一种豆科作物根瘤特征识别装置及识别方法

本发明涉及植物科学和农业生物，具体涉及一种豆科作物根瘤特征识别装置及识别方法。

背景技术：

1、根瘤是豆科植物根部与根瘤菌形成的共生固氮结构。根瘤是由生活在土壤中的根瘤菌侵入到根内而产生的。根瘤菌和豆科植物的关系是一种相互有利的共生关系。通过生物固氮作用改善土壤结构、提高土壤肥力，是进行生态恢复的理想方式。根瘤数量、大小和颜色是豆科植物健康的重要指标，而根瘤的动态监测对评价植株状态非常重要。

2、现有技术的根瘤计数、大小测量方法是将根挖出后靠肉眼识别根瘤、人工计数，人工测量完成，使得根瘤计数和活性测定枯燥、费时，且受人员、外界因素影响较大；尤其对于花生、大豆等豆科作物，由于根瘤数量多且难以跟作物根部区分，现有技术缺乏有效的根瘤特征识别手段；因此，如何快速、准确的识别豆科作物的根瘤特征信息，对评价豆科作物的根瘤数量、大小等表观信息，以及对促进生物固氮技术的开发具有重要意义。

技术实现思路

1、本发明要解决的技术问题是：提供一种豆科作物根瘤特征识别装置及识别方法，能够快速、准确的识别豆科作物的根瘤特征信息，可大幅提高豆科作物根瘤计数和大小测量的效率。

2、为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

3、一、一种豆科作物根瘤特征识别装置

4、本发明提供了一种豆科作物根瘤特征识别装置，包括：装置壳体1、复合光源系统、图像拍摄系统和图像处理系统8；

5、所述复合光源系统包括设于装置壳体1内腔底面的蓝光面光源2和设于装置壳体1内腔顶面的白光面光源6；

6、所述图像拍摄系统包括带标准色卡的标尺3和成像设备7，所述标尺3设于装置壳体1内腔底面的蓝光面光源2上表面，所述成像设备7安装于装置壳体1顶部中心开设的拍摄孔中，且所述成像设备7的镜头底部依次设有滤光片5和偏振镜4；

7、所述图像处理系统8与所述成像设备7电性连接，且所述图像处理系统8中运行有图像处理算法。

8、优选的，所述蓝光面光源2的发光波段与待识别样品根瘤中豆血红蛋白的吸收光谱峰值相适配，且所述蓝光面光源2的照度值为白光面光源6照度值的3～5倍。

9、优选的，所述蓝光面光源2和白光面光源6均设有光源调节装置，用于控制对应光源的开启、关闭和照度值调节。

10、优选的，所述偏振镜4的波长为0.9lmin～1.1lmax，用于过滤待识别样品根系表面的水滴反射光、散射光和闪射光。

11、其中，所述lmin和lmax分别为所述蓝光面光源2发光波段的最小波长值和最大波长值。

12、优选的，所述滤光片5的滤光波段与所述蓝光面光源2的发光波段相适配，用于过滤背景光并增强蓝光面光源的饱和度。

13、优选的，所述待识别样品放置于装置壳体1内腔底面的蓝光面光源2上表面，且位于所述标尺3的一侧；

14、所述成像设备7用于获取所述待识别样品的根系和所述标尺3的特征光谱图像，并将图像数据发送至所述图像处理系统8，且所述待识别样品的根系和所述标尺3在所述特征光谱图像中的像素比例保持一致。

15、二、一种豆科作物根瘤特征识别方法

16、基于同一发明构思，本发明还提供了一种豆科作物根瘤特征识别方法，基于如上所述的豆科作物根瘤特征识别装置，具体包括如下步骤：

17、s1，待识别样本准备：将待识别样本根系从土中完整挖出，在清水中清除根系上的泥土和杂质；

18、s2，根系预处理：裁剪根系中与主根不在同一平面的侧根，将裁剪后的根系主根和侧根完整平铺于蓝光面光源上表面，并将带标准色卡的标尺放置于样本根系一侧；

19、s3，复合光源设置：开启装置壳体内腔底面的蓝光面光源和顶面的白光面光源，并调节所述蓝光面光源和白光面光源的照度至预设值；

20、s4，拍摄根系图像：通过成像设备获取待识别样品根系和标尺的特征光谱图像，并将图像数据发送至所述图像处理系统；

21、s5，图像处理识别：采用图像处理算法提取所述特征光谱图像中待识别样品根系根瘤的表型特征，并基于所述根瘤的表型特征结合识别模型，获取根瘤的尺寸和数量参数。

22、进一步的，所述图像处理算法，具体包括：

23、s11，对所述特征光谱图像进行裁剪和颜色尺寸归一化预处理；

24、s12，对预处理后的特征光谱图像进行二值化处理，凸显出根瘤轮廓特征，以进行根瘤图像分割提取；

25、s13，利用神经网络构建识别模型对分割提取后的根瘤图像进行目标根瘤的精准识别；

26、s14，基于标尺的单个像素尺寸结合最小外接圆估算方法，识别根瘤的尺寸和数量参数。

27、其中，所述特征光谱图像进行裁剪，仅保留待识别样品根系图像中包含根瘤部分以及所述标尺所在的部分；

28、所述颜色尺寸归一化预处理，具体为获取所述特征光谱图像的亮度最小值dmin和亮度最大值dmax，并将所述特征光谱图像中每个像素的亮度值d调整为：

29、d＝(d0-dmin)/(dmax-dmin)

