基于图像特征的草莓叶片含水率检测模型.pdf

收 稿 日 期 2020 05 14 基 金 项 目 甘 肃 农 业 大 学 学 科 建 设 专 项 基 金 项 目 GAU XKJS 2018 188 甘 肃 省 高 等 学 校 产 业 支 撑 引 导 项 目 2019C 11 第 一 作 者 简 介 符 凯 娟 1995 女 硕 士 研 究 生 主 要 从 事 图 像 处 理 的 研 究 E mail 18809487363 通 讯 作 者 冯 全 1969 男 教 授 博 士 主 要 从 事 农 业 信 息 化 计 算 机 视 觉 的 研 究 E mail fquan S 第48 卷 第8 期 2020 年8 月 林 业 机 械 与 木 工 设 备 FORESTRYMACHINERY2 甘 肃 农 业 大 学 园 艺 学 院 甘 肃 兰 州730070 摘 要 提 取32 种 草 莓 叶 片 颜 色 特 征 及 叶 面 积 运 用 回 归 方 法 分 别 分 析 这32 种 颜 色 特 征 以 及 叶 片 投 影 面 积S 与 叶 片 含 水 率y 之 间 的 关 系 从 中 筛 选 出 最 能 反 应 叶 片 含 水 率 变 化 的 图 像 特 征 建 立 最 优 的 草 莓 叶 片 含 水 率 预 测 模 型 结 果 显 示 在 单 变 量 回 归 分 析 中 G R B G 和S 与 叶 片 含 水 率 之 间 的 关 系 最 为 显 著 相 关 系 数 分 别 为0 769 0 766 分 别 建 立 叶 片 含 水 率 预 测 模 型 为y 1 0 081x G R B G 0 640 y 2 0 272x S 0 468 进 一 步 分 析 了 叶 片 含 水 率 与 颜 色 特 征 和 面 积 两 种 因 素 的 关 系 结 果 显 示 对 于 每 种 颜 色 特 征 与S 的 组 合 其 与 含 水 率 的 相 关 系 数 都 得 到 了 显 著 提 高 其 中G S B S 的 相 关 系 数 分 别 为0 916 0 911 建 立 的 预 测 模 型 分 别 是y 3 0 273x S 0 155x G 0 311 y 4 0 272x S 0 054x B 0 417 通 过 验 证 数 据 检 验 发 现 模 型y 4 的 预 测 准 确 性 最 好 拟 合 度 达80 5 关 键 词 草 莓 图 像 特 征 叶 片 含 水 率 预 测 模 型 中 图 分 类 号 S776 文 献 标 识 码 A 文 章 编 号 2095 2953 2020 08 0027 08 StrawberryLeafWaterContentDetectionModelBasedonImageFeatures FUKai juan 1 FENGQuan 1 CHENBai hong 2 1 CollegeofMechanicalandElectricalEngineering GansuAgriculturalUniversity LanzhouGansu730070 China 2 CollegeofHorticulture GansuAgriculturalUniversity LanzhouGansu730070 China Abstract The32kindsofstrawberryleafcolorfeaturesandprojectedleafareaswereextracted Therelationshipsbe tween32kindsofcolorfeaturesandprojectedleafareaSandtheleafmoisturecontentywereanalyzedusingregres siononebyonesoastoselecttheimagefeaturewhichcanreflectthechangeoftheleafwatercontentbestandtoes tablishoptimalstrawberrybladewatercontentpredictionmodel Theresultsshowthatinthesinglevariableregression analysis therelationshipsbetween G R B G Sandtheleafwatercontentwerethemostsignificant