基于圖像灰度值模型測定土壤含水量研究

羅東城，張立成，廖健程，馬小岳，謝仕豪，胡德勇

（1.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，湖南 長沙 410128；2.福建省農(nóng)業(yè)科學(xué)院，福建 福州 350013）

土壤水分含量是作物生長的關(guān)鍵因素，不同類型作物對土壤水分需求量不同。根據(jù)作物需水規(guī)律進行灌溉是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)精準(zhǔn)控制灌溉的發(fā)展趨勢［1］。作物需水規(guī)律是指作物生長的不同階段對土壤水分含量需求不同的變化規(guī)律。實現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中對作物供水的精準(zhǔn)控制灌溉，首先要測出土壤的實際含水量?，F(xiàn)有的測定土壤含水量的方法有土壤烘干稱重法、電阻傳感法、中子散射法、時域反射法、頻域發(fā)射法等［2］。這些方法有的測量時間長，有的成本較高，不適于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)廣泛推廣應(yīng)用，探索快速、精準(zhǔn)、成本低的土壤含水量測定方法仍是研究者研究的方向。

目前，視覺成像技術(shù)與數(shù)值化分析相結(jié)合在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣［3，4］。張榮標(biāo)等［5］提出了基于圖像處理的土壤表層含水率在線檢測方法，通過采集土壤表層圖像及提取圖像中與水分含量相關(guān)的特征參數(shù)——灰度值進行。毛天旭等［6］研究發(fā)現(xiàn)土壤表面灰度值與表層土壤含水量呈指數(shù)負(fù)相關(guān)。土壤表層圖像灰度值與含水量相關(guān)，是因為土壤含水量會影響土壤中的礦物質(zhì)溶解以及水分附著在土壤顆粒體表面使漫反射光譜發(fā)生變化［7］。一般情況下土壤含水量由高到低其顏色由深變淺，利用這個變化特征建立數(shù)學(xué)模型可以比較精準(zhǔn)地根據(jù)土壤顏色來判定土壤含水量［8］。但視覺圖像技術(shù)中通過光感攝像頭采集的土壤圖像會受到自然光照的影響，天氣變化導(dǎo)致的光照強弱不同對土壤表層圖像的特征值影響較大［9，10］。因此，僅以采集到的土壤表層土壤圖像反映土壤含水量可能會存在較大誤差，而且通過表層圖像測定出的土壤含水量也不能真實反映作物根系層土壤含水量。

基于對光感攝像頭采集圖像過程中干擾因素的考慮，本研究采用暗盒補光技術(shù)采集作物根系層土壤圖像，有效避開了自然條件下太陽光照強弱的影響；采集兩種不同類型的土壤，通過多次重復(fù)試驗測定不同含水量條件下的土壤圖像灰度值，并對測定結(jié)果進行相關(guān)數(shù)學(xué)模型分析，擬合出土壤含水量與土壤灰度值的關(guān)系函數(shù)，以期探究出一種較為便捷、準(zhǔn)確測定根系層土壤含水量的方法。

1 材料與方法

1.1 試驗土樣及圖像采集

試驗土壤取自湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)耘園實驗基地長年種植水稻的紅壤和種植花生的紅黃泥土。將水稻土編號為RS，花生土編號為PS。RS有機質(zhì)含量21.36 mg／kg，PS有機質(zhì)含量15.49 mg／kg。自制280 mm×280 mm×300 mm的鐵皮暗盒，上表面開孔安放攝像頭，用1 300萬高清攝像頭采集根系層土壤圖像。

1.2 試驗方法

將采集的土樣在自然狀態(tài)下風(fēng)干，過2 mm篩去除植物根系殘渣，測初始含水量。稱取過篩土壤100 g于培養(yǎng)皿中，用量筒緩慢加水至土壤含水量達到飽和狀態(tài)，記錄加水量。將培養(yǎng)皿放入105℃烘箱中，每隔一定時長從烘箱中取出培養(yǎng)皿稱重記錄水分減少量并在暗盒中對其進行補光拍照。

