基于图像分析的土壤养分检测系统

技术领域

本发明涉及测土施肥技术领域，具体为基于图像分析的土壤养分检测系统。

背景技术

依靠常规实验室进行土壤养分测定，而常规分析投资大、周期长、成本高，测一个土壤氮磷钾要百元以上，种植业主体承担不起高额的测土费用。因此，高精度、低成本的快速测土技术更适于及时准确地获取土壤养分信息，同时也符合智慧农业发展需求。

现有技术中，土壤养分快检技术依据传感器检测原理多采用光学法，图像法比较少见。2018年Lavanya G等为了克服土壤检测依赖商业实验室检测的局面，设计了一种基于物联网系统监测和分析土壤中存在的养分的新型氮磷钾传感器。2020年Smita Kapse等试制土壤NPK养分检测系统，该系统集成若干传感器来监测环境温湿度、土壤湿度和土壤pH。2020年河南农业大学的马刘正等将0.45M NaHCO3和0.374M Na2SO4组成缓冲液，并与便携式多通道光电系统相结合，提取土壤中有效氮磷钾，氮磷钾浓度与常规实验室的方法相关联，对河南省农作物种植区的土壤样品进行了测量。基于光学法的土壤养分快检仪器设备体型较大、成本较高、携带不便利，不利于田间地头现场测土需求。

发明内容

本发明的目的在于提供基于图像分析的土壤养分检测系统，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：基于图像分析的土壤养分检测系统，所述系统包括土壤养分采集终端、智能手机以及农科服务系统；

土壤养分采集终端，用于对采集的土壤样本进行检测；

智能手机，用于图像处理，并将处理后的图像数据上传至农科服务系统；

农科服务系统，用于判定养分等级，并推送施肥方案。

优选的，所述土壤养分采集终端包括供电系统、光源系统以及图像采集室，供电系统由12V电源适配器插孔、电池、电源开关组成；光源系统由LED阵列光源、增光板、导光板和匀光板四层组成，供电系统和光源系统均设于图像采集室的一端，供电系统为光源系统供电；图像采集室的上盖能够打开，上盖表面开有比色孔和图像采集孔，图像采集室内设有斜板，倾斜角度为20-60°斜板上附有反光镜，智能手机摄像头经图像采集孔拍摄到显色溶液的镜像图片。

优选的，所述光源系统包括LED阵列光源、增光板、导光板和匀光板，匀光板处于LED阵列光源的前方，LED阵列光源为图像采集室提供光源。

优选的，所述智能手机实现图象采集、图像处理、结果输出以及数据上传。

优选的，所述图像处理包括图像预处理、检测算法以及应用测试，图像预处理包括图像分割模块和图像分析模块，检测算法包括RGB-土样养分测值建模。

优选的，图像分割模块将图像中有意义的特征部分提取出来，有意义的特征包括图像中的边缘、区域，图像分割过程是一个标记过程，把属于同一区域的像素赋予相同的编号；采用灰度阈值分割法结合Canny算子实现轮廓提取、边界跟踪，最终直接给出图像区域。

优选的，阈值分割方法实际上输入图像f到输出图像g的如下变换：

当f(i,j)≥T时,g(i,j)＝1

当f(i,j)＜T时,g(i,j)＝0

其中，T为阈值，对于待测液的图像元素g(i,j)＝1，对于背景的图像元素g(i,j)＝0。

优选的，图像分析模块提取图像特征，如颜色直方图，统计RGB色度均值。

优选的，RGB-土样养分测值建模采用RGB三元线性回归建立RGB三原色和常规法土壤养分测值间的关系；

三元线性回归的建立，设自变量x

三元线性回归的数学模型为：

y

其中，k＝1,2，...n，式中，b

y＝b

上式经整理后得到b

其中，

以上方程组可写成矩阵形式：

定义：

该方程组可表示为：Ab＝B；

矩阵A为方程组4的系数矩阵，是3阶方阵，先求出A的逆矩阵A

b＝A

b

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明提出的基于图像分析的土壤养分检测系统，基于土壤养分采集终端、Android智能手机后置摄像头及应用程序，通过图像预处理和图像分析技术对化学显色后的图像进行信息提取，建立颜色与土壤有效养分浓度的模型关系，输出土壤养分测定值，并及时将测定结果传输与农科服务系统，划分养分等级并提出施肥建议。

附图说明

图1为本发明系统框图；

图2为本发明土壤养分采集终端结构示意图；

图3为本发明图像处理流程图；

图4为本发明实施例三显色溶液示意图；

图5为本发明实施例四显色溶液示意图；

图6为本发明实施例五显色溶液示意图；

图7为本发明实施例三线形图；

图8为本发明实施例四线形图；

图9为本发明实施例五线形图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案进行清楚、完整地描述，及优点更加清楚明白，以下结合附图对本发明实施例进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，仅仅用以解释本发明实施例，并不用于限定本发明实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一

