基于圖像數(shù)字處理技術(shù)的元帥系蘋果葉片營(yíng)養(yǎng)水平診斷研究

楊煥昱 李幗英 馬建芳 王花 楊江生 楊俊霞

摘要：利用圖像數(shù)字化處理技術(shù)，建立元帥系蘋果葉片氮磷鉀營(yíng)養(yǎng)元素估算模型。選擇不同營(yíng)養(yǎng)水平的元帥系蘋果葉樣，通過計(jì)算機(jī)提取采集葉樣的圖像特征紅R、綠G、藍(lán)B各參數(shù)值及其相對(duì)的系數(shù)r、g、b和簡(jiǎn)單算術(shù)組合。分析RGB、rgb和簡(jiǎn)單算術(shù)組合分量值與葉片氮、磷、鉀之間的相關(guān)特征。結(jié)果表明，葉片顏色特征分量G/B與氮元素含量呈極顯著相關(guān)性，g分量與磷元素含量呈顯著相關(guān)性，G/R分量與鉀元素含量呈極顯著相關(guān)性。選擇葉片顏色特征分量跟元帥系蘋果葉片氮、磷、鉀元素的最高顯著相關(guān)特征參數(shù)，建立的元帥系蘋果葉片氮、磷、鉀營(yíng)養(yǎng)水平估算模型為y=-6.780x +8.913、y=-1.813x + 1.158、y=-25.196x + 22.872，其中x分別為葉片顏色特征G/B、g、G/R的分量值。氮、磷、鉀預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值相關(guān)系數(shù)分別達(dá)到極顯著（0.721）、顯著（0.522）、極顯著（0.644）水平，能較為可靠的反映元帥系蘋果葉片的營(yíng)養(yǎng)水平。

關(guān)鍵詞：元帥系蘋果;葉片;圖像處理;營(yíng)養(yǎng)水平

中圖分類號(hào)：S661.1? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1001-1463（2022）03-0059-05

doi：10.3969/j.issn.1001-1463.2022.03.013

Diagnose Leaf Nutrition Level of Red Delicious Apple with Image Digital Processing Technology

YANG Huanyu， LI Guoying， MA Jianfang， WANG Hua，YANG Jiangsheng，YANG Junxia

（Tianshui Fruit Tree Research Institute， Tianshui Gansu 741002， China）

Abstract：The estimation model of nitrogen， phosphorus and potassium nutrients in Red delicious apple leaves was established by image digital processing technology. The leaf samples of Red delicious apple with different nutritional levels were collected， and the parameter values of red R， green G and blue B， their corresponding coefficients r， g， b and simple arithmetic combination were analyzed by computer. The correlation characteristics between RGB， rgb and simple arithmetic combination component values and leaf nitrogen， phosphorus and potassium were calculated. The results showed an extremely significant correlation between leaf color characteristic component value G/B and leaf nitrogen content， G/R component value and leaf potassium content， and g component value was significantly correlated with phosphorus content. The most significant correlation characteristic parameters between leaf color characteristic components and leaf nitrogen， phosphorus and potassium elements in Red delicious apple leaves were selected. The estimation models of nitrogen， phosphorus and potassium nutrient levels in Red delicious apple leaves were established as y=-6.780x + 8.913， y=-1.813x + 1.158， y=-25.196x + 22.872， in which x was the component values of leaf color characteristics G/B， g， G/R， respectively. The correlation coefficients between the predicted value and the measured value of nitrogen， phosphorus and potassium which reached 0.721 （extremely significant）， 0.522 （significant） and 0.644 （extremely significant）， respectively， can reflect the nutritional level of Red delicious apple leaves reliably.

Key words：Red delicious apple;Leaf blade;Image processing;Nutritional level

長(zhǎng)期以來，果樹營(yíng)養(yǎng)分析基本采用化學(xué)分析的方法進(jìn)行，這種方法雖然準(zhǔn)確，但成本高，須采用破壞性的檢測(cè)手段，生產(chǎn)者很難做到[1 ]。由于營(yíng)養(yǎng)成分的不同，樹體葉片具有不同的光譜反射特性，因此通過研究葉片的光譜反射特性，可進(jìn)行作物識(shí)別、葉面積測(cè)定[2 ]，對(duì)葉片圖像數(shù)字處理進(jìn)行營(yíng)養(yǎng)水平的分析[3 - 4 ]。近年來，計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)廣泛應(yīng)用于生物、醫(yī)學(xué)、建筑、工業(yè)生產(chǎn)、氣象、資源調(diào)查、災(zāi)害檢測(cè)中的航拍和衛(wèi)星圖像的解析等領(lǐng)域[5 ]，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的研究和應(yīng)用已顯現(xiàn)出巨大的發(fā)展?jié)摿?，通過圖像處理技術(shù)診斷作物營(yíng)養(yǎng)狀況的研究正成為機(jī)器視覺在農(nóng)業(yè)應(yīng)用中的熱門課題[6 - 7 ]。我們通過對(duì)花牛蘋果葉片圖像的數(shù)字化處理，探討花牛蘋果葉片顏色與樹體營(yíng)養(yǎng)水平的關(guān)系，建立元帥系蘋果葉片氮磷鉀營(yíng)養(yǎng)元素估算模型，為快速有效無損檢測(cè)和判斷元帥蘋果葉片營(yíng)養(yǎng)狀況，實(shí)現(xiàn)元帥蘋果田間智能化管理提供支撐。

