应用数字图像技术进行黄瓜和番茄氮素营养诊断的研究

摘要

本文通过黄瓜和番茄两种蔬菜作物田间氮肥试验，采用数码相机荻取冠层数字图像，利用图像处理软件对冠层图像色彩信息进行处理，结合叶绿素计及常规土壤-植株测试技术，探讨将数字图像处理技术应用在蔬菜氮素营养诊断和氮肥推荐上的可行性，确立表征黄瓜和番茄氮素营养供应状况的图像数字化指标(特征值)，建立蔬菜冠层图像获取的标准化方法，最终实现了利用数字图像处理技术进行黄瓜和番茄的氮肥推荐，主要研究成果如下： 随着氮素营养供应水平的提高，黄瓜和番茄在生物量、叶面积指数等生长量指标显著增加，在低水平氮素供应状况下响应更加敏感。增施氮肥提高了黄瓜和番茄的光合作用能力，增加干物质积累，促进了干物质向叶片和果实中分配，这是增施氮肥使蔬菜作物获得高产的主要原因。黄瓜和番茄叶柄硝酸盐浓度、叶片全氮、植株全氮和SPAD读数等植物营养测试指标均随着氮素供应水平的提高而显著提高。其中叶柄汁液硝酸盐浓度对氮肥的响应最敏感，能够很好地反映黄瓜和番茄的氮素营养供应状况。SPAD读数、叶柄硝酸盐浓度、叶片全氮含量、植株全氮含量等指标都可以用来作为黄瓜和番茄氮素营养的诊断指标，可以在关键生育期对产量进行准确预测。 利用数字图像处理技术进行黄瓜和番茄氮素营养诊断是切实可行的。黄瓜和番茄冠层图像绿色深度绝对值G与叶绿素计读数、叶柄硝酸盐浓度、叶片全氮和植株全氮等植株营养测试指标都有显著的线性相关关系，冠层绿色深度绝对值G可以用来表征黄瓜和番茄田间氮素营养供应水平。 利用图像处理软件对黄瓜和番茄数码图像进行处理，提取出R、G、B和L四个图像色彩基本参数，对这些基本图像参数进行分析，结果表明：黄瓜冠层绿光标准化值G/(R+G+B)与土壤无机氮(N min)、SPAD读数、叶柄硝酸盐浓度、叶片全氮含量和植株全氮含量等土壤-植株营养测试指标的相关性最好，而番茄冠层图像绿光与蓝光比值G/B与土壤-植株测试指标的相关性最好。因此，冠层图像绿光标准化值G/(R+G+B)和绿光与蓝光比值G/B可以分别表征黄瓜和番茄田间氮素营养供应水平。 在本试验条件下，同一氮素营养供应水平下不同蔬菜品种冠层图像特征值存在一定差异。对于黄瓜而言，华北型和华南型两个不同的生育类型之间的冠层图像特征值差异较大，而同一生育类型内不同品种之间图像特征值差异较小；对于番茄而言，本试验中选用的两个品种间冠层图像特征值差异不大。 利用数码相机在田间获取图像时，在每天12:00-13:00进行，拍照时将相机与冠层成30°～60°，在1024×768分辨率下以JPEG格式存储。图像获取时光线的强弱对冠层图像信息没有显著的影响，在阴天拍摄的图像效果要略好于晴天；灌溉增加了土壤背景深度，减少冠层光反射量，导致灌溉前图像的特征值要略高于灌溉后；黄瓜和番茄是连续结果、连续采收的蔬菜作物，果实颜色对蔬菜冠层光反射产生极大的影响，果实采收后冠层图像特征值与SPAD读数的相关性要显著高于采收前。本文在应用数字图像处理技术进行黄瓜和番茄氮肥推荐时，主要结合两种蔬菜作物的几个关键生育周期，实行氮肥分期推荐，具体评价标准如下； 黄瓜氮素营养评价体系：在根瓜采收期，冠层绿光标准化值小于0.391时，氮素供应过量，当G/(R+G+B)处于0.391～0.413时，表明黄瓜供氮水平较为适宜，当G/(R+G+B)大于0.413时，黄瓜植株处于缺氮状态。在盛瓜初期，冠层绿光标准化值小于0.415时，氮素供应过量，当G/(R+G+B)处于0.415～0.427时，表明黄瓜供氮水平较为适宜，当G/(R+G+B)大于0.429时，黄瓜植株氮素供应不足。在盛瓜中期，冠层绿光标准化值小于0.426时，氮素供应过量，当G/(R+G+B)处于0.426～0.440时，表明黄瓜供氮水平较为适宜，当G/(R+G+B)大于0.442时，黄瓜植株处于氮素供应不足状态。在盛瓜末期，冠层绿光标准化值小于0.448时，氮素供应过量，当G/(R+G+B)处于0.447～0.461时，表明黄瓜供氮水平较为适宜，当G/(R+G+B)大于0.461时，黄瓜植株氮素供应不足。 番茄氮素营养评价体系：在第一穗果实膨大，冠层绿光标准化值小于1.461时，氮素供应过量，当G/B处于1.461～1.522时，表明番茄供氮水平较为适宜，当G/B大于1.525时，番茄植株处于缺氮状态。在第二穗果实膨大，冠层绿光标准化值小于1.625时，氮素供应过量，当G/B处于1.626～1.713时，表明番茄供氮水平较为适宜，当G/B大于1.714时，番茄植株氮素营养供应不足。在收获初期，冠层绿光标准化值小于1.855时，氮素供应过量，当G/B处于1.855～1.914时，表明番茄供氮水平较为适宜，当G/B大于1.916时，番茄植株处于缺氮状态。在收获中期，冠层绿光标准化值小于1.901时，氮素供应过量，当G/B处于1.901～1.957时，表明番茄供氮水平较为适宜，当G/B大于1.959时，番茄植株处于氮素供应不足状态。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章：绪论