请参阅图1至图3，本发明提供一种技术方案：基于图像分析的土壤养分检测系统，所述系统包括土壤养分采集终端、智能手机以及农科服务系统；

土壤养分采集终端，用于对采集的土壤样本进行检测；

智能手机，用于图像处理，并将处理后的图像数据上传至农科服务系统；

农科服务系统，用于判定养分等级，并推送施肥方案。

实施例二

在实施例一的基础上，具体包括：

土壤养分采集终端包括供电系统、光源系统以及图像采集室，所述土壤养分采集终端包括供电系统、光源系统以及图像采集室，供电系统由12V电源适配器插孔、电池、电源开关组成；光源系统由LED阵列光源、增光板、导光板和匀光板四层组成，供电系统和光源系统均设于图像采集室的一端，供电系统为光源系统供电；图像采集室的上盖能够打开，上盖表面开有比色孔和图像采集孔，图像采集室内设有斜板，倾斜角度为20-60°斜板上附有反光镜，智能手机摄像头经图像采集孔拍摄到显色溶液的镜像图片；光源系统包括LED阵列光源、增光板、导光板和匀光板，匀光板处于LED阵列光源的前方，LED阵列光源为图像采集室提供光源，分散均匀的纳米粒子使得光线效果均匀、明亮、柔和，为图像采集提供优质环境；

智能手机实现图象采集、图像处理、结果输出以及数据上传；图像处理包括图像预处理、检测算法以及应用测试，图像预处理包括图像分割模块和图像分析模块，检测算法包括RGB-土样养分测值建模；

图像分割是将图像中有意义的特征部分提取出来，其有意义的特征有图像中的边缘、区域等，图像分割的过程也是一个标记过程，即把属于同一区域的像素赋予相同的编号。这是图像处理到图像分析的关键步骤，也是进一步进行图像识别、分析的基础。本文采用灰度阈值分割法结合Canny算子实现轮廓提取、边界跟踪，最终直接给出图像区域。本方法的优点是计算简单、运算效率较高、速度快。【光源系统创新点：光源背景为均匀明亮的白色，待测液图像颜色分别为红色(如：硝态氮)、蓝色(如：有效磷)、黄色(如：铵态氮)。】阈值分割方法实际上输入图像f到输出图像g的如下变换：

当f(i,j)≥T时,g(i,j)＝1

当f(i,j)＜T时,g(i,j)＝0

其中，T为阈值，对于待测液的图像元素g(i,j)＝1，对于背景的图像元素g(i,j)＝0。

选取土壤养分含量高中低三个等级样品若干，同时进行本方法和常规方法测定。

RGB三元线性回归和系数矩阵求解(目的：求RGB三原色权重/系数)

采用RGB三元线性回归建立RGB三原色和常规法土壤养分测值间的关系。

三元线性回归的建立：

设自变量x

表1n组数据模式

三元线性回归的数学模型为：

y

其中，k＝1,2，...n。式中，b

y＝b

上式经整理后得到b

其中，

以上方程组可写成矩阵形式：

定义：

该方程组可表示为：Ab＝B。

矩阵A为方程组4的系数矩阵，是3阶方阵。先求出A的逆矩阵A

b＝A

b

实施例三

选取土壤铵态氮养分含量12个等级样品，同时进行本方法和常规方法测定。常规法测定值单位为mg/kg。本方法化学显色溶液如图4所示。

本方法提取土壤铵态氮化学显示溶液图像的RGB均值，如表2所示。

表2 12组土壤铵态氮图像RGB均值与常规法测定值

采用RGB三元线性回归建立RGB三原色和常规法土壤养分测值间的关系。

土壤中铵态氮养分含量与图像RGB均值的关系式为：

y＝1198.05+2.51x

实施例四

选取土壤硝态氮养分含量12个等级样品，同时进行本方法和常规方法测定。常规法测定值单位为mg/kg。本方法化学显色溶液如图5所示。

本方法提取土壤硝态氮化学显示溶液图像的RGB均值，如表3所示。

表3 12组土壤硝态氮图像RGB均值与常规法测定值

采用RGB三元线性回归建立RGB三原色和常规法土壤养分测值间的关系。

土壤中硝态氮养分含量与图像RGB均值的关系式为：

y＝9588.37-53.21x

实施例五

选取土壤有效磷养分含量12个等级样品，同时进行本方法和常规方法测定。常规法测定值单位为mg/kg。本方法化学显色溶液如图6所示。

本方法提取土壤有效磷化学显示溶液图像的RGB均值，如表4所示。

表4 12组土壤有效磷图像RGB均值与常规法测定值

采用RGB三元线性回归建立RGB三原色和常规法土壤养分测值间的关系。

土壤中有效磷养分含量与图像RGB均值的关系式为：

y＝7415.97+0.65x

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。