生菜生长信息快速检测方法与时域变量施肥研究

【摘要】：我国是生菜生产与消费大国,生产量约占世界的1/2以上。而随着现代农业的发展,快速诊断生菜营养及水分的丰缺情况,充分了解生菜的生长规律,是实现生菜产业化发展的有效途径。本文利用光谱及图像技术,结合多种化学计量学算法及图像处理技术,建立了基于单传感及多传感信息融合的生菜冠层氮、磷、钾、水分含量检测模型。研究了生菜的生长规律,分析了养分含量、长势、产量三者间的关系,提出了根据长势进行时域变量施肥。具体研究内容及结果如下：(1)采用Savitzky-Golay滤波(SG)、Savitzky-Golay滤波结合一阶导数变换(SG+FD)、Savitzky-Golay滤波结合对数变换(SG+Log(1/R))和Savitzky-Golay滤波结合连续统去除(SG+CR)四种滤波方法对原始光谱进行去噪。SG+FD方法适用于生菜冠层氮、磷、钾光谱的预处理,SG+Log(1/R)适用于生菜冠层水分光谱的预处理。采用RS法、KS算法和SPXY算法对样本集进行划分,SPXY算法可有效地覆盖多维向量空间,优于RS和KS算法。综合使用间隔偏最小二乘法(iPLS)、联合区间偏最小二乘法(SiPLS)和后向区间偏最小二乘法(BiPLS)对与生菜冠层氮、磷、钾及水分相关的最优光谱区间进行提取。结果显示基于不同光谱模型的预测结果存在以下关系：BiPLSNSiPLSNiPLSN, SiPLSPBiPLSPiPLSP, BiPLSK SiPLSK iPLSK, BiPLSW SiPLSW iPLSW。使用遗传算法(GA)和连续投影算法(SPA)对与生菜冠层氮、磷、钾及水分相关的特征波长进行提取。氮素的最优波长为：482、513、522、569、641、691、704和821nm,磷元素的最优波长为：675、680、972、991、1476和2016nm,钾元素的最优波长为：463、551、652、683、729、987和1041nm,水分的最优波长为：967、1170、1221、1406、1484、1942和1985nm。多种算法联合运用大量去除了冗余及相关信息,光谱变量从2151个减少到了6-8个。分别利用多元线性回归(MLR)、径向基函数神经网络(RBFNN)和极限学习机(ELM)三种建模方法建立生菜营养及水分检测模型。ELM算法所建模型最优。氮元素模型的RMSEP=0.2842%, Rp=0.9218、磷元素模型的RMSEP=0.5164g/kg, Rp=0.8462、钾元素模型的RMSEP=0.1741%, Rp=0.8749、水分模型的RMSEP=197%, Rp=0.8243。(2)分别采用中值滤波、均值滤波和小波去噪等方法对原始图像进行降噪处理,结果表明小波去噪的效果最好。提取冠幅投影面积(TPCA)、冠幅周长(TPCP)、株高(PH)作为生菜冠层的长势特征,提取RGB和HSI空间的各颜色分量作为生菜冠层的颜色特征,提取RGB和HSI颜色空间中的CCMR,G, CCMR,B, CCMG,B,CCMH,S, CCMH,I, CCMS,I6个颜色共生矩阵的熵(ENT)、角二阶矩(ASM)、对比度(CON)和协同性(HOM)的平均值作为生菜冠层的纹理特征。建立基于ELM算法的生菜冠层氮、磷、钾、水分含量检测模型,得到氮元素模型的RMSEP=0.4651%, Rp=0.8217、磷元素模型的RMSEP=0.6083g/kg, Rp=0.7649、钾元素模型的RMSEP=0.2434%, Rp=0.8167、水分模型的RMSEP=238%, Rp=0.7794,光谱模型的检测精度高于图像模型。开发了生菜图像特征快速提取软件,可提取TPCA、TPCP、PH、R、G、B、H、 S、I、ENT、ASM、CON和HOM共13个特征。(3)对比分析了主成分分析(PCA)及核主成分分析(KPCA)的降维效果,结果表明使用KPCA得到的主成分累积贡献率明显高于PCA。利用RBFNN和ELM算法建立多信息融合模型,ELM模型最优。得到氮素模型的]RMSEP=0.2531%,Rp=0.9464、磷元素模型的 RMSEP=0.3679g/kg, Rp=0.9034、钾元素模型的RMSEP=0.1349%, Rp=0.9249、水分模型的RMSEP=169%, Rp=0.8918。氮钾模型的预测效果稍好于磷元素和水分,多信息融合的预测结果明显优于单一传感器的预测结果。(4)建立了TPCA、PH及TPCP的Gomportz、Logistic和灰色Verhulst模型。灰色Verhulst模型可很好地反映TPCA和TPCP的长势情况,Logistic算法可用于PH的预测。计算后得到生菜TPCA的理论生长上限值为692.8 cm2,速生点为第16.4天,速生期从8.2到24.7天。生菜PH的理论生长上限值为25.1cm,速生点为第16.1天,速生期从4.0到28.2天。生菜TPCP的理论生长上限值为123.3cm,速生点为第18.0天,速生期从4.2到25.8天。以此将生菜的生长期分为三个阶段,即对数期,直线期和衰老期。(5)计算了养分含量、长势、产量三者的灰色关联度,得到养分含量对TPCA、TPCP和PH的影响顺序为氮磷钾,养分含量对生菜产量的影响顺序为氮钾磷,长势对生菜产量的影响顺序为TPCAPH TPCP。建立了基于环境温度、氮磷钾含量的TPCA、TPCP和PH的预测模型,同时建立了营养液浓度与养分含量关系模型,提出了根据长势进行时域变量施肥。本研究为生菜营养及水分的快速精确诊断提供了重要依据,为生菜的精细化管理及产业化高效生产奠定了基础。