叶片叶绿素叶面分布特征同步诊断氮钾镁元素亏缺的方法转让专利
申请号 : CN201910789336.3
文献号 : CN110631995B
文献日 : 2021-09-10
发明人 : 石吉勇 , 邹小波 , 李志华 , 黄晓玮 , 郭志明 , 张文 , 张迪 , 李文亭 , 胡雪桃 , 孙悦 , 石海军 , 史永强
申请人 : 江苏大学
摘要 :
本发明属于一种作物营养元素亏缺诊断技术领域，涉及一种叶片叶绿素叶面分布特征同步诊断氮钾镁元素亏缺的方法；本发明首先将待测叶片叶面区域分割，将叶片分割为若干个小区域；然后对叶绿素区域分布特征提取，用高光谱图像技术提取叶片叶绿素叶面分布图中小区域中所有像素点对应的叶绿素含量均值、叶绿素含量方差、叶绿素含量最大值和叶绿素含量最小值；基于此构建氮钾镁亏缺诊断模型；依据模型对待测叶片氮钾镁亏缺诊断。本发明克服了基于叶绿素含量的元素亏缺诊断方法无法同步诊断黄瓜叶片氮钾镁元素亏缺的局限性；可以快速、无损的提取叶绿素叶面分布特征，实现叶片氮钾镁元素亏缺的高效诊断。
权利要求 :
1.一种叶片叶绿素叶面分布特征同步诊断氮钾镁元素亏缺的方法，其特征在于，包括如下步骤：
叶片叶面区域分割：以叶片主叶脉交汇点、叶片轮廓线的主要拐点将叶面分割为大区域，将分割的大区域再分割为若干个小区域；
所述大区域的分割方法包括：
以叶片主叶脉交汇点为原点，叶片轮廓线的主要拐点a作为轮廓线分割点，以非端点轮廓线分割点和原点连线得到大区域分割线段，从而将黄瓜叶片叶面区域分割为a‑1个大区域，其中所述的a为正整数；
所述小区域的分割方法包括：
在非端点的轮廓线分割点与原点形成的大区域分割线段上确定n个小区域分割点，以靠近轮廓线的小区域分割点为起点，将相邻的两条大区域分割线上的分割点按照叶片轮廓线分割点到叶面交汇点的顺序依次对应，两两相连形成小区域分割线段；小区域分割线段、大区域分割线段与外轮廓线将叶片叶面区域分割为 (a‑3)(n+1)个小区域；
所述叶片叶面区域分割共将叶片分为m=(a‑3)(n+1)+2个区域，其中2为未进行小区域划分的两个大区域；
其中所述的a、m、n均为正整数；
所述大区域分割线段上n个小区域分割点分割形成的各个线段长度相等；
叶绿素区域分布特征提取：利用多片叶片作为训练样本，依次检测叶片的叶绿素含量叶面分布图；依次提取叶片叶绿素叶面分布图中m个区域中所有像素点对应的预设的参数，构建自变量数组X；
氮钾镁亏缺诊断模型构建：依次检测叶片的氮钾镁元素营养状况，构建因变量数组Y；
利用叶片对应的自变量数组X、因变量数组Y，建立氮钾镁亏缺诊断模型Y = F（X）；
待测叶片氮钾镁亏缺诊断：将待测叶片叶面区域分割为m个区域；依次提取待测叶片叶绿素叶面分布图中m个区域中所有像素点对应的预设的参数构建待测叶片自变量数组X’；
待测叶片自变量数组X’代入氮钾镁亏缺诊断模型Y = F（X），计算待测叶片因变量数组Y’ = F（X’）。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述预设的参数包括叶绿素含量均值、叶绿素含量方差、叶绿素含量最大值、叶绿素含量最小值。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述自变量数组X构建方法具体操作如下：利用j片叶片叶绿素叶面分布图中m个区域中所有像素点对应的叶绿素含量均值、叶绿素含量方差、叶绿素含量最大值、叶绿素含量最小值构建j行×4m列的自变量数组X；其中，所述的m、j均为正整数。