1? ?材料與方法

1.1? ?葉樣采集

2021年果實(shí)緩慢膨大期（7月18 — 19日），于天水市果樹研究所12年生蘋果種質(zhì)資源圃和甘谷縣白家灣鄉(xiāng)康家坪村15年生蘋果園，選擇長(zhǎng)勢(shì)、葉色不同的天汪1號(hào)蘋果單株，在樹冠四周選1年生枝條，每株采集中部葉20片，共采集葉樣28份。

1.2? ?葉樣圖像的獲取

將采集葉樣保鮮帶回實(shí)驗(yàn)室，每樣株選擇干凈、完整、無損的10片葉，放置在鋪有黑色背影板的微型攝影棚（60 cm×60 cm×60 cm）中，棚內(nèi)頂部配置40 W? LED補(bǔ)光燈2支，棚頂開口利用數(shù)碼相機(jī)固定垂直拍攝。數(shù)碼相機(jī)以自曝光與色彩自平衡模式，拍攝葉片圖像，圖像以JPG格式傳入計(jì)算機(jī)。

1.3? ?葉片氮、 磷、 鉀營(yíng)養(yǎng)指標(biāo)的檢測(cè)

每份樣品隨機(jī)選擇10片葉利用葉面積儀測(cè)定葉面積。全部葉片按營(yíng)養(yǎng)元素檢測(cè)方法要求，進(jìn)行清洗、烘干、研磨、過篩處理后，送甘肅省農(nóng)業(yè)工程技術(shù)研究院集中檢測(cè)氮、磷、鉀營(yíng)養(yǎng)元素。氮使用凱氏定氮儀法、磷使用釩鉬黃吸光光度法、鉀使用火焰原子吸收分光光度法檢測(cè)。

1.4? ?葉片數(shù)字圖像的分析處理

葉片圖像顏色特征數(shù)據(jù)采用Adobe Photshop cc 2014軟件提取。在工具面板選吸管工具，在“窗口”下拉菜單的“信息”中讀取葉片紅R、綠G、藍(lán)B各圖像值，取值盡可能避開葉脈、高光點(diǎn)、陰影部位等，每葉取5個(gè)點(diǎn)，用于計(jì)算單株葉片紅R、綠G、藍(lán)B平均值。由于圖像顏色R、G、B分量值易受拍攝光照等的影響，因此數(shù)據(jù)分析中采用r=R/（R+G+B）、g= G /（R+G+B）、b=B /（R+G+B）以及R、G、B的其他簡(jiǎn)單算術(shù)組合，來降低光源等對(duì)顏色特征值的影響[8 ]。

1.5? ?數(shù)據(jù)的利用與分析

從采集的28份葉樣數(shù)據(jù)中隨機(jī)選擇18份建立估算模型，其余10份用于模型檢驗(yàn)。用SPSS 12.0和Excel 2007軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

2? ?結(jié)果與分析

2.1? ?葉樣圖像顏色與氮營(yíng)養(yǎng)水平的對(duì)比分析

圖1為18份建模葉樣圖像。表1為18份葉樣葉面積、圖像R、G、B計(jì)算機(jī)的分析平均值及r、g、b分量和各參數(shù)簡(jiǎn)單比值及葉樣氮、磷、鉀含量的平均值。從圖1、表1可以看出，18份樣品中，平均葉面積為3.61～32.41 cm2，最大值是最小值的8.98倍;氮營(yíng)養(yǎng)水平1.89%～2.76%，相比較甘肅省元帥系蘋果葉營(yíng)養(yǎng)診斷指標(biāo)[9 ]，氮素含量最大值（2.76%）高于26.1%的過高值、最小值（2.19%）低于2.31%的缺乏值。從圖片的排列順序可知，葉片大小同氮素營(yíng)養(yǎng)水平的高低沒有規(guī)律性，而葉色從淡黃至深綠變化時(shí)氮元素含量呈從低到高的態(tài)勢(shì)，故生產(chǎn)中可從葉片的顏色深淺判斷氮元素的高低。

2.2? ?葉片顏色特征分量與氮、 磷、 鉀營(yíng)養(yǎng)含量的相關(guān)性分析

表2為元帥系蘋果葉面積、葉片顏色分量值與氮、磷、鉀含量的相關(guān)性分析結(jié)果。結(jié)果表明，葉片大小與氮、磷、鉀含量相關(guān)性表現(xiàn)為不顯著相關(guān)。氮元素與b、R/B、B/R、G/B、B/G、B（R+G）分量表現(xiàn)為極顯著相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.598、-0.674、0.608、-0.729、0.627、0.626，最高相關(guān)系數(shù)達(dá)到-0.729;與G、r、g、R（G+B）、G（R+B）分量為顯著相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為-0.538、-0.571、-0.520、-0.570、-0.550，最高相關(guān)系數(shù)達(dá)到-0.571。磷元素與g、b、B/R、B/G、G/（R+B）、B（R+G）分量表現(xiàn)為顯著相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為-0.529、0.504、0.505、0.526、-0.520、0.513，最高相關(guān)系數(shù)為-0.529。鉀元素與R、G、R/G、G/R分量同葉片為極顯著相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.633、0.597、0.649、-0.642，最高相關(guān)系數(shù)達(dá)0.649。與r、R/B、R （G +B）分量為顯著相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為-0.571、0.502、0.502，最高相關(guān)系數(shù)達(dá)-0.571。