采集的圖像灰度值計算方法：圖像是由一個個像素點構(gòu)成，每個像素點的顏色是通過紅綠藍(lán)三基色組成，每個基色的值為0～255，將其轉(zhuǎn)換成灰度值的方法是對像素點上的每種基色值乘以1／3相累加，所得值在0～255范圍內(nèi)，0為全黑，255為全白。數(shù)字圖像實質(zhì)是一個數(shù)學(xué)矩陣，矩陣中的每一個元素就是圖像的一個像素點，圖像中的平均灰度值是對圖像的每個像素點的三基色轉(zhuǎn)換成灰度值進行累加然后除以像素點個數(shù)。圖像灰度值的統(tǒng)計通過Matlab軟件編寫程序進行計算。

公式（1）中xi表示第i個像素點；G（xi）表示圖像第i個像素點的灰度值；r（xi）是第i個像素點的紅基色度值；g（xi）是第i個像素點的綠基色度值；b（xi）是第i個像素點的藍(lán)基色度值。公式（2）中表示圖像的平均灰度值。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤含水量與圖像灰度值

水稻田和花生地兩種類型土壤的含水量與其對應(yīng)的圖像平均灰度值見表1、表2。

表2 花生地土壤含水量與其對應(yīng)的圖像平均灰度值

2.2 土壤分段含水量與灰度值的離散分析

每一個培養(yǎng)皿裝入土壤的初始含水量不同使土壤含水量下降情況各不相同，因此每組含水量數(shù)據(jù)的變化規(guī)律不同，需要進行離散分析以找出含水量與灰度值最接近的離散點。為了便于統(tǒng)計分析，以5%作為一個跨度進行土壤含水量分段，分別提取各分段土壤含水量的灰度值，并對各段含水量的灰度值進行離散分析，通過線性回歸方程計算離差平方和最小的灰度值作為分段含水率中位數(shù)的灰度值，水稻田和花生地土壤分段含水量與灰度值的離散分析結(jié)果見表3、表4。

2.3 土壤含水量與平均灰度值的函數(shù)擬合

采用最小二乘法對水稻田和花生地土壤含水量與灰度值變化趨勢進行擬合，結(jié)果見圖1、圖2。

由圖1中離散點的分布可知，當(dāng)水稻田土壤含水量較低時灰度值較高，隨著含水量升高，土壤圖像灰度值下降；當(dāng)土壤含水量達到30%時，圖像灰度值最低，之后含水量繼續(xù)升高，土壤圖像灰度值又逐漸上升。據(jù)此，對其變化規(guī)律分別進行二次項擬合和三次項擬合，擬合函數(shù)分別為y＝0.0231x2-1.5517x＋197.4078和y＝-0.0003x3＋0.0544x2-2.3044x＋201.2471，擬合優(yōu)度分別為R2＝0.9058和R2＝0.9733，可見三次項擬合水稻田含水量與土壤圖像灰度值關(guān)系的優(yōu)度更好。

表3 水稻田土壤分段含水率對應(yīng)平均灰度值的離散分析結(jié)果

表4 花生地土壤分段含水率對應(yīng)平均灰度值的離散分析結(jié)果

花生地土壤含水量與灰度值關(guān)系的變化規(guī)律與水稻田類似（圖2），也為土壤含水量較低時圖像灰度值最大，之后隨著土壤含水量的升高，土壤圖像灰度值下降；當(dāng)土壤含水量達到30%時，土壤圖像灰度值最低，之后又有小幅上升；當(dāng)土壤含水率超過50%時，土壤圖像灰度值又下降。經(jīng)二次項和三次項函數(shù)擬合，擬合方程分別為y＝0.0360x2-2.5708x＋212.3572和y＝-0.0017x3＋0.2042x2-7.4668x＋254.5079，擬合優(yōu)度分別為R2＝0.8847和R2＝0.9815，仍以三次項擬合的優(yōu)度最好。

2.4 擬合值與實測值的誤差檢驗

利用擬合優(yōu)度最佳的三次項數(shù)學(xué)模型估算土壤含水量，并與實測值進行對比驗證，結(jié)果（表5）表明，采用圖像灰度值擬合函數(shù)模型測得的水稻田土壤含水量與烘干法測得的土壤含水量相比，偏差范圍在-5.94% ～2.42%，偏差絕對值平均為2.09%；采用圖像灰度值擬合函數(shù)模型測得的花生地土壤含水量與烘干法測得的土壤含水量相比，偏差范圍在-3.82%～2.36%，偏差絕對值平均為1.78%。兩種類型土壤均為含水率較大時，利用圖像灰度值估算的土壤含水量值與實測值偏差較大，這可能是因為土壤含水量較小時土壤顏色變化明顯，而土壤含水量較大時土壤顏色變化較小，導(dǎo)致估算值與實測值的偏差較大。但兩種土壤類型估算值與實測值的偏差均在6%以下，屬于偏差可接受范圍，說明擬合的數(shù)學(xué)模型能夠較為準(zhǔn)確地估算出土壤含水量。