withthe correlationcoefficientsbeing0 769and0 766respectively withtheestablishedleafwatercontentpredictionmodels beingy 1 0 081x G R B G 0 640andy 2 0 272x S 0 468respectively Furthermore therelationshipbetween theleafwatercontentandthetwofactors i e colorfeatureandareawereanalyzed withtheresultshowingthatthe correlationscoefficientsbetweeneachcombinationofcolorfeatureandSandthewatercontentwereallsignificantly林 业 机 械 与 木 工 设 备 第48 卷 improved withthecorrelationcoefficientsofG SandB Sbeing0 916and0 911respectively withtheestab lishedpredictionmodelsbeingy 3 0 155x G 0 273x S 0 311andy 4 0 054x B 0 272x S 0 417respectively It wasfoundthroughverificationdatainspectionthaty 4 modelhadthebestpredictionaccuracyandafittingdegree of80 5 Keywords strawberry imagefeature leafmoisturecontent predictionmodel 草 莓 原 产 自 南 美 全 世 界 共 有20000 多 个 品 种 1 是 一 种 喜 温 凉 和 光 的 植 物 草 莓 根 系 分 布 浅 蒸 腾 量 大 对 水 分 要 求 严 格 但 草 莓 在 不 同 生 长 期 对 水 分 的 要 求 又 稍 有 不 同 在 草 莓 果 实 生 长 和 成 熟 期 对 水 分 的 需 求 最 多 达80 以 上 作 物 水 分 大 部 分 由 叶 片 承 担 缺 水 则 会 导 致 作 物 叶 片 萎 缩 面 积 减 小 颜 色 短 期 加 深 等 情 况 2 目 前 草 莓 灌 溉 都 以 漫 灌 为 主 导 致 大 量 的 水 资 源 浪 费 研 究 草 莓 按 需 灌 溉 是 节 约 水 资 源 的 措 施 之 一 图 像 处 理 技 术 简 便 快 速 无 接 触 无 破 坏 性 被 认 为 是 现 代 无 损 检 测 的 重 要 技 术 之 一 3 7 一 些 学 者 利 用 图 像 特 征 对 部 分 作 物 水 分 检 测 进 行 了 研 究 主 要 集 中 在 棉 花 小 麦 葡 萄 玉 米 等 作 物 的 检 测 上 王 方 永 等 8 分 析 并 发 现 棉 花 颜 色 参 数G R 与 水 分 含 量 及 水 分 含 量 指 数 相 关 性 最 好 以G R 建 立 了 棉 花 水 分 含 量 及 水 分 含 量 指 数 预 测 模 型 预 测 精 度 达 到90 71 和91 02 Zakaluk 等 9 以 马 铃 薯 植 株 图 像 预 测 植 株 水 势 利 用 主 成 分 分 析 法 发 现 土 壤 氮 与 叶 片 反 射 率 呈 显 著 的 负 线 性 关 系 r 0 71 p 0 003 江 朝 晖 等 10 采 用 偏 最 小 二 乘 回 归 建 立 了 越 冬 期 小 麦 冠 层 图 像 特 征 与 冠 层 含 水 率 检 测 模 型 检 测 得 到 冬 小 麦 品 种 的 相 对 误 差 均 值 仅 为1 29 劳 东 青 等 11 以 温 室 大 棚 中 的 葡 萄 植 株 为 研 究 对 象 采 用 多 项 式 曲 线 拟 合 的 方 式 建 立 了 一 种 图 像 灰 度 均 值 的 含 水 率 估 算 模 型 模 型 的 相 关 系 数 达 到 70 83 韩 文 霆 等 12 采 用 信 息 灰 度 共 生 矩 阵 和 灰 度 直 方 图 分 析 抽 穗 期 玉 米 叶 片 与 含 水 率 的 