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目录
I
目 录
摘要 ................................................................................................................................................ V
Abstract ....................................................................................................................................... VII
1 绪论 ............................................................................................................................................. 1
1.1 研究背景和意义 .................................................................................................................. 1
1.2 国内外研究现状 .................................................................................................................. 2
1.2.1 农作物多光谱图像处理技术研究现状 ........................................................................ 2
1.2.2 农作物冠层萎蔫性状研究现状 .................................................................................... 4
1.2.3 FT 和 FD 在农作物信息处理中的研究现状 ................................................................ 6
1.3 研究目标、内容和技术路线 .............................................................................................. 8
1.3.1 研究目标 ........................................................................................................................ 8
1.3.2 研究内容 ........................................................................................................................ 9
1.3.3 技术路线 ...................................................................................................................... 10
2 大豆多光谱图像预处理方法 ................................................................................................... 11
2.1 实验材料 ............................................................................................................................ 11
2.1.1 实验样本获取 .............................................................................................................. 11
2.1.2 实验设备 ...................................................................................................................... 11
2.1.3 样本图像采集 .............................................................................................................. 12
2.2 大豆多光谱图像去噪方法 ................................................................................................ 13
2.2.1 中值滤波 ...................................................................................................................... 13
2.2.2 均值滤波 ...................................................................................................................... 14
2.2.3 滤波效果分析与评价 .................................................................................................. 15
2.3 大豆冠层多光谱图像提取方法 ........................................................................................ 16
2.3.1 采用迭代阈值提取大豆冠层近红外图像 .................................................................. 16
2.3.2 采用仿射变换提取大豆冠层多光谱图像 .................................................................. 18
2.3.3 大豆冠层提取效果分析与评价 .................................................................................. 22
2.4 本章小结 ............................................................................................................................ 23
3 基于傅里叶变换的大豆冠层萎蔫指数计算方法 ................................................................... 25
3.1 傅里叶变换原理 ................................................................................................................ 25
基于多光谱图像处理的大豆冠层萎蔫指数计算方法研究
II
3.1.1 连续傅里叶变换 .......................................................................................................... 25
3.1.2 离散傅里叶变换 .......................................................................................................... 25
3.2 大豆冠层多光谱图像傅里叶变换 .................................................................................... 26
3.3 大豆冠层多光谱图像频谱特征分析 ................................................................................ 28
3.3.1 幅度谱和相位谱分析 .................................................................................................. 28
3.3.2 能量谱分析 .................................................................................................................. 30
3.4 构建基于傅里叶变换的大豆萎蔫指数 ............................................................................ 35
3.5 基于傅里叶变换的大豆萎蔫指数结果分析 .................................................................... 35
3.5.1 计算结果分析 .............................................................................................................. 35
3.5.2 有效性验证分析 .......................................................................................................... 40
3.6 本章小结 ............................................................................................................................ 40
4 基于分形维数的大豆冠层萎蔫指数计算方法 ....................................................................... 41
4.1 分形维数原理 .................................................................................................................... 41
4.1.1 分形定义 ...................................................................................................................... 41
4.1.2 分形维数 ...................................................................................................................... 41
4.2 构建基于计盒维数的大豆萎蔫指数 ................................................................................ 42
4.3 构建基于差分盒维数的大豆萎蔫指数 ............................................................................ 43
4.4 构建基于毯子维数的大豆冠层萎蔫指数 ........................................................................ 44
4.5 基于分形维数的大豆萎蔫指数结果分析 ........................................................................ 45
4.5.1 计算结果分析 .............................................................................................................. 45