4.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述因变量数组Y用于记录j片叶片的氮钾镁元素营养状况，包括：
利用营养元素理化分析方法依次检测j片叶片的氮钾镁元素营养状况，构建j行×3列的因变量数组Y；其中，所述的j为正整数。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述因变量数组Y的第1列用于记录氮元素营养状况，取值为0时代表对应叶片氮元素正常，取值为1时代表对应叶片氮元素亏缺；因变量数组Y的第2列用于记录钾元素营养状况，取值为0时代表对应叶片钾元素正常，取值为1时代表对应叶片钾元素亏缺；因变量数组Y的第3列用于记录镁元素营养状况，取值为0时代表对应叶片镁元素正常，取值为1时代表对应叶片镁元素亏缺。
说明书 :
叶片叶绿素叶面分布特征同步诊断氮钾镁元素亏缺的方法
技术领域
[0001] 本发明属于一种作物营养元素亏缺诊断技术领域，涉及一种叶片叶绿素叶面分布特征同步诊断氮钾镁元素亏缺的方法。
背景技术
[0002] 营养元素是叶片合成各种有机化合物的重要成分，参与叶片生长发育过程中的多种代谢，营养元素亏缺往往导致叶片的内部组分和外部形态发生变化。叶绿素是植物叶片
的基本组成物质之一，当作物处于营养元素亏缺状态时，叶片中叶绿素等色素的合成与代
谢产生障碍，进而导致叶片出现相应的缺素症状。
的基本组成物质之一，当作物处于营养元素亏缺状态时，叶片中叶绿素等色素的合成与代
谢产生障碍，进而导致叶片出现相应的缺素症状。
[0003] 氮钾镁元素是黄瓜植株生长、发育过程中所必需的大量营养元素，相关研究表明氮钾镁元素亏缺均导致黄瓜叶片叶绿素含量降低并引起叶片颜色褪绿，因此，基于叶绿素
含量的元素亏缺诊断方法可以有效区分缺氮叶片与正常叶片、缺钾叶片与正常叶片、缺镁
叶片与正常叶片之间的差异，但是难以准确判断缺氮、缺钾与缺镁叶片之间的差异，导致难
以高效同步诊断黄瓜叶片氮钾镁元素亏缺。营养元素理化分析方法如凯氏定氮法、原子吸
收光谱法等可以精确的分析黄瓜叶片的氮钾镁营养元素含量，进而实现黄瓜叶片氮钾镁元
素亏缺的同步诊断，但是营养元素理化分析诊断方法需要破坏检测样本、耗时长、操作过程
复杂。
含量的元素亏缺诊断方法可以有效区分缺氮叶片与正常叶片、缺钾叶片与正常叶片、缺镁
叶片与正常叶片之间的差异，但是难以准确判断缺氮、缺钾与缺镁叶片之间的差异，导致难
以高效同步诊断黄瓜叶片氮钾镁元素亏缺。营养元素理化分析方法如凯氏定氮法、原子吸
收光谱法等可以精确的分析黄瓜叶片的氮钾镁营养元素含量，进而实现黄瓜叶片氮钾镁元
素亏缺的同步诊断，但是营养元素理化分析诊断方法需要破坏检测样本、耗时长、操作过程
复杂。
发明内容
[0004] 本发明从表征叶绿素含量在氮钾镁元素亏缺叶片分布特征的角度出发，提出了一种基于叶片叶绿素叶面分布特征的氮钾镁元素亏缺同步诊断方法。
[0005] 所述一种基于叶片叶绿素叶面分布特征的氮钾镁元素亏缺同步诊断方法，具体包括如下步骤：
[0006] 叶片叶面区域分割：
[0007] 以叶片主叶脉交汇点、叶片轮廓线的主要拐点将叶面分割为大区域，将分割的大区域再分割为小区域。
[0008] 其中所述大区域的分割方法包括：
[0009] 以叶片主叶脉交汇点为原点，叶片轮廓线的主要拐点a作为轮廓线分割点，以非端点轮廓线分割点和原点连线得到大区域分割线段，从而将黄瓜叶片叶面区域分割为a‑1个
大区域，其中所述的a为正整数；
大区域，其中所述的a为正整数；
[0010] 所述小区域的分割方法包括：
[0011] 在非端点的轮廓线分割点与原点形成的大区域分割线段上确定n个小区域分割点，以靠近轮廓线的小区域分割点为起点，将相邻的两条大区域分割线上的分割点按照叶