关 系 研 究 得 到 叶 片 颜 色 特 征 均 值 与 含 水 率 的 关 系 模 型 决 定 系 数 为70 17 Kacira 13 和Takayama 等 14 建 议 把 西 红 柿 叶 子 的 垂 直 投 影 面 积 作 为 水 分 亏 缺 指 数 本 文 对 图 像 特 征 与 结 果 期 草 莓 叶 片 含 水 率 的 关 系 进 行 了 研 究 提 取 叶 片 图 像 的 RGB HSV 和 L a b 颜 色 模 型 中 的 多 种 颜 色 特 征 以 及 叶 片 投 影 面 积 对32 种 颜 色 特 征 以 及 投 影 面 积 与 草 莓 叶 片 含 水 率 的 关 系 进 行 相 关 性 回 归 分 析 从 中 筛 选 出 相 关 性 较 高 的 颜 色 特 征 建 立 草 莓 叶 片 水 分 的 预 测 模 型 由 于 图 像 传 感 器 的 成 本 低 本 文 的 研 究 结 果 可 为 草 莓 灌 溉 的 水 分 监 测 提 供 一 种 准 确 率 和 实 用 性 都 较 高 的 估 算 方 法 1 试 验 材 料 与 方 法 1 1 试 验 设 计 本 次 试 验 在 甘 肃 农 业 大 学 进 行 时 间 为2019 年 6 月 供 试 对 象 为 盆 栽 草 莓 品 种 为 宁 玉 土 壤 质 地 为 草 炭 和 珍 珠 岩 接 近 一 比 一 的 混 合 试 验 对 象 是 生 长 状 态 相 同 的30 盆 正 常 生 长 的 草 莓 其 中20 盆 作 为 建 模 组 10 盆 作 为 验 证 组 对 于 建 模 组 的 草 莓 又 随 机 分 为3 组 第1 组 作 为 对 比 组 对 这5 盆 草 莓 进 行 每 日 定 时 浇 水 至 饱 和 状 态 第2 组 也 有5 盆 该 组 试 验 期 间 不 做 浇 水 处 理 第1 2 组 每 天 拍 照 但 不 测 量 其 叶 片 含 水 率 这 样 做 的 目 的 是 可 以 连 续 观 察 草 莓 叶 片 随 水 分 减 少 时 图 像 特 征 的 变 化 情 况 由 于 本 文 叶 片 含 水 率 测 量 时 会 剪 掉 一 盆 草 莓 的 部 分 叶 片 对 于 连 续 监 测 叶 片 图 像 特 征 的 草 莓 无 法 测 量 其 含 水 率 故 本 文 采 用 了 替 代 法 即 对 于 建 模 组 其 余10 盆 作 为 第3 组 该 组 不 间 断 地 测 量 叶 片 含 水 率 作 为 第2 组 对 应 的 含 水 率 对 于 该 组 的 草 莓 试 验 开 始 后 前9 盆 每 天 测 定 一 次 每 次 一 盆 最 后 一 盆 是 在 试 验 开 始 后 的 第14 天 测 量 此 时 草 莓 因 缺 水 已 整 体 倒 伏 对 第2 3 组 草 莓 试 验 前 一 次 性 灌 溉 至 饱 和 随 后 再 不 浇 水 灌 溉 之 后 在 这 花 盆 土 壤 表 面 铺 一 层 稀 碎 纸 片 以 防 水 分 流 失 太 快 不 利 于 试 验 进 行 验 证 组 水 处 理 方 法 与 建 模 组 相 同 每 天 测 量 一 盆 草 莓 的 图 像 特 征 与 含 水 率 首 先 拍 照 然 后 测 量 含 水 率 持 续 10 天 1 2 含 水 率 测 定 1 2 1 叶 片 含 水 率 测 定 在 建 模 组 的 第3 组 中 随 机 挑 选1 盆 草 莓 均 匀 剪 下10 片 叶 子 并 放 在 铝 箔 中 使 用 精 度 为0 0001g 的 分 析 天 平 称 重 记 录 鲜 重x 1 然 后 将 叶 片 平 铺 于 8 2第8 期 符 凯 娟 等 基 于 图 像 特 征 的 草 莓 叶 片 含 水 率 检 测 模 型 A4 纸 上 放 置 在 型 号 为YHG 300 S 的 远 红 外 快 速 恒 温 干 燥 箱 内 进 行 干 燥 干 燥 温 度 为80 干 燥 时 间 约 为1h 干 燥 过 程 中 每15min 称 重 一 次 称 重 到 叶 片 重 量 误 差 小 于0 0004g 时 记 录 此 时 的 重 量x 2 则 可 通 过 计 算 得 到 叶 片 含 水 率y 叶 叶 片 投 影 面 积 相 对 值 叶 片 含 水 率 土 壤 含 水 率 变 化 趋 势 如 图1 所 示 由 图1 可 以 看 到 第4 天 的 叶 片 含 水 率 