周莹, 左志宇, 张晓东, 朱文静, 毛罕平, 韩绿化 申请人:江苏大学