2.3? ?葉片顏色特征分量與氮、 磷、 鉀營(yíng)養(yǎng)含量估算模型的構(gòu)建

根據(jù)表2分析結(jié)果，選擇葉片顏色特征分量與葉片營(yíng)養(yǎng)元素的最高顯著相關(guān)特征參數(shù)，建立元帥系蘋果葉片氮、磷、鉀營(yíng)養(yǎng)含量估算模型。

用與元帥系蘋果葉片氮元素含量相關(guān)性極為顯著葉片顏色特征分量G/B作為評(píng)價(jià)元帥系蘋果葉片氮元素含量的特征量進(jìn)行建模，用g分量作為評(píng)價(jià)元帥蘋果葉片磷含量的特征量建模，用G/R分量作為評(píng)價(jià)元帥系蘋果葉片鉀含量的特征量建模。

由圖2、圖3、圖4分別可得，氮元素的回歸方程為y=-6.780x+8.913（x為顏色分量G/B值）、磷元素的回歸方程為y=-1.813x+ 1.158（x為顏色分量g值）、鉀元素的回歸方程為y=-25.196x+22.872（x為顏色分量G/R值）。

2.4? ?葉片顏色特征值與氮、磷、鉀含量回歸模型的可靠性分析

將圖2、圖3、圖4獲得的氮、磷、鉀3組回歸方程 ，用預(yù)留的10份樣品實(shí)測(cè)氮、磷、鉀含量進(jìn)行可靠性檢驗(yàn)。

圖5、圖6、圖7為元帥系蘋果葉片氮、磷、鉀含量預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值的對(duì)比，可以看出，氮、鉀含量預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值的擬合系數(shù)分別為0.721、0.644，達(dá)到極顯著水平，磷含量的擬合系數(shù)為0.522，達(dá)到顯著水平。直線斜率在0.935以上，截距幾近為0，說明模型可以較準(zhǔn)確的通過葉片顏色特征來預(yù)測(cè)葉片氮、磷、鉀的含量。

3? ?結(jié)論與討論

利用元帥系蘋果葉片圖像的數(shù)字化處理，獲取圖像紅R、綠G、藍(lán)B分量值。通過對(duì)R、G、B值及簡(jiǎn)單算術(shù)組合同葉片氮、磷、鉀營(yíng)養(yǎng)含量相關(guān)性的分析，顯示G/B、g和G/R分量值，可用于定量估算葉片N、P、K元素含量。天水元帥系蘋果葉片氮、磷、鉀營(yíng)養(yǎng)水平估算模型，氮為y=-6.780x+ 8.913、磷為y=-1.813x+1.158、鉀為y=-25.196x+ 22.872，其中x分別為葉片顏色特征G/B、g和G/R的分量值。氮、磷、鉀預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值相關(guān)系數(shù)分別達(dá)到極顯著（0.721）、顯著（0.522）、極顯著（0.644）水平，可較為可靠的反映葉片的營(yíng)養(yǎng)水平。

化學(xué)方法檢測(cè)蘋果葉片營(yíng)養(yǎng)元素豐缺技術(shù)要求高、費(fèi)時(shí)費(fèi)力[9 ]，利用計(jì)算機(jī)圖像數(shù)字處理技術(shù)，在建立估算模型的基礎(chǔ)上，分析簡(jiǎn)單，容易操作，在用于指導(dǎo)果樹施肥的同時(shí)，也可以作為開發(fā)便攜式樹體營(yíng)養(yǎng)診斷儀的設(shè)計(jì)依據(jù)。我們只對(duì)天水元帥系蘋果葉片圖像顏色特征與氮、磷、鉀含量關(guān)系方面進(jìn)行了探討，對(duì)由不同拍攝設(shè)備、光源以及不同拍攝方式等原因引起的葉片圖像色度值的變化沒有進(jìn)行分析，還需進(jìn)一步研究。

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收稿日期：2021 - 12 - 02

基金項(xiàng)目：天水市科技支撐項(xiàng)目“天水花牛蘋果葉片營(yíng)養(yǎng)分析應(yīng)用研究”（2020-NCK-7871）。

作者簡(jiǎn)介：楊煥昱（1968 — ），男，甘肅甘谷人，主要從事果樹栽培技術(shù)研究、示范推廣及科研管理工作。聯(lián)系電話：（0）13830827568。

執(zhí)? 筆? 人：李幗英。