片轮廓线分割点到叶面交汇点的顺序依次对应，两两相连形成小区域分割线段；小区域分
割线段、大区域分割线段与外轮廓线将叶片叶面区域分割为(a‑3)(n+1)个小区域；
片轮廓线分割点到叶面交汇点的顺序依次对应，两两相连形成小区域分割线段；小区域分
割线段、大区域分割线段与外轮廓线将叶片叶面区域分割为(a‑3)(n+1)个小区域；
[0012] 所述叶片叶面区域分割共将叶片分为m=(a‑3)(n+1)+2个区域，其中2为未进行小区域划分的两个大区域；
[0013] 所述大区域分割线段上n个小区域分割点分割形成的各个线段长度相等；
[0014] 其中，所述大区域分割线段上n个小区域分割点分割形成的各个线段长度相等。
[0015] 叶绿素区域分布特征提取：
[0016] 利用多片叶片作为训练样本，依次检测叶片的叶绿素含量叶面分布图；依次提取叶片叶绿素叶面分布图中m个区域中所有像素点对应的预设的参数，构建自变量数组X。
[0017] 所述预设的参数包括叶绿素含量均值、叶绿素含量方差、叶绿素含量最大值和叶绿素含量最小值。
[0018] 氮钾镁亏缺诊断模型构建：
[0019] 依次检测叶片的氮钾镁元素营养状况，构建因变量数组Y；利用叶片对应的自变量数组X、因变量数组Y，建立氮钾镁亏缺诊断模型Y = F（X）。
[0020] 其中，所述自变量数组X构建方法具体操作如下：利用j片叶片叶绿素叶面分布图中m个区域中所有像素点对应的叶绿素含量均值、叶绿素含量方差、叶绿素含量最大值、叶
绿素含量最小值构建j行×4m列的自变量数组X；其中，所述的m、j均为正整数。
绿素含量最小值构建j行×4m列的自变量数组X；其中，所述的m、j均为正整数。
[0021] 其中所述因变量数组Y用于记录j片叶片的氮钾镁元素营养状况，包括：利用营养元素理化分析方法依次检测j片叶片的氮钾镁元素营养状况，构建j行×3列的因变量数组
Y；其中，所述的j为正整数。
Y；其中，所述的j为正整数。
[0022] 其中，所述因变量数组Y的第1列用于记录氮元素营养状况，取值为0时代表对应叶片氮元素正常，取值为1时代表对应叶片氮元素亏缺；因变量数组Y的第2列用于记录钾元素
营养状况，取值为0时代表对应叶片钾元素正常，取值为1时代表对应叶片钾元素亏缺；因变
量数组Y的第3列用于记录镁元素营养状况，取值为0时代表对应叶片镁元素正常，取值为1
时代表对应叶片镁元素亏缺。
营养状况，取值为0时代表对应叶片钾元素正常，取值为1时代表对应叶片钾元素亏缺；因变
量数组Y的第3列用于记录镁元素营养状况，取值为0时代表对应叶片镁元素正常，取值为1
时代表对应叶片镁元素亏缺。
[0023] 待测叶片氮钾镁亏缺诊断：
[0024] 将待测叶片叶面区域分割为m个区域；依次提取待测叶片叶绿素叶面分布图中m个区域中所有像素点对应的预设的参数构建待测叶片自变量数组X’；待测叶片自变量数组X’
代入氮钾镁亏缺诊断模型Y = F（X），计算待测叶片因变量数组Y’ = F（X’）。
代入氮钾镁亏缺诊断模型Y = F（X），计算待测叶片因变量数组Y’ = F（X’）。
[0025] 所述预设的参数包括叶绿素含量均值、叶绿素含量方差、叶绿素含量最大值和叶绿素含量最小值。
[0026] 本发明的有益效果：
[0027] 本发明从表征叶绿素含量在氮钾镁元素亏缺叶片分布特征的角度出发，将黄瓜叶片叶面区域分割为m个区域，通过逐一提取每个区域所有像素点处叶绿素含量的均值、方
差、最大值以及最小值，实现了黄瓜叶片叶绿素叶面分布特征的精确表征；基于提取的叶绿
