基于可視圖像光譜探測技術(shù)的植物葉片健康檢測系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，涉及植物葉片健康檢測系統(tǒng)，特別涉及一種基于可視圖像光譜探測技術(shù)的植物葉片健康檢測系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]植物病蟲害是植物生長的頭號天敵，不僅會導(dǎo)致經(jīng)濟作物的質(zhì)量和產(chǎn)量下降，還會引起農(nóng)藥等化學(xué)藥品無針對性的大量投入，導(dǎo)致的后果不僅對正常植物造成傷害，而且也帶來農(nóng)藥殘留、人體重金屬離子積累等危害人類健康的問題。因此如何快速準(zhǔn)確的對患病植物做出檢測，實現(xiàn)針對式治療及預(yù)防，是當(dāng)下農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的研究熱門。
[0003]傳統(tǒng)針對植物病蟲害檢測的方式主要有兩種，一是由人工判斷，二是通過酶活性化學(xué)進行檢測，這兩種方式都存在缺點。通過人工判斷容易受自身因素和外在天氣因素影響，如檢測人員自身的健康狀況、陽光照明情況等主客觀因素；化學(xué)檢測則對使用者的技術(shù)要求高，同時往往需要采摘活體葉片進行離體檢測，時效性較差，而且破壞活體葉片，不能達到無損檢測的要求。
[0004]健康的綠色植物，在可見光的照射下葉子會強烈吸收藍(lán)區(qū)和紅區(qū)的能量，而強烈反射綠區(qū)能量。遭受病蟲害的植物會減少甚至停止葉綠素的產(chǎn)生，這導(dǎo)致葉綠素的藍(lán)區(qū)和紅區(qū)吸收帶減弱，“紅區(qū)位置”將向短波方向移動，故“紅區(qū)位置”可以成為指示植物受病蟲害的重要光譜特征參數(shù)。
[0005]利用多光譜或高光譜成像是目前植物病蟲害檢測較為常用的兩種無損檢測技術(shù)。早在20世紀(jì)60年代，多光譜成像技術(shù)就已經(jīng)有學(xué)者提出，但該技術(shù)僅能簡單探測可見光和近紅外區(qū)域的幾個波段，且光譜分辨率只有A λ/λ =0.1數(shù)量級，這無法滿足植物病蟲害早期的預(yù)防檢測工作需求；高光譜成像技術(shù)相比多光譜，可探測的光譜范圍大大增大，可以在較寬光譜范圍內(nèi)連續(xù)采集圖像，光譜分辨率也提升為A λ/λ =0.01數(shù)量級。然而高光譜成像所成的圖像光譜數(shù)據(jù)是圖譜合一的海量數(shù)據(jù)源，圖像光譜數(shù)據(jù)的大小隨光譜分辨率數(shù)量級的提高而指數(shù)增長，數(shù)據(jù)存儲和分析比較困難，同時，高光譜圖像檢測需要進行光譜維的掃描，因此檢測的速度較慢，這對于數(shù)據(jù)存儲和分析，尤其對于數(shù)據(jù)分析實時性要求較高的場合，是一個很大的困難與挑戰(zhàn)。
[0006]而實際上，對于植物病蟲害的檢測并不需要對整株植物所有葉片都進行探測，往往只需針對性的對葉子上一個或幾個特征區(qū)域進行探測分析即可。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明為解決現(xiàn)有的基于光譜探測的植物健康診斷系統(tǒng)探測速度慢、分辨率不足、數(shù)據(jù)存儲及分析困難的問題，提供了一種基于可視圖像光譜探測技術(shù)的植物葉片健康檢測系統(tǒng)，該系統(tǒng)無需對所有的像素點進行光譜測量，這不僅提高了單次探測速度，也能將光譜分辨率提高到△ λ/λ = 0.0001數(shù)量級，滿足植物早期病蟲害預(yù)防檢測工作的精度需求。
[0008]為實現(xiàn)以上發(fā)明目的，采用的技術(shù)方案是:
[0009]一種基于可視圖像光譜探測技術(shù)的植物葉片健康檢測系統(tǒng)，包括圖像光譜探測部件、照明部件和第一暗箱，圖像光譜探測部件、照明部件安裝在第一暗箱內(nèi)；其中圖像光譜探測部件包括鏡頭、光分束立方體、面陣CCD相機、DMD數(shù)字微鏡元件、會聚透鏡組、光纖耦合器、光纖、光纖光譜儀和計算機，其中面陣CCD相機、DMD數(shù)字微鏡元件和光纖光譜儀與計算機連接，光纖光譜儀通過光纖與光纖耦合器連接；DMD數(shù)字微鏡元件中的微鏡單元有“開”、“關(guān)”兩種狀態(tài)；