有 上 升 趋 势 第5 天 到 第7 天 缓 慢 递 减 随 后 呈 现 出 明 显 递 减 的 现 象 y 叶 x 1 x 2 x 1 100 图1 叶 片 投 影 面 积 相 对 值 叶 片 含 水 率 土 壤 含 水 率 变 化 趋 势 1 2 2 土 壤 含 水 率 测 定 在 测 完 叶 片 含 水 率 的 草 莓 花 盆 中 从 表 面 到 根 部 均 匀 取 土 壤 试 样 并 放 在 铝 箔 中 使 用 分 析 天 平 称 重 记 录 此 时 重 量z 1 然 后 放 入 预 设 温 度 为105 的 干 燥 箱 中 干 燥 干 燥 时 间 为4h 记 录 干 燥 后 的 重 量 为z 2 则 可 得 到 土 壤 含 水 率y 土 由 图1 可 知 土 壤 含 水 率 均 匀 递 减 并 且 第9 天 到 第14 天 的 水 分 流 失 最 明 显 y 土 z 1 z 2 z 1 100 1 3 图 像 获 取 图 像 采 集 使 用D1000 IR 120 Color 双 目 摄 像 仪 分 辨 率 为1280 480 该 仪 器 是 一 种 可 以 全 景 曝 光 并 应 用 在Windows 端 的 智 能 摄 像 仪 器 拍 摄 在 室 内 进 行 使 用 太 阳 自 然 光 源 拍 摄 时 间 为 早 上 9 00 12 00 采 集 的 图 像 以png 格 式 储 存 在 计 算 机 中 拍 摄 时 相 机 镜 头 朝 下 镜 头 光 轴 垂 直 于 地 面 拍 摄 过 程 中 将48 色 比 色 板 型 号 为Spyder CHECKR48 平 铺 于 盆 栽 草 莓 旁 边 调 整 位 置 使 比 色 板 完 整 显 示 在 双 目 镜 头 中 为 后 期 图 像 处 理 提 供 方 便 固 定 拍 摄 时 间 与 位 置 连 续 拍 照 观 察 直 至 草 莓 叶 片 全 部 萎 蔫 1 4 图 像 处 理 1 4 1 颜 色 校 正 由 于 拍 摄 环 境 是 室 内 各 个 花 盆 的 拍 摄 时 间 也 不 同 并 且 实 验 进 行 期 间 天 气 不 同 所 以 会 因 为 光 线 问 题 导 致 拍 摄 的 图 像 颜 色 出 现 人 眼 所 分 辨 不 了 的 差 异 因 而 使 用 图 像 处 理 软 件Lightroom5 7 和 图 像 校 正 软 件Spydercheckr 对 所 有 图 像 进 行 颜 色 校 正 校 正 前 后 的 图 像 样 例 如 图2 和 图3 所 示 1 4 2 图 像 分 割 图 像 颜 色 校 正 后 对 图 像 进 行 分 割 处 理 由 于 草 莓 叶 片 边 缘 有 细 小 锯 齿 人 工 精 细 分 割 图 像 非 常 耗 时 本 文 采 用 相 关 文 献 15 介 绍 的 算 法 进 行 图 像 分 割 该 算 法 先 通 过 目 标 检 测 方 法 检 测 到 每 张 叶 片 然 后 采 用 图 割 方 法 优 化 叶 片 颜 色 的 能 量 函 数 从 而 实 现 叶 片 分 割 实 验 发 现 该 算 法 能 细 致 地 分 割 出 叶 片 边 缘 对 图3 分 割 后 得 到 的 图 像 如 图4 所 示 1 5 叶 片 投 影 面 积 的 提 取 用 上 述 分 割 算 法 产 生 的 分 割 模 板 自 动 计 算 叶 片 面 积 由 于 拍 摄 时 镜 头 垂 直 朝 下 故 该 面 积 为 叶 片 的 垂 直 投 影 面 积S 图1 给 出 了 第1 组 和 第2 组 叶 片 投 影 面 积 的 均 值 在 试 验 期 间 的 变 化 趋 势 为 了 作 图 方 便 该 图 中 分 别 将 第 一 天5 盆 叶 面 积 均 值 作 为 基 9 2林 业 机 械 与 木 工 设 备 第48 卷 准 试 验 期 间 其 他 各 天 测 得 的 投 影 面 积 均 值 除 以 基 准 值 作 为 相 对 投 影 面 积 以 下 分 析 中 所 述 面 积 均 为 相 对 面 积 可 以 看 出 第1 组 由 于 每 日 定 时 浇 水 至 饱 和 状 态 所 以 叶 面 积 几 乎 没 有 变 化 而 第2 组 在 刚 开 始 的3 天 里 花 盆 有 充 足 水 分 叶 面 积 几 乎 没 有 变 化 其 后 随 着 水 分 流 失 叶 面 积 开 始 逐 渐 减 小 