4.5.2 有效性验证分析 .......................................................................................................... 57
4.5.3 实验结果分析 .............................................................................................................. 58
4.6 本章小结 ............................................................................................................................ 59
5 大豆冠层多光谱图像萎蔫指数计算系统 ............................................................................... 61
5.1 系统总体设计 .................................................................................................................... 61
5.1.1 系统开发工具 .............................................................................................................. 61
5.1.2 系统总体功能设计 ...................................................................................................... 62
5.2 系统功能模块设计 ............................................................................................................ 62
5.2.1 文件模块设计 .............................................................................................................. 62
目录
III
5.2.2 图像定标模块设计 ...................................................................................................... 63
5.2.3 图像滤波模块设计 ...................................................................................................... 63
5.2.4 图像增强模块设计 ...................................................................................................... 64
5.2.5 形态学处理模块设计 .................................................................................................. 65
5.2.6 图像分割模块设计 ...................................................................................................... 65
5.2.7 图像分析模块设计 ...................................................................................................... 66
5.2.8 萎蔫指数分析模块设计 .............................................................................................. 66
5.3 系统功能模块实现 ............................................................................................................ 67
5.3.1 文件模块实现 .............................................................................................................. 67
5.3.2 图像定标模块实现 ...................................................................................................... 68
5.3.3 图像滤波模块实现 ...................................................................................................... 69
5.3.4 图像增强模块实现 ...................................................................................................... 70
5.3.5 形态学处理模块实现 .................................................................................................. 70
5.3.6 图像分割模块实现 ...................................................................................................... 71
5.3.7 图像分析模块实现 ...................................................................................................... 72
5.3.8 萎蔫指数分析模块实现 .............................................................................................. 72
5.4 本章小结 ............................................................................................................................ 75
6 结论与展望 ............................................................................................................................... 77
6.1 结论 .................................................................................................................................... 77
6.2 展望 .................................................................................................................................... 78
参考文献 ....................................................................................................................................... 79
致谢 ............................................................................................................................................... 87
个人简历 ....................................................................................................................................... 89
个人情况 ................................................................................................................................... 89
教育背景 ................................................................................................................................... 89
科研经历 ................................................................................................................................... 89
在学期间成果 ........................................................................................................................... 89
摘要
V
摘要
大豆生育过程需要大量水分,快速检测大豆受干旱胁迫时的冠层萎蔫性状,对于大
豆品种选育、栽培调控和精细管理具有重要意义。针对传统化学技术测定大豆萎蔫指标
时,存在试验手段繁琐且耗时费力等问题,本文以东北寒地大豆为研究对象,将多光谱
成像处理技术与智能信息处理方法有机融合,提出了基于多光谱图像傅里叶变换的大豆
冠层萎蔫指数和基于分形维数的大豆冠层萎蔫指数计算方法,为实现快速、无损检测大
豆萎蔫性状及生理生态变化提供理论基础和技术支持。主要研究内容如下:
(1)提取了大豆冠层多光谱图像。通过 Sequoia 多光谱相机采集绿光、红光、红边
和近红外通道 4 类大豆多光谱图像,以中值滤波和均值滤波预处理后的大豆多光谱反射图
像为基础,采用迭代阈值法和仿射变换算法,提取大豆多光谱图像的目标冠层区域,其
平均有效分割率为 0.9702、平均欠分割率为 0.0264,平均过分割率为 0.0183,大豆冠层的
有效提取为萎蔫指数的计算提供了可靠的数据基础。
(2)构建了基于傅里叶变换(Fourier Transform, FT)的大豆冠层萎蔫指数。采用傅
里叶变换将大豆冠层多光谱图像时域信息变换到频域,分析大豆冠层多光谱图像的幅度
谱、相位谱和能量谱等频谱特性,各通道频谱半径为 50 时能量均达到 98%以上,并且集
中在频谱中心低频区域,依据正常和干旱处理大豆冠层多光谱图像中低频直流分量与频
谱半径内总能量占比的变化差异,提出了基于傅里叶变换的大豆萎蔫指数计算方法,应
用平均叶倾角对萎蔫指数进行有效性验证分析,四个通道的决定系数 R
2
均在 0.8507 以上。
(3)构建了基于分形维数(Fractal Dimension, FD)的大豆冠层萎蔫指数。根据分形
维数与物体表面的粗糙程度相关的特征,将多光谱成像技术与分形维数方法有机融合,
利用计盒维数、差分盒维数和毯子维数等分形维数算法,提出了基于多光谱图像分形维
数的大豆冠层萎蔫指数计算方法,并通过平均叶倾角进行有效性验证,其决定系数 R
2
均
在 0.8486 以上,表明三种基于分形维数的大豆萎蔫指数计算方法适用于四个通道光谱图
像,其中,基于毯子维数的萎蔫指数与平均叶倾角的相关性为 0.8877,其通过覆盖整个大
豆多光谱图像的曲面提取分形维数特征,对于计算萎蔫指数的普适性更强。
(4)开发了大豆冠层多光谱图像萎蔫指数计算系统。根据 PyCharm 和 MATLAB 设
计并实现了大豆冠层多光谱图像萎蔫指数计算系统,该系统主要针对大豆多光谱图像进
行处理,集成了基于傅里叶变换和分形维数的大豆冠层萎蔫指数计算方法,并涵盖了图
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