[发明专利]无损式估测植物叶绿素含量及分布的可视化方法

说明书

本发明公开了一种无损式估测植物叶绿素含量及分布的可视化方法，利用可见光相机采集植株图像，使用目标检测算法识别出植株的所有分枝，以矩形框框选目标部分，计算高度最大的矩形框作为植株的主枝区域，将其分割出来；提取不同色彩空间下的分层色彩因子，将多色彩因子组合与叶绿素含量测定仪测得的SPAD值进行反演建模，得到拟合度最高的色彩因子组合模型；将该模型应用于植物冠层叶片来表征SPAD值的分布，实现叶绿素含量在整个植物平面上的直观显示，通过叶绿素含量从而对植株的光合作用进行评判，可观测到肉眼难以识别的植株叶绿素含量的改变。该方法无需破坏植株、估测结果客观准确。

技术领域

本发明涉及图像分析处理领域，具体涉及一种无损式估测植物叶绿素含量及分布的可视化方法。

背景技术

叶绿素是高等植物体内的色素且是植物生理研讨中的重要依据，叶绿素的含量指示了植物的生长和健康状况，在植物光合作用中起着重要的作用，为植物的生长发育提供能量。氮是叶绿素的组成元素，在植物生长过程中，叶绿素含量与植株的氮含量密切相关，氮含量过高或者过低对植株的生长过程都存在一定的影响。叶绿素能够间接反映出植株的氮素含量水平，利用对叶绿素含量的快速可视化可在植株肉眼可见胁迫症状出现前进行氮缺乏、氮过量的营养早期诊断，实现植株的生长监测与长势评判，进而为确定、调整栽培管理措施提供技术指导，因此快速估测并直观显示叶绿素含量有着重要意义。

在植物生长过程中，当胁迫发生时，植物的生理生化表型参数已经发生变化，但受到胁迫时长、胁迫程度和植物抗性影响，植物在外表上并无明显的差异与改变，所以单凭肉眼很难观测到植物因受到胁迫所发生的变化。叶绿素是植物光合作用的探针，测定植物叶绿素含量对了解植物是否在正常生长和判断是否在遭受胁迫的影响有着重要的指导作用。伴随着大规模、高精度、快速化监测植物生长状况的需求，出现了很多测定植物叶绿素含量的方法。

传统的测定叶绿素的方法主要有分光光度法和叶绿素测量仪法等。

使用分光光度法时，取新鲜(或烘干)的植物叶片，剪碎(去掉中脉)，混匀放入研钵中，加入80％丙酮、碳酸钙和石英砂，研磨成匀浆，再加80％丙酮，将匀浆转入离心管离心，取浸提液后，用可见光分光光度计比色，测定663nm、645nm、652nm波长处的吸光值，用80％的丙酮做参比。按公式计算叶绿素a、叶绿素b，并计算得出叶绿素总含量(a+b)。但使用分光光度法测定叶绿素含量时存在破坏植物生长，检测流程多、周期长等问题。

叶绿素测量仪是通过测量叶片在两种波长光学浓度差方式650nm和940nm来确定叶片当前叶绿素的相对数量。使用叶绿素测量仪法时，利用叶绿素含量测定仪如SPAD-502夹取植物叶片上的一点，测量出该点的SPAD值，用该值表示目前叶片中的叶绿素含量。在使用叶绿素测量仪测定叶绿素含量时，由于叶绿素测量仪的测量头要确保采样叶片完全覆盖接收窗，且夹持一定的采样面积(2mm*3mm)、叶片不厚(最大厚度1.2mm)，才可进行测量，因此叶绿素测量仪法在应用上普适性较差，难以测量一些细小叶片的叶绿素含量，也较易出现因人工操作不当而引起的误差过大等问题。

叶绿素荧光仪是一种用于生物学领域的分析仪器，利用叶绿素的荧光现象，采用极高灵敏度和反应速度的传感器，辅以光电脉冲设计来捕获电子传递过程中的各时段上的荧光数据，继而可以测定叶绿素含量。但叶绿素荧光仪设备昂贵，使用上不具有广泛性。使用叶绿素荧光仪测定叶绿素含量过程中，需要从生长的植物上摘取叶片，且需要对叶片进行较长时间的暗处理后才可以进行测定。所以叶绿素荧光仪还是存在破坏植物生长、检测过程繁琐、检测周期长等问题。

综上可见，传统的叶绿素含量测定方法只能以折断、摘离、切割等方式将叶片与植物分割离体进行破坏性测量，无法对同一株植株进行连续测量。而植物的生长是一个复杂的、连续的动态过程，受基因及环境的共同调控，这就要求对整株植物的各个生长阶段的叶绿素含量进行分析，以解析表型性状形成的遗传控制的时间变化模式。