素叶面分布特征，构建了可同步诊断黄瓜叶片氮钾镁元素亏缺的诊断模型，建立了基于黄
瓜叶片叶绿素叶面分布特征的氮钾镁元素亏缺同步诊断方法，克服了基于叶绿素含量的元
素亏缺诊断方法无法同步诊断黄瓜叶片氮钾镁元素亏缺的局限性；借助本发明方案以及构
建的氮钾镁元素亏缺诊断模型，可以快速、无损的提取叶绿素叶面分布特征，实现叶片氮钾
镁元素亏缺的高效诊断。
差、最大值以及最小值，实现了黄瓜叶片叶绿素叶面分布特征的精确表征；基于提取的叶绿
素叶面分布特征，构建了可同步诊断黄瓜叶片氮钾镁元素亏缺的诊断模型，建立了基于黄
瓜叶片叶绿素叶面分布特征的氮钾镁元素亏缺同步诊断方法，克服了基于叶绿素含量的元
素亏缺诊断方法无法同步诊断黄瓜叶片氮钾镁元素亏缺的局限性；借助本发明方案以及构
建的氮钾镁元素亏缺诊断模型，可以快速、无损的提取叶绿素叶面分布特征，实现叶片氮钾
镁元素亏缺的高效诊断。
[0028] 高光谱图像技术既可获取待测样本的二维图像信息，又可获取二维图像中每个像素点对应的光谱信息。利用像素点光谱信息对待测组分含量的敏感性，可逐一解析每个像
素点对应的待测组分含量，进而实现待测组分含量在样本空间中的分布可视化。
素点对应的待测组分含量，进而实现待测组分含量在样本空间中的分布可视化。
附图说明
[0029] 图1为黄瓜叶片叶面区域分割示意图；
[0030] 图2为黄瓜叶片叶绿素含量叶面分布图，其中a为图例、b为叶绿素分布图；
[0031] 图3 为经过区域分割的黄瓜叶片叶绿素含量叶面分布图。
[0032] 具体的实施方案
[0033] 为了使本发明的目的、技术方案和优势更加清楚，使本领域技术人员更好的理解本发明的技术方案，下面将结合本发明的附图和具体实施例对本发明的技术方案更加清
楚、完成的描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施方式，而不是全部，基于本发
明的实施例，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方
式，都属于本发明保护的范围。
楚、完成的描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施方式，而不是全部，基于本发
明的实施例，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方
式，都属于本发明保护的范围。
[0034] 实施例1：一种基于叶片叶绿素叶面分布特征的氮钾镁元素亏缺同步诊断方法
[0035] 具体包括如下步骤：
[0036] 叶片叶面区域分割：所述大区域的分割方法包括：
[0037] 以叶片主叶脉交汇点为原点，叶片轮廓线的主要拐点a作为轮廓线分割点，以非端点轮廓线分割点和原点连线得到大区域分割线段，从而将黄瓜叶片叶面区域分割为a‑1个
大区域，其中所述的a为正整数；
大区域，其中所述的a为正整数；
[0038] 所述小区域的分割方法包括：
[0039] 在非端点的轮廓线分割点与原点形成的大区域分割线段上确定n个小区域分割点，以靠近轮廓线的小区域分割点为起点，将相邻的两条大区域分割线上的分割点按照叶
片轮廓线分割点到叶面交汇点的顺序依次对应，两两相连形成小区域分割线段；小区域分
割线段、大区域分割线段与外轮廓线将叶片叶面区域分割为 (a‑3)(n+1)个小区域；
片轮廓线分割点到叶面交汇点的顺序依次对应，两两相连形成小区域分割线段；小区域分
割线段、大区域分割线段与外轮廓线将叶片叶面区域分割为 (a‑3)(n+1)个小区域；
[0040] 所述叶片叶面区域分割共将叶片分为m=(a‑3)(n+1)+2个区域，其中2为未进行小区域划分的两个大区域；
