[发明专利]基于高光谱成像的整株水稻叶绿素含量测量装置及方法

说明书

技术领域

本发明涉及机器视觉检测技术领域，具体为一种基于高光谱成像的整株水稻叶绿素含量测量装置及方法。

背景技术

水稻是中国的主要粮食作物，解决粮食问题主要依靠提高水稻的单产。水稻表型参数的高通量数字化测量为筛选和鉴定水稻品种提供了强有力的技术支撑。在水稻表型测量研究中，叶绿素含量是一个非常重要的指标。它是植物细胞组成的基本物质，广泛的分布在细胞的叶绿体中，是植物进行光合作用的最基本色素，并且与植物的营养吸收密切相关，被广泛作为检测植物状态的重要指示因子。如何快速、准确和方便的测量植物叶片叶绿素含量，对于遗传育种和作物栽培研究具有十分重要的意义。目前叶绿素的测量方法主要分为直接测量方法和间接测量法。直接测量方法主要是使用分光光度法，对植物有损，且操作繁琐，不适用于高通量大规模在线检测平台上。间接测量法则利用了色素的生物化学特点，主要有光谱指数法和便携式叶绿素仪法。很多光谱指数不具有适应性，测量结果可推广性差。且一般获取光谱指数的方法是是使用分光辐射度计或者多光谱，数据较少，分辨率较低。便携式叶绿素仪则需直接与叶片接触，不适用于高通量表型在线检测平台。

发明内容

本发明的目的是为了克服上述不足提供一种基于高光谱成像的整株水稻叶绿素含量测量装置及方法。

一种基于高光谱成像的整株水稻叶绿素含量测量装置，包括用于提供稳定的成像环境的暗室、第一光源、第二光源、用于调整第一光源和第二光源的亮度和发散角度的光源控制器、工作站计算机、高光谱相机、第一接近开关、第二接近开关、平移台以及平移台控制器，所述高光谱相机、第一光源、第二光源、第一接近开关、第二接近开关以及平移台均位于暗室内，所述第一光源和第二光源均与光源控制器相连，所述平移台与平移台控制器相连，所述第一接近开关、第二接近开关、高光谱相机、平移台控制器以及光源控制器均与工作站计算机相连。

基于高光谱成像的整株水稻叶绿素含量测量方法包括以下步骤：

001、建立高光谱成像系统；

002、使用所述的高光谱成像系统采集每盆水稻的光谱数据；

003、人工测量每盆水稻的叶绿素含量；

004、根据步骤002和步骤003得到数据，由工作站计算机3对光谱数据进行处理，提取光谱指数，对叶绿素和光谱指数进行建模，得到叶绿素的预测模型，在之后的实验中，只需拍摄光谱数据，即可计算得到整株水稻的叶绿素含量。

所述步骤001包括以下步骤：

011、装配好所述的测量装置，计算物距和平移台的移动速度，物距的计算公式为(其中f为相机焦距，H为需要拍摄的像平面物体高度，h为相机CCD的高度，L为物距)，如果需要拍摄无形变的物体，则平移台在相机采集完当前帧需要移动的距离为(其中H为需要拍摄的像平面物体高度，N_h为相机CCD在高度方向的像素个数)，此时平移台的移动速度为如果需要拍摄无冗余数据的物体，则平移台需要移动的距离为(其中S为相机狭缝宽度，w为相机CCD单个像素的宽度)，此时平移台的移动速度为

012、设置高光谱相机的参数，由于曝光时间和单帧重复次数对系统采集速度的影响最大，空间分辨率对采集速度无影响，所以保持高光谱相机在空间方向最大分辨率。

所述步骤002包括以下步骤：

021、打开光源控制器、平移台控制器、高光谱相机和工作站计算机；

022、使用高光谱相机拍摄暗电流I_b和白板I_w数据；

023、将盆栽水稻置于平移台上，并控制平移台匀速移动，高光谱相机开始拍摄，EMCCD输出的原始灰度数据为I_o，将采集到的原始灰度数据进行暗电流和白板校正，最后系统保存的数据为I，即物体的反射率并将校正后的结果不断存入二进制数据流；

024、拍摄完一株盆栽水稻后，平移台回到原点，同时检查步骤023中的缓存数据是否全部存储完毕；

025、将新的样本重复步骤023和024。

所述步骤003包括以下步骤：

031、将整株水稻的每片叶片取下；

032、使用叶绿素含量测定仪测量每片叶片的叶绿素含量，对每片叶片的同一个区域测量两次；

033、计算整株水稻的所有叶片测量值的平均值，作为被测整株水稻的叶绿素含量。

所述步骤004包括以下步骤：

041、将步骤023中的二进制数据流重新整合提取为不同波长下的图像；