基于高光谱成像技术的生菜冠层含水率检测

0 引言

生菜是典型的叶菜类蔬菜，其生长期间需水量大，水分直接影响生菜的长势、品质和产量[1]。因此，快速、准确测定生菜的含水率对实时监测生菜植株长势具有重要意义。近年来，光谱分析技术作为一种间接分析方法已广泛应用于作物生理信息的定量检测，具有快速、无损的优点，弥补了传统检测方法破坏样本的不足[2-3]。但光谱技术无法体现整个视场区域的光谱分布，且易受背景噪声影响[4]。高光谱成像技术兼具光谱分析技术和机器视觉技术的优势，在农业[5]、医学[6]、食品[7]等领域中得到了广泛应用。

近年来，国内外学者利用高光谱成像技术对作物含水率进行了检测研究。文献[8]对玉米幼苗叶片的高光谱图像数据进行降维处理，结合使用支持向量机和粒子群算法建立了预测模型，实现了对玉米叶片含水率的定量预测，预测集相关系数为0.768 4。文献[9]提取波长1 420 nm光谱图像的纹理特征和灰度特征，并建立偏最小二乘回归(Partial least squares regression, PLSR)模型，实现了对生菜叶片含水率的定量预测，预测集相关系数为0.902。文献[10-11]研究了光谱特征筛选方法和建模方法，先后对生菜叶片和油麦菜叶片的高光谱图像进行分析，并建立了定量预测模型，预测集平均相对误差分别为9.323%和2.95%。上述研究针对单个叶片的光谱数据，采用特征提取算法和建模方法建立了定量预测模型，但冠层光谱易受光照、土壤背景的影响，使高光谱图像噪声非常大，导致基于叶片的水分预测模型不适用于整株冠层水分及分布情况的预测[12]。因此，对冠层叶片进行定量检测研究非常重要。目前，高光谱成像技术已经应用在玉米苗期冠层[13]、柑橘冠层[14]等定量检测中，但对叶菜类冠层含水率的研究却鲜有报道。

本文以莲座期至结球期的生菜为研究对象，获取不同含水率的生菜冠层高光谱信息和对应的冠层含水率，采用二值化法和光强校正方法去除光谱图像的噪声，组合使用蒙特卡罗无信息变量消除法(Monte Carlo uninformative variable elimination, MCUVE)、基于最小绝对收缩和选择算法(The least absolute shrinkage and selection operator, LASSO)、连续投影法(Successive projections algorithm, SPA)3种降维方法筛选特征波长，采用偏最小二乘法(PLS)建立生菜冠层含水率预测模型，并选择最优模型，以期为生菜冠层含水率的高光谱快速检测提供一种参考方法。

1 材料与方法

1.1 试验设计

试验样本选用意大利全年耐抽苔生菜，采用盆栽土培方式培育，于2020年5月20日至7月25日在江苏大学现代农业装备与技术实验室内进行。将3～5颗种子放入每个花盆中培育，待其长到“五叶一心”时，每盆留下一株长势状况相似的幼苗，并充分灌溉。选用6种水分控制处理方式，每种处理为30个盆栽，采用滴箭(SLD109+SLD012型，广州顺绿喷灌设备有限公司)灌水。6种处理[15-16]分别为：设定计划湿润层为15 cm，保持土壤含水率分别为田间持水量的40%～50%、50%～60%、60%～70%、70%～80%、80%～90%、90%～100%。每天用土壤水分传感器(HM-WSY型,山东恒美科技电子有限公司)测量各处理下的土壤含水率，当土壤含水率到达下限时，灌水至土壤含水率达到上限。

1.2 数据采集

试验采用GaiaField型便捷式高光谱成像系统(四川双利合谱科技有限公司)采集生菜冠层高光谱信息，系统主要由高光谱成像仪(GaiaField Pro-V10E型，内置推扫)、成像镜头(HSIA-OLE23型)、校正白板(HSIA-CT-250*280型)、专用测试架(HSIA-TP-L型，包含均匀光源)和数据采集软件(SpecView)组成，如图1所示。成像仪的标称光谱范围为400～1 000 nm(实际为391.6～1 018 nm)，光谱分辨率为2.8 nm，设176个光谱通道数。

图1 高光谱成像系统Fig.1 Hyperspectral imaging system1.高光谱成像仪 2.镜头 3.光源 4.专用测试架 5.载物台 6.生菜样本 7.监视器

为了减小自然光的影响，在昏暗的环境中进行试验，将镜头与冠层顶部距离设置为75 cm，曝光时间设置为2.5 ms[17]。为消除光照强度和相机内暗电流噪声对光谱图像质量的影响，对光谱数据进行黑白校准[18]。在试验条件下，获取标准白板的高光谱图像数据W。盖上CCD相机镜头，获取黑板的高光谱图像数据B，原始图像校正公式为

式中I——生菜冠层原始光谱数据

R——校正后的生菜冠层光谱数据

使用Matlab R2018a软件，校正光谱图像、处理分析光谱数据。

1.3 冠层干基含水率测定

采用干燥法测定冠层含水率，去根取出生菜叶片称其鲜质量m1。先在恒温105℃干燥箱下杀青30 min，然后调至80℃干燥至恒质量，并测其干质量m2。冠层样本的干基含水率w[19]计算公式为

文章来源：《无损检测》 网址: http://www.wsjczzs.cn/qikandaodu/2021/0513/534.html