图2 叶 片 原 图 图3 叶 片 校 正 图 图4 分 割 后 叶 片 图 1 6 颜 色 特 征 提 取 在 以 往 的 研 究 文 献 中 研 究 者 使 用 了 多 种 颜 色 特 征 建 立 不 同 植 物 叶 片 含 水 率 模 型 16 21 这 些 特 征 来 自 于RGB HSV 和L a b 颜 色 模 型 RGB 是 最 基 本 的 颜 色 模 型 其 中R G 和B 分 别 是 图 像 的 红 绿 和 蓝 色 分 量 与 人 对 颜 色 的 主 观 感 知 相 一 致 不 足 之 处 在 于 光 照 强 度 变 化 时 各 分 量 值 也 随 之 变 化 HSV 是 由 色 相 H 饱 和 度 S 和 亮 度 V 组 合 的 一 种 色 彩 模 式 可 将 亮 度 与 颜 色 分 离 L a b 是 一 种 人 眼 可 以 看 到 所 有 色 彩 的 色 彩 模 式 L 是 光 度 分 量 a b 为2 个 色 度 分 量 a 表 示 从 绿 到 红 b 表 示 从 蓝 到 黄 前 人 研 究 表 明 与 不 同 植 物 含 水 率 关 系 最 为 密 切 的 颜 色 特 征 是 不 同 的 本 试 验 收 集32 种 与 叶 片 含 水 率 相 关 的 颜 色 特 征 分 别 对 其 与 叶 片 含 水 率 进 行 回 归 分 析 寻 找 最 适 合 表 征 草 莓 叶 片 含 水 率 的 颜 色 特 征 见 表1 本 文 对 分 割 后 的 叶 片 图 像 按 像 素 求 出 平 均 的R G B 值 然 后 利 用MATLAB 编 程 求 出 其 他 颜 色 特 征 的 值 2 数 据 分 析 2 1 叶 片 含 水 率 与 颜 色 特 征 的 相 关 性 分 析 为 了 全 面 研 究 叶 片 含 水 率 与 叶 片 图 像 颜 色 特 征 的 关 系 提 取 了 校 正 后 叶 片 图 像 的32 种 颜 色 特 征 并 且 通 过 回 归 分 析 发 现 每 一 个 特 征 对 目 标 值 都 有 不 同 程 度 的 影 响 结 果 见 表2 表1 颜 色 特 征 颜 色 特 征 颜 色 特 征 定 义 颜 色 特 征 颜 色 特 征 定 义 R 图 像 红 光 值 Imageofredvalue 2G R B 过 绿 指 标 Overgreenindicator G 图 像 绿 光 值 Imageofgreenvalue 2g r b 归 一 化 过 绿 指 标 Normalizedovergreenindicator B 图 像 蓝 光 值 Imageofbluevalue G B G B 绿 光 与 蓝 光 差 值 占 绿 光 与 蓝 光 之 和 的 比 例 Ratioofsubtractiongreenandbluetothesumofgreenandblue R 红 光 标 准 化 值 Redstandardization G R G B 绿 光 与 红 光 差 值 占 绿 光 与 蓝 光 之 和 的 比 例 Ratioofsubtractiongreenandredtothesumofgreenandblue G 绿 光 标 准 化 值 Greenstandardization g r 绿 光 与 红 光 的 差 值 在 图 像 中 所 占 的 比 例 Ratioofthesubtractiongreenandredintheimage B 蓝 光 标 准 化 值 Bluestandardization g b 绿 光 与 蓝 光 的 差 值 在 图 像 中 所 占 的 比 例 Ratioofthesubtractiongreenandblueintheimage G R 绿 光 与 红 光 的 差 值 Subtractionofgreenandred r b 红 光 与 蓝 光 的 差 值 在 图 像 中 所 占 的 比 例 Ratioofthesubtractiongreenandblueintheimage 0 3第8 期 符 凯 娟 等 基 于 图 像 特 征 的 草 莓 叶 片 含 水 率 检 测 模 型 续 表1 颜 色 特 征 颜 色 特 征 定 义 颜 色 特 征 颜 色 特 征 定 义 G B 绿 光 与 蓝 光 的 差 值 Subtractionofgreenandblue r b 红 光 标 准 化 值 与 蓝 光 