1.1引言

1.2国内外研究进展

1.2.1传统的氮素营养诊断方法

1.2.2土壤测试诊断法

1.2.3植株氮素营养诊断

1.2.4氮素营养无损测试技术的发展

1.3研究背景与意义

1.4研究思路与技术路线

1.4.1研究思路与研究内容

1.4.2技术路线

第二章：黄瓜和番茄氮素营养发育生理及诊断施肥技术的研究

1.材料与方法

1.1试验设计

1.2测定项目与方法

1.3数据统计与分析

2.结果与分析

2.1氮素对黄瓜和番茄生长发育的影响

2.2利用叶绿素计及植物营养测试进行番茄和黄瓜氮素营养诊断

3.小结

第三章：数字图象技术在黄瓜和番茄氮素营养诊断上的应用

3.1材料与方法

3.1.1供试材料

3.1.2试验设计及田间管理

3.1.3测定项目与方法

3.2结果与分析

3.2.1数码图象颜色信息提取技术

3.2.2.黄瓜和番茄冠层绿光绝对值与SPAD读数的相关性

3.2.3冠层绿光绝对值与叶片全氮的相关性

3.2.4冠层绿光绝对值与叶柄汁液硝酸盐浓度的关系

3.2.5蔬菜冠层绿光绝对值与植株全氮的关系

3.2.6黄瓜和番茄冠层绿光深度绝对值与生物量的相关性

3.3小结

第四章：黄瓜和番茄冠层图像色彩信息数字化指标的研究

4.1材料与方法

4.1.1试验设计

4.1.2测量指标与方法

4.2结果与分析

4.2.1冠层图象数字化指标与土壤供氮水平的相关性

4.2.2冠层数字化指标与植株营养测试体系的关系

4.2.3冠层数字图象色彩信息与土壤-植株测试指标相关性的总体评价

4.3小结

第五章：数字图像色彩信息影响因子的研究

5.1材料与方法

5.1.1试验设计

5.1.2数字图像处理及数据处理

5.2结果与分析

5.2.1应用图象处理技术进行黄瓜和番茄氮素营养诊断的品种响应

5.2.2不同拍摄角度对数字图像的影响

5.2.3拍摄光照强度对数字图像的影响

5.2.4土壤水份差异对数字图像处理结果的影响

5.2.5果实颜色对冠层数字图像色彩信息的影响

5.3小结

第六章：应用数字图像技术进行黄瓜和番茄氮肥推荐的探讨

6.1材料与方法

6.1.1植株农艺性状调查测定：

6.1.2植株经济产量、生物学产量的测定：

6.1.3果实产量测定：

6.2结果与分析

6.2.1黄瓜和番茄氮素供应状况的反馈分析

6.2.2不同氮肥处理黄瓜和番茄氮素营养状况的综合评价

6.2.3应用数字图像技术进行黄瓜和番茄氮肥推荐

6.3小结

第七章讨论与结论

7.1讨论

7.1.1利用叶绿素计及植株营养测试技术进行黄瓜和番茄氮肥推荐

7.1.2数字图像技术在黄瓜和番茄氮素营养诊断上的应用

7.1.3.黄瓜和番茄冠层图像获取影响因子的研究

7.2主要结论

参考文献

致谢