[0041] 其中所述的a、m、n均为正整数；
[0042] 所述大区域分割线段上n个小区域分割点分割形成的各个线段长度相等。
[0043] 叶绿素区域分布特征提取：利用j片叶片作为训练样本，用高光谱图像技术依次检测j片叶片的叶绿素含量叶面分布图；将分割后的m个区域在叶绿素含量叶面分布图上对应
的区域用数字进行无重复编号；依次提取j片叶片叶绿素叶面分布图中m个区域中所有像素
点对应的叶绿素含量均值、叶绿素含量方差、叶绿素含量最大值和叶绿素含量最小值。其中
叶绿素含量均值的计算方式为提取单个区域中各个像素点对应的叶绿素含量，并计算该区
域中所有像素点对应的平均值；叶绿素含量方差的计算方式为提取单个区域中各个像素点
对应的叶绿素含量，并计算该区域中所有像素点对应的方差；叶绿素含量最大值及最小值
的计算方式为提取单个区域中各个像素点对应的叶绿素含量，分别统计该区域中所有像素
点对应的最大值和最小值。
的区域用数字进行无重复编号；依次提取j片叶片叶绿素叶面分布图中m个区域中所有像素
点对应的叶绿素含量均值、叶绿素含量方差、叶绿素含量最大值和叶绿素含量最小值。其中
叶绿素含量均值的计算方式为提取单个区域中各个像素点对应的叶绿素含量，并计算该区
域中所有像素点对应的平均值；叶绿素含量方差的计算方式为提取单个区域中各个像素点
对应的叶绿素含量，并计算该区域中所有像素点对应的方差；叶绿素含量最大值及最小值
的计算方式为提取单个区域中各个像素点对应的叶绿素含量，分别统计该区域中所有像素
点对应的最大值和最小值。
[0044] 氮钾镁亏缺诊断模型构建：利用j片叶片叶绿素叶面分布图中m个区域中所有像素点对应的叶绿素含量均值、叶绿素含量方差、叶绿素含量最大值、叶绿素含量最小值构建j
行×4m列的自变量数组X；利用营养元素理化分析方法依次检测j片叶片的氮钾镁元素营养
状况，构建j行×3列的因变量数组Y用于记录j片叶片的氮钾镁元素营养状况；利用j片叶片
对应的自变量数组X、因变量数组Y，结合K‑近邻模式识别算法建立氮钾镁亏缺诊断模型Y =
F（X）。
行×4m列的自变量数组X；利用营养元素理化分析方法依次检测j片叶片的氮钾镁元素营养
状况，构建j行×3列的因变量数组Y用于记录j片叶片的氮钾镁元素营养状况；利用j片叶片
对应的自变量数组X、因变量数组Y，结合K‑近邻模式识别算法建立氮钾镁亏缺诊断模型Y =
F（X）。
[0045] 其中，所述的因变量数组Y的第1列用于记录氮元素营养状况，取值为0时代表对应叶片氮元素正常，取值为1时代表对应叶片氮元素亏缺；因变量数组Y的第2列用于记录钾元
素营养状况，取值为0时代表对应叶片钾元素正常，取值为1时代表对应叶片钾元素亏缺；因
变量数组Y的第3列用于记录镁元素营养状况，取值为0时代表对应叶片镁元素正常，取值为
1时代表对应叶片镁元素亏缺。
素营养状况，取值为0时代表对应叶片钾元素正常，取值为1时代表对应叶片钾元素亏缺；因
变量数组Y的第3列用于记录镁元素营养状况，取值为0时代表对应叶片镁元素正常，取值为
1时代表对应叶片镁元素亏缺。
[0046] 待测叶片氮钾镁亏缺诊断：对q片待测叶片，利用区域分割线段、大区域分割线段与外轮廓线将每一片待测叶片叶面区域分割为m个区域；依次提取q片待测叶片叶绿素叶面
分布图中m个区域中所有像素点对应的叶绿素含量均值、叶绿素含量方差、叶绿素含量最大
值、叶绿素含量最小值构建q行×4m列的待测叶片自变量数组X’；待测叶片自变量数组X’代
入氮钾镁亏缺诊断模型Y = F（X），计算q行×3列待测叶片因变量数组Y’ = F（X’），其中第u