标 准 化 值 的 比 值 Ratioofrednormalizedvaluetobluenormalizedvalue R B 红 光 与 蓝 光 的 差 值 Subtractionofredandblue b g 蓝 光 标 准 化 值 与 绿 光 标 准 化 值 的 比 值 Ratioofbluenormalizedvaluetogreennormalizedvalue G R 绿 光 与 红 光 的 比 值 Ratioofgreentored G R B 绿 光 与 红 光 差 值 占 蓝 光 的 比 值 Ratioofsubtractiongreenandredtoblue G B 绿 光 与 蓝 光 的 比 值 Ratioofgreentoblue V 图 像 明 亮 程 度 Degreeofimagebrightness G R B 绿 光 与 红 光 和 蓝 光 之 和 的 比 值 Ratioofgreentothesumofredandblue S 图 像 饱 和 度 大 小 Imagesaturationsize R G B 红 光 与 绿 光 和 蓝 光 之 和 的 比 值 Ratioofredtothesumofgreenandblue H 图 像 色 调 大 小 Imagehuesize B R G 蓝 光 和 红 光 与 绿 光 之 和 的 比 值 Ratioofbluetothesumofredandgreen L 色 彩 亮 度 Colorbrightness G R B G 绿 光 与 红 光 差 值 占 蓝 光 与 绿 光 差 值 的 比 例 Ratioofthesubtractiongreenandred tothesubtractionblueandgreen a 图 像 色 彩 从 洋 红 色 至 绿 色 的 范 围 Imagecolorrangefrommagentatogreen G B G R 绿 光 与 蓝 光 差 值 占 绿 光 与 红 光 差 值 的 比 例 Ratioofthesubtractiongreenandblue tothesubtractiongreenandred b 图 像 色 彩 从 黄 色 至 蓝 色 的 范 围 Imagecolorrangefromyellowtoblue 表2 叶 片 颜 色 特 征 与 叶 片 含 水 率 的 关 系 颜 色 特 征 R R 2 标 准 误 差 颜 色 特 征 R R 2 标 准 误 差 10 2 G R B G 0 769 0 592 1 711 g r 0 474 0 224 2 359 G R 0 743 0 552 1 792 G B G B 0 470 0 221 2 364 R B 0 639 0 408 2 061 b 0 468 0 219 2 367 r 0 638 0 407 2 062 g b 0 451 0 203 2 391 L 0 636 0 404 2 068 r b 0 434 0 189 2 413 R G B 0 633 0 400 2 075 G B 0 399 0 159 2 456 G R 0 590 0 348 2 164 G B 0 394 0 155 2 462 G B G R 0 589 0 347 2 165 G R G B 0 378 0 143 2 480 H 0 560 0 314 2 219 G R B 0 346 0 120 2 512 S 0 555 0 308 2 229 g 0 346 0 120 2 513 r b 0 552 0 305 2 233 2g r b 0 346 0 120 2 513 B R G 0 513 0 263 2 299 R 0 325 0 106 2 533 b 0 503 0 253 2 315 a 0 214 0 046 2 617 G 0 499 0 249 2 322 G R B 0 179 0 032 2 635 B 0 494 0 244 2 330 V 0 169 0 029 2 640 b g 0 485 0 235 2 342 2G R B 0 029 0 001 2 677 注 列 表 中R 为 相 关 系 数 R 2 是 相 关 系 数R 的 平 方 1 3林 业 机 械 与 木 工 设 备 第48 卷 由 表2 可 知 在 这32 种 颜 色 特 征 中 