[0010]圖像光譜探測部件在運行時，植物葉片的圖像信號通過鏡頭后形成入射光信號，入射光信號經(jīng)過光分束立方體后在空間中以大角度分成兩束，其中一束光信號聚焦至CCD相機進行圖像探測，另一束光信號聚焦至DMD數(shù)字微鏡元件，DMD數(shù)字微鏡元件上處于“開”狀態(tài)的微鏡單元將光信號反射至?xí)弁哥R組，通過會聚透鏡組的光信號經(jīng)光纖耦合器耦合進入光纖光譜儀進行光譜探測。
[0011]使用本發(fā)明提供的檢測系統(tǒng)時，先將檢測系統(tǒng)移動到待測植物的頂部再使待測植物從第一暗箱的底部開口進入第一暗箱，然后使用本發(fā)明提供的檢測系統(tǒng)對待測植物進行檢測。檢測的具體工作原理如下:
[0012]面陣CCD相機采集植物葉片的光信號并將采集的光信號傳輸至計算機，計算機對光信號進行處理后獲得圖像信息并將圖像信息進行顯示，用戶根據(jù)顯示的圖像信息，分析植物是否患病蟲害以及病蟲害的類型，若植物患病蟲害，在確定植物所患的病蟲害之后，在圖像信息中選取植物葉片患病部位的像素區(qū)域，并通過計算機控制DMD數(shù)字微鏡元件使患病部位像素區(qū)域?qū)?yīng)的微鏡單元切換至“開”狀態(tài)，同時其他無關(guān)像素單元切換至“關(guān)”狀態(tài)，即可通過光纖耦合器采集患病部位像素區(qū)域的光信號并將采集的光信號經(jīng)光纖傳輸至光纖光譜儀進行光譜測量，再將光譜信息傳輸至計算機進行顯示和分析，用戶將獲得的光譜信息與相應(yīng)植物病蟲害光譜數(shù)據(jù)庫做對比，即可得到待測植物的健康狀態(tài)。
[0013]上述方案中，檢測系統(tǒng)無需對所有的像素點進行光譜測量，這不僅提高了單次探測速度，在匹配高精度光纖光譜儀的條件下，該系統(tǒng)能將光譜分辨率提高到△ λ/λ =0.0001數(shù)量級，這足以滿足植物早期病蟲害預(yù)防檢測工作的精度需求。
[0014]優(yōu)選地，為了能夠使檢測系統(tǒng)使用的靈活性更強，減少用戶搬動植物所需的耗費的工作量，提高檢測效率，所述健康檢測系統(tǒng)還包括有第一暗箱移動控制部件，所述第一暗箱移動控制部件包括旋轉(zhuǎn)云臺、暗箱支撐臂、與暗箱支撐臂連接能夠使暗箱支撐臂做徑向運動的電控移動臺；電控移動臺、旋轉(zhuǎn)云臺的控制端與計算機連接，暗箱支撐臂的一端通過旋轉(zhuǎn)云臺與第一暗箱連接。用戶在進行檢測之前，先通過計算機控制電控移動臺使暗箱支撐臂沿電控移動臺做徑向移動直到第一暗箱位于植物的上方，再通過計算機控制旋轉(zhuǎn)云臺調(diào)整第一暗箱的傾斜角度使植物能夠更好地進入第一暗箱進行檢測。增設(shè)第一暗箱移動控制部件，能夠使在待檢測植物較多的情況下無需在每次檢測時搬動植物，因此能夠大大降低用戶的工作量，提高系統(tǒng)檢測的效率。
[0015]優(yōu)選地，為了能夠使檢測系統(tǒng)能夠適應(yīng)不同植物的高度自主調(diào)整第一暗箱的高度，所述暗箱支撐臂為伸縮臂。
[0016]優(yōu)選地，為了使檢測系統(tǒng)能夠在最佳的光照條件下進行圖像信息、光譜信息的獲取從而使得檢測結(jié)果更加的精確，所述照明部件的控制端與計算機連接。用戶在進行檢測的過程中，計算機通過面陣CCD相機獲取植物的葉片圖像，并計算圖像的曝光度，將曝光度反饋給照明控制部件，照明控制部件根據(jù)圖像的曝光度自動調(diào)節(jié)發(fā)光強度。
[0017]優(yōu)選地，所述照明部件包括一個或多個白光LED和LED控制電路，白光LED通過LED控制電路與計算機連接，LED安裝在第一暗箱的內(nèi)壁上。
[0018]優(yōu)選地，為了使鏡頭能夠清晰地獲得不同植物葉片的圖像，使得獲得的圖像信息和光譜信息更加的精確，所述鏡頭為具有自動對焦功能的定焦鏡頭，定焦鏡頭的控制端與計算機連接。計算機通過面陣CCD相機獲取植物的葉片圖像，并根據(jù)圖像的模糊程度和深度信息計算離焦深度，然后根據(jù)圖像的離焦深度自動調(diào)整定焦鏡頭的焦距。
[0019]優(yōu)選地，為了能夠確保在對患病部位的像素區(qū)域進行光譜探測時患病部位的像素區(qū)域的光信號不受無關(guān)像素區(qū)域光信號的影響，圖像光譜探測部件還包括有吸光物質(zhì)，光信號聚焦至DMD數(shù)字微鏡元件時，DMD數(shù)字微鏡元件上處于“