表5 利用灰度值估算的土壤含水量值與烘干法實測值的差異分析

3 討論

圖像識別數(shù)值化分析是計算機智能視覺技術(shù)的研究前沿，農(nóng)業(yè)上應(yīng)用的圖像識別技術(shù)是現(xiàn)代農(nóng) 業(yè) 工 程 領(lǐng) 域 的 研 究 熱 點［11，12］。kuchenbuch等［13］通過圖像二值化分析得出土壤含水量與土壤表層圖像灰度值存在近似的線性關(guān)系。但本研究結(jié)果顯示土壤含水量與灰度值大小是一種非線性關(guān)系，這與趙伶俐等［14］的研究結(jié)果相一致。

數(shù)字圖像是由每一個像素點構(gòu)成，彩色數(shù)字圖像的像素點是由RGB三通道組成，每個通道占8位字節(jié)，數(shù)值為0～255。圖像的顯色原理實際上是通過每個像素點的數(shù)值展現(xiàn)出不同的顏色變化［15］。本研究對土壤灰度圖像獲得及特征灰度值的求法進行了創(chuàng)新探索，通過自編程序分離出圖像中每個像素點的RGB三原基色，取每個原基色值的1／3進行累加后轉(zhuǎn)換成灰度值。

研究土壤灰度值與含水量的關(guān)系，關(guān)鍵在于能否真實準(zhǔn)確地提取土壤灰度值特征參數(shù)，以往的研究主要是對圖像中眾多的像素灰度值進行排序，用排序后相應(yīng)的中值代替圖像中心像素原來的灰度［16，17］。本研究對灰度特征參數(shù)提取進行了改進，用計算圖像平均像素灰度值的方法替代原來的中值法。平均像素灰度值的求法類似于掃描儀原理，即將一張圖像看作是一個數(shù)學(xué)矩陣，圖像的像素就是矩陣中的元素，平均像素灰度值是對矩陣中的每個像素點進行掃描累加然后除以像素點的個數(shù)。

土壤灰度值特征參數(shù)提取后則需要進行相關(guān)性的擬合，為保證擬合的可靠性，試驗以5%的土壤含水量跨度對土壤含水量進行分段，通過回歸分析提取出分段含水量中位數(shù)所對應(yīng)的灰度值，并進行多項式的數(shù)學(xué)模型擬合。水稻田和花生地土壤的擬合結(jié)果均以三次項數(shù)學(xué)模型最佳。兩種土壤所建立的模型各不相同，可能是由于水稻田和花生地土壤中的物質(zhì)成分及含量存在差別。有學(xué)者研究認(rèn)為土壤有機質(zhì)和鐵元素含量是土壤顏色的主要影響因素［18，19］。水稻田土壤與花生地土壤顏色存在差別，可能是水稻田土壤中水稻根系殘茬在微生物作用下轉(zhuǎn)變成土壤有機質(zhì)使其含量增加，從而造成兩者間的差異。

4 結(jié)論

本試驗通過優(yōu)化算法改進了圖像識別中土壤灰度值提取的方法，使土壤灰度值與含水量的相關(guān)特征更為準(zhǔn)確。多組試驗采用離散分析對土壤含水率分段取中位數(shù)，再通過數(shù)學(xué)模型擬合土壤灰度值與含水量的相關(guān)性。水稻田土壤和花生地土壤的模型存在一定的差異，說明不同土壤含水量測定需采用不同的模型特征分析。兩種土壤應(yīng)用最佳擬合的數(shù)學(xué)模型對土壤含水量進行測定，其結(jié)果與烘干法測定結(jié)果的偏差小于6%，兩類土壤均為含水量超過30%時偏差較大。綜合來看，建立的三次項擬合模型能滿足兩種田間土壤的含水量測定，相比其他檢測法便捷、快速、穩(wěn)定，可以應(yīng)用于自動控制灌溉系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理端。