RGB 颜 色 模 型 的 G R B G G R R B r R G B 和L a b 颜 色 模 型 的L 与 叶 片 含 水 率 之 间 具 有 显 著 的 线 性 相 关 性 特 征 G R B G 在 显 著 性 水 平0 01 时 达 到 了 极 显 著 性 检 验 水 平 相 关 系 数 为 0 769 G R B G 的 校 正 测 定 系 数 为0 541 表 明 特 征 G R B G 能 说 明 叶 片 含 水 率 的 54 1 而 其 余45 9 需 要 其 他 特 征 来 解 释 对 与 叶 片 含 水 率 相 关 性 较 高 的 特 征 G R B G G R R B r R G B L 做 进 一 步 方 差 分 析 见 表3 由 表3 分 析 结 果 可 知 在 这6 种 颜 色 特 征 中 特 征 G R B G 的F 值 最 大 其 显 著 性p 小 于 0 01 所 以 特 征 G R B G 对 叶 片 含 水 率 有 非 常 显 著 的 影 响 即 可 用 特 征 G R B G 来 建 立 叶 片 含 水 率 预 测 模 型 2 2 叶 片 含 水 率 与 叶 面 积 的 相 关 性 分 析 本 文 主 要 分 析 第2 组 叶 片 投 影 面 积S 与 叶 片 含 水 率 之 间 的 关 系 变 化 趋 势 如 图1 所 示 在 花 盆 有 充 足 水 分 的 情 况 下 S 几 乎 没 有 变 化 其 后 随 着 水 分 流 失 S 开 始 逐 渐 减 小 S 与 叶 片 含 水 率 的 回 归 结 果 见 表4 p 0 01 0 05 且 相 关 系 数 达0 766 显 示S 与 叶 片 含 水 率 之 间 具 有 显 著 的 相 关 性 2 3 叶 片 含 水 率 与 叶 片 颜 色 特 征 和 叶 面 积 的 双 变 量 相 关 性 分 析 使 用 同 样 的 方 法 对 叶 片 颜 色 特 征 和S 与 叶 片 含 水 率 之 间 的 关 系 进 行 双 变 量 回 归 分 析 发 现 这32 种 颜 色 特 征 和S 与 叶 片 含 水 率 之 间 的 关 系 相 关 有23 种 组 合 特 征 与 叶 片 含 水 率 之 间 的 关 系 密 切 相 关 见 表5 表3 颜 色 特 征 与 叶 片 含 水 率 方 差 分 析 颜 色 特 征 SSR 10 3 MSE 10 3 F p 颜 色 特 征 SSR 10 3 MSE 10 3 F p G R B G 3 398 0 293 11 611 0 009 r 2 338 0 425 5 500 0 047 G R 3 170 0 321 9 871 0 014 R B 2 342 0 424 5 516 0 047 R G B 2 297 0 430 5 338 0 050 L 2 319 0 428 5 423 0 048 注 SSR 为 回 归 平 方 和 MSE 为 剩 余 均 方 差 F 是F 检 验 值 p 是 显 著 性 值 表4 叶 片 面 积 和 叶 片 含 水 率 相 关 性 分 析 特 征 R R 2 标 准 误 差 10 2 SSR 10 3 MSE 10 3 F p S 0 766 0 587 1 722 3 368 0 297 11 357 0 010 表5 颜 色 特 征 和 叶 面 积 与 叶 片 含 水 率 的 关 系 特 征 R R 2 标 准 误 差 10 2 特 征 R R 2 标 准 误 差 10 2 G S 0 916 0 839 1 149 b S 0 894 0 798 1 286 B S 0 911 0 831 1 178 S S 0 891 0 795 1 298 H S 0 908 0 824 1 200 V S 0 891 0 793 1 302 G R B G S 0 904 0 818 1 222 g b S 0 889 0 791 1 310 R S 0 904 0 817 1 226 G B G B S 0 888 0 789 1 315 r S 0 901 0 811 1 245 b S 0 886 0 786 1 326 B R G S 0 898 0 807 1 257 2g r b S 0 879 0 772 1 367 R G B S 0 897 0 805 1 263 g S 0 879 0 772 