[发明专利]基于多传感信息的温室作物生长和环境信息检测方法

说明书

技术领域

本发明属于温室作物生长信息和环境信息检测技术领域，涉及一种基于多传感信息的温室作物生长和环境信息检测方法，特指利用光谱、视觉图像、红外温度探测等多种无损探测技术，结合温室环境的温度、湿度、光照、CO₂浓度和营养液EC(电导率)、pH值的检测，获取设施作物的氮、磷、钾、水分和叶面积指数、茎粗、植株和果实生长速率，以及温光水气肥等作物生长和环境综合信息。利用该方法获取的综合信息，可实现根据作物生长的实际需求进行科学的水肥管理和温室环境调控。

背景技术

温室作物生长信息无损检测主要包括作物氮磷钾营养、水分等养分检测和叶面积指数、茎粗、株高、果实颜色质量、植株和果实生长速率等长势信息检测两个方面。环境信息主要指温室的温度、湿度、光照、CO₂浓度和营养液EC和pH值信息。

温室生长过程究其本质是作物受环境、营养、水分等外部因子作用，并对其进行转化的复杂的动力学过程。温室内作物生长环境参数的空间分布性强、时空变异性大、多参数间相互影响，加上不同种类作物及不同植株之间的个体差异，造成传统的栽培和环境调控方式很难适应不同种类、不同植株及其不同生育期的生长需要。因此，在对温室作物生长的环境和营养、水分等外部作用因子进行准确检测的基础上，研究环境、营养、水分等外部因子与作物长势、生产过程之间的作用关系，建立基于温室作物生长和环境信息综合评价体系，并根据评价结果，制定最优的控制策略，这对提高我国温室技术的研究水平，实现设施农业的高产、优质、高效、低碳和可持续发展有十分重要的理论意义和实用价值。

目前作物的生长信息无损检测主要以光谱技术和图像技术为主。目前，作物营养、水分检测方面已有一些相关研究。在光谱检测方面，申请号为200510088935.0的发明专利申请，公开了一种便携式植物氮素和水分含量的无损检测方法及测量仪器，通过检测植株叶片在四个特征波长处的光谱反射强度信息来进行植物的营养诊断，利用对四个波长植被指数的反演来获取植物的氮素和含水率信息。申请号为200410048127.7的发明专利申请，公开了一种基于自然光照反射光谱的黄瓜叶片含氮量预测方法，可以通过黄瓜叶片在指定波长处的光谱反射强度得出叶片的反射植被指数，进而判断其氮素水平。在视觉图像检测方面，申请号为200710069116.0的发明专利，公开了一种多光谱成像技术快速无损测量茶树含氮量的方法。申请号为200510062298.X的发明专利申请和申请号为200520134360.7的实用新型专利申请，公布了一种油菜氮素营养多光谱图像诊断方法及诊断系统。上述系统均采用3CCD多光谱摄像系统作为视觉采集装置，在计算机控制下，通过3CCD多光谱摄像系统采集植株冠层多光谱图像信息，能够非破坏性的诊断植株的氮素营养状况。在作物的长势检测方面，申请号为200610097576.X的发明专利申请，公开了一种嵌入式农业植物生长状态监测仪及其工作方法，可以对作物生长的环境温湿度、茎粗、株高、土壤粘度和酸碱度进行探测，该系统仅通过茎粗、株高判断作物生长状态，且缺少动态的作物生长评价模型，因此难以对作物生长状态做出全面科学的评价。申请号为200410014648.0的发明专利申请公开了一种用于农作物生长监测及营养施肥处方生成装置和方法，该发明采用摄像机来获取作物的茎、叶、花、果、皮图像信息，利用营养成分检测仪获取农作物和土壤营养信息，由于摄像机仅能获取可见光合成图像，难以对作物的氮磷钾营养和水分特征进行精确分析，营养成分检测仪虽然可以获取作物的营养信息，但其取样和检测方式会对作物造成损害。

综上所述，目前作物的生长信息的无损检测主要基于光谱和图像技术。光谱技术可以较便捷获得含氮量、含水率与光谱反射率或其演生量的关系；可见光或近红外视觉图像的颜色（灰度）、纹理、形态特征在一定程度上也能表征作物营养水平、叶面积、茎果叶等信息，作物的冠-气温差与水分胁迫也显著相关。但仅靠光谱、图像和冠层温度单一检测方法，获取营养或水分或叶面积指数、茎粗、株高、果实颜色形态等孤立信息，很难对作物生长状态做出全面、系统、科学的判断。且营养之间、营养与水分之间具有交互作用，检测过程受作物冠层结构、土壤背景光谱及大气窗口、温湿度等环境因子的影响较大，因此，仅仅用光谱技术，或可见光视觉图像、或近红外视觉图像、或植株的冠气温差等单一探测技术不足以准确、全面地反映作物营养、水分和长势等生长信息。而快速准确地获取作物的生长和环境信息，是对作物的生长状态进行科学评价的前提。