片待测叶片的氮钾镁元素营养状况由待测叶片因变量数组Y’的第u行取值Y’u决定。
分布图中m个区域中所有像素点对应的叶绿素含量均值、叶绿素含量方差、叶绿素含量最大
值、叶绿素含量最小值构建q行×4m列的待测叶片自变量数组X’；待测叶片自变量数组X’代
入氮钾镁亏缺诊断模型Y = F（X），计算q行×3列待测叶片因变量数组Y’ = F（X’），其中第u
片待测叶片的氮钾镁元素营养状况由待测叶片因变量数组Y’的第u行取值Y’u决定。
[0047] 其中，所述的a、m、n、q、j均为正整数。
[0048] 实施例2：基于黄瓜叶片叶绿素叶面分布特征的氮钾镁元素亏缺同步诊断
[0049] 包含黄瓜叶片叶面区域分割、叶绿素区域分布特征提取、氮钾镁亏缺诊断模型构建、待测黄瓜叶片氮钾镁亏缺诊断四个步骤。
[0050] S1. 黄瓜叶片叶面区域分割：
[0051] (1) 以黄瓜叶片主叶脉交汇点为O点，以黄瓜叶片轮廓线形成的封闭区域为黄瓜叶片叶面待分割区域，依次选择黄瓜叶片轮廓线的九个主要拐点A、B、C、D、E、F、G、H、I作为
轮廓线分割点，其中轮廓线分割点E为黄瓜叶片最长主叶脉末端处的叶尖；用线条分别以轮
廓线分割点B、C、D、E、F、G、H为起点，以O点为终点作连线，得到大区域分割线段BO、CO、DO、
EO、FO、GO、HO；从而将黄瓜叶片叶面区域分割为OAB、OBC、OCD、ODE、OEF、OFG、OGH、OHI八个大
区域，如图1所示。
轮廓线分割点，其中轮廓线分割点E为黄瓜叶片最长主叶脉末端处的叶尖；用线条分别以轮
廓线分割点B、C、D、E、F、G、H为起点，以O点为终点作连线，得到大区域分割线段BO、CO、DO、
EO、FO、GO、HO；从而将黄瓜叶片叶面区域分割为OAB、OBC、OCD、ODE、OEF、OFG、OGH、OHI八个大
区域，如图1所示。
[0052] (2)在大区域分割线段BO上确定3（即n = 3）个小区域分割点B1、B2、B3，使得线段BB1、B1B2、B2B3、B3O长度相等；在大区域分割线段CO上确定3个小区域分割点C1、C2、C3，使得线
段CC1、C1C2、C2C3、C3O长度相等；在大区域分割线段DO上确定3个小区域分割点D1、D2、D3，使得
线段DD1、D1D2、D2D3、D3O长度相等；在大区域分割线段EO上确定3个小区域分割点E1、E2、E3，使
得线段EE1、E1E2、E2E3、E3O长度相等；在大区域分割线段FO上确定3个小区域分割点F1、F2、F3，
使得线段FF1、F1F2、F2F3、F3O长度相等；在大区域分割线段GO上确定3个小区域分割点G1、G2、
G3，使得线段GG1、G1G2、G2G3、G3O长度相等；在大区域分割线段HO上确定3个小区域分割点H1、
H2、H3，使得线段HH1、H1H2、H2H3、H3O长度相等。
段CC1、C1C2、C2C3、C3O长度相等；在大区域分割线段DO上确定3个小区域分割点D1、D2、D3，使得
线段DD1、D1D2、D2D3、D3O长度相等；在大区域分割线段EO上确定3个小区域分割点E1、E2、E3，使
得线段EE1、E1E2、E2E3、E3O长度相等；在大区域分割线段FO上确定3个小区域分割点F1、F2、F3，
使得线段FF1、F1F2、F2F3、F3O长度相等；在大区域分割线段GO上确定3个小区域分割点G1、G2、
G3，使得线段GG1、G1G2、G2G3、G3O长度相等；在大区域分割线段HO上确定3个小区域分割点H1、
H2、H3，使得线段HH1、H1H2、H2H3、H3O长度相等。