1 367 r b S 0 897 0 805 1 266 G R B S 0 875 0 766 1 385 b g S 0 896 0 803 1 272 G R S 0 860 0 740 1 461 R B S 0 896 0 802 1 273 G B S 0 859 0 737 1 468 L S 0 895 0 801 1 277 2 3第8 期 符 凯 娟 等 基 于 图 像 特 征 的 草 莓 叶 片 含 水 率 检 测 模 型 3 叶 片 含 水 率 模 型 与 验 证 3 1 叶 片 含 水 率 预 测 模 型 的 建 立 通 过 叶 片 含 水 率 与32 种 颜 色 特 征 以 及 叶 片 投 影 面 积S 的 相 关 性 分 析 可 知 在 单 变 量 回 归 分 析 中 颜 色 特 征 G R B G 与 叶 片 含 水 率 的 关 系 最 为 显 著 S 次 之 相 关 系 数R 分 别 为0 769 0 766 而 在 双 变 量 回 归 分 析 中 显 示 颜 色 特 征G B H 和S 与 叶 片 含 水 率 相 关 性 最 为 显 著 决 定 系 数R 2 分 别 为 0 839 0 831 0 824 本 试 验 对 颜 色 特 征 G R B G 和S 分 别 建 立 单 变 量 叶 片 水 分 预 测 模 型 以 及 对G S B S 建 立 了 双 变 量 叶 片 水 分 预 测 模 型 特 征 G R B G S 与 叶 片 含 水 率 之 间 的 散 点 图 分 别 如 图5 图6 所 示 回 归 方 程 分 别 见 式 1 式 2 图5 特 征 G R B G 与 叶 片 含 水 率 线 性 拟 合 图6 叶 面 积 与 叶 片 含 水 率 线 性 拟 合 y 1 0 081x G R B G 0 640 1 y 2 0 272x S 0 468 2 由G S B S 与 叶 片 含 水 率 的 回 归 分 析 建 立 的 双 变 量 叶 片 水 分 预 测 模 型 分 别 为 式 3 和 式 4 y 3 0 273x S 0 155x G 0 311 3 y 4 0 272x S 0 054x B 0 417 4 3 2 模 型 检 验 对 建 立 的 草 莓 叶 片 含 水 率 预 测 模 型 进 行 精 度 检 验 检 验 样 本 为 验 证 组 的10 个 数 据 检 验 结 果 见 表6 表6 回 归 模 型 检 验 叶 片 含 水 预 测 模 型 均 方 根 误 差 平 均 相 对 误 差 拟 合 度 y 1 0 105 0 140 0 670 y 2 0 022 0 001 0 629 y 3 0 016 0 118 0 756 y 4 0 017 0 018 0 805 由 表6 可 知 双 变 量 预 测 模 型 相 比 于 单 变 量 预 测 模 型 预 测 效 果 好 其 中 特 征B S 双 变 量 的 叶 片 含 水 率 预 测 模 型 的 预 测 效 果 最 好 拟 合 度 达0 805 且 平 均 相 对 误 差 和 均 方 根 误 差 值 均 小 于10 因 此 可 推 荐 以 特 征B S 作 为 草 莓 叶 片 水 分 含 量 的 最 佳 预 测 模 型 4 结 论 植 物 在 生 长 过 程 中 普 遍 存 在 逆 境 生 长 而 水 分 缺 乏 是 反 应 逆 境 生 长 的 一 种 形 式 合 理 的 含 水 量 在 植 被 功 能 等 方 面 同 样 发 挥 着 重 要 作 用 解 决 好 水 分 缺 乏 的 问 题 就 是 解 决 了 植 物 光 合 作 用 等 一 系 列 问 题 22 24 快 速 无 损 有 效 地 检 测 草 莓 的 生 长 状 况 是 现 代 精 细 管 理 的 基 础 草 莓 叶 片 含 水 率 能 够 直 观 地 反 映 出 草 莓 苗 的 生 长 以 及 草 莓 果 实 的 成 长 情 况 为 快 速 检 测 并 诊 断 草 莓 的 生 长 情 况 本 文 获 取 草 莓 叶 片 图 像 并 测 量 草 莓 叶 片 含 水 率 分 析 了 图 像RGB 颜 色 模 型 HSV 颜 色 模 型 和L a b 颜 色 模 型 下 的 多 种 颜 色 特 征 以 及 叶 片 投 影 面 积 与 叶 片 含 水 率 之 间 的 关 系 得 出 如 下 结 论 1 草