30、式中，d0为每个像素调整前的亮度值。

31、进一步的，所述识别根瘤的尺寸和数量参数，具体包括：

32、1)根据精准识别后的目标根瘤图像，获取目标根瘤图像的整体像素数量；

33、2)基于所述标尺单个像素对应的实际尺寸和目标根瘤图像的整体像素数量，计算出所述目标根瘤图像的整体实际尺寸；

34、3)利用图像识别的最小外接圆估算估算单个根瘤的平均尺寸，并通过所述整体实际尺寸除以所述单个根瘤的平均尺寸，获得根瘤的数量参数。

35、本发明与现有技术相比具有以下主要的优点：

36、1、本发明通过装置壳体、复合光源系统、图像拍摄系统的合理设置，整体结构紧凑、安装布置方便，能够在田间进行样品直接测量，且配合图像处理系统，能够实现豆科作物根瘤表型图像光谱的快速采集和准确特征识别，可大幅提高豆科作物根瘤计数和大小测量的效率。

37、2、本发明通过顶部白光面光源和底部蓝光面光源的上下补光，能够扩大根系与根瘤的色彩反差，增强根瘤层次，便于根瘤与根系特征的分离；通过设置滤光片和偏振镜，能够提高光谱特征特性，减少环境对图像的干扰。

38、3、本发明利用豆科作物根瘤中豆血红蛋白的光谱特性，采用复合光源系统获取根瘤特征光谱图像，用特征光谱信息定位根瘤位置并结合图像处理算法双重定位根瘤，能够快速区分豆科作物的根、土壤颗粒和根瘤图像特性，清晰准确的识别根瘤表型特征(大小、数量)信息，进而实现高效的根瘤计数、大小测量和评价，具有准确度高、快速、便携、无损等优点。

技术特征：

1.一种豆科作物根瘤特征识别装置，其特征在于，包括：装置壳体(1)、复合光源系统、图像拍摄系统和图像处理系统(8)；

2.根据权利要求1所述的一种豆科作物根瘤特征识别装置，其特征在于，所述蓝光面光源(2)的发光波段与待识别样品根瘤中豆血红蛋白的吸收光谱峰值相适配，且所述蓝光面光源(2)的照度值为白光面光源(6)照度值的3～5倍。

3.根据权利要求2所述的一种豆科作物根瘤特征识别装置，其特征在于，所述蓝光面光源(2)和白光面光源(6)均设有光源调节装置，用于控制对应光源的开启、关闭和照度值调节。

4.根据权利要求1所述的一种豆科作物根瘤特征识别装置，其特征在于，所述偏振镜(4)的波长为0.9lmin～1.1lmax，用于过滤待识别样品根系表面的水滴反射光、散射光和闪射光。

5.根据权利要求4所述的一种豆科作物根瘤特征识别装置，其特征在于，所述滤光片(5)的滤光波段与所述蓝光面光源(2)的发光波段相适配，用于过滤背景光并增强蓝光面光源的饱和度。

6.根据权利要求2所述的一种豆科作物根瘤特征识别装置，其特征在于，所述待识别样品放置于装置壳体(1)内腔底面的蓝光面光源(2)上表面，且位于所述标尺(3)的一侧；

7.一种豆科作物根瘤特征识别方法，基于权利要求1至6中任意一项所述的豆科作物根瘤特征识别装置，其特征在于，包括如下步骤：

8.根据权利要求7所述的豆科作物根瘤特征识别方法，其特征在于，所述图像处理算法，具体包括：

9.根据权利要求8所述的豆科作物根瘤特征识别方法，其特征在于，所述特征光谱图像进行裁剪，仅保留待识别样品根系图像中包含根瘤部分以及所述标尺所在的部分；

10.根据权利要求9所述的豆科作物根瘤特征识别方法，其特征在于，所述识别根瘤的尺寸和数量参数，具体包括：

技术总结本发明涉及植物科学和农业生物技术领域，具体涉及一种豆科作物根瘤特征识别装置及识别方法。通过装置壳体、复合光源系统、图像拍摄系统的合理设置，整体结构紧凑、安装布置方便，能够在田间进行样品直接测量，且配合图像处理系统，可大幅提高豆科作物根瘤计数和大小测量的效率；利用豆科作物根瘤中豆血红蛋白的光谱特性，采用复合光源系统获取根瘤特征光谱图像，用特征光谱信息定位根瘤位置并结合图像处理算法双重定位根瘤，能够快速区分豆科作物的根、土壤颗粒和根瘤图像特性，清晰准确的识别根瘤表型特征信息，进而实现高效的根瘤计数、大小测量和评价，具有准确度高、快速、便携、无损等优点。技术研发人员：王督,赵亚,姜俊,张奇,张良晓,唐晓倩,张文,陈渝阳,李培武受保护的技术使用者：中国农业科学院油料作物研究所技术研发日：技术公布日：2024/11/21