[0053] （3）分别用线条将小区域分割点B1C1、B2C2、B3C3，C1D1、C2D2、C3D3，D1E1、D2E2、D3E3，E1F1、E2F2、E3F3，F1G1、F2G2、F3G3，G1H1、G2H2、G3H3相连而形成小区域分割线段；小区域分割线
段、大区域分割线段与外轮廓线将黄瓜叶片叶面区域分割为26个小区域；
段、大区域分割线段与外轮廓线将黄瓜叶片叶面区域分割为26个小区域；
[0054] S2. 叶绿素区域分布特征提取：
[0055] （1）利用无土栽培方式培育60片黄瓜叶片作为训练样本，用高光谱图像技术（ImSpector V10E, Spectral Imaging Ltd., Oulu, Finland）依次检测60（即j = 60）片
黄瓜叶片的叶绿素含量叶面分布图K1，K2，……，K59，K60；其中单片黄瓜叶片的叶绿素含量叶
面分布图如图2所示，其中叶绿素分布图中像素点的灰度值代表了该像素点处的叶绿素含
量值，像素点的灰度值越低，该像素点对应的叶绿素含量越低；像素点的灰度值越高，该像
素点对应的叶绿素含量越高；像素点灰度值与叶绿素含量值的对应关系如图2中图例a所
示。
黄瓜叶片的叶绿素含量叶面分布图K1，K2，……，K59，K60；其中单片黄瓜叶片的叶绿素含量叶
面分布图如图2所示，其中叶绿素分布图中像素点的灰度值代表了该像素点处的叶绿素含
量值，像素点的灰度值越低，该像素点对应的叶绿素含量越低；像素点的灰度值越高，该像
素点对应的叶绿素含量越高；像素点灰度值与叶绿素含量值的对应关系如图2中图例a所
示。
[0056] （2）将26个小区域在叶绿素含量叶面分布图上对应的区域进行无重复编号，经过区域分割的黄瓜叶片叶绿素含量叶面分布如图3所示，其中26个小区域对应的编号为图3中
各小区域内括号中的阿拉伯数字。
各小区域内括号中的阿拉伯数字。
[0057] （3）依次提取60片黄瓜叶片叶绿素叶面分布图K1，K2，……，K59，K60中26个小区域中所有像素点对应的叶绿素含量均值X_P1_1，X_P1_2，……，X_P1_59，X_P1_60，其中第i片黄瓜
叶片的叶绿素含量叶面分布图Ki对应的叶绿素含量均值X_P1_i = [X_P1_i_1，X_P1_i_
2，……，X_P1_i_25，X_P1_i_26]，X_P1_i_v为第i片黄瓜叶片内第v个小区域内所有像素点对
应的叶绿素含量均值，且i∈{1，2，……，59，60}，v∈{1，2，……，25，26}。
叶片的叶绿素含量叶面分布图Ki对应的叶绿素含量均值X_P1_i = [X_P1_i_1，X_P1_i_
2，……，X_P1_i_25，X_P1_i_26]，X_P1_i_v为第i片黄瓜叶片内第v个小区域内所有像素点对
应的叶绿素含量均值，且i∈{1，2，……，59，60}，v∈{1，2，……，25，26}。
[0058] （4）依次提取60片黄瓜叶片叶绿素叶面分布图K1，K2，……，K59，K60中26个小区域中所有像素点对应的叶绿素含量方差X_P2_1，X_P2_2，……，X_P2_59，X_P2_60，其中第i片黄瓜
叶片的叶绿素含量叶面分布图Ki对应的叶绿素含量方差X_P2_i = [X_P2_i_1，X_P2_i_
2，……，X_P2_i_25，X_P2_i_26]，X_P2_i_v为第i片黄瓜叶片内第v个小区域内所有像素点对
应的叶绿素含量方差，且i∈{1，2，……，59，60}，v∈{1，2，……，25，26}。
叶片的叶绿素含量叶面分布图Ki对应的叶绿素含量方差X_P2_i = [X_P2_i_1，X_P2_i_
2，……，X_P2_i_25，X_P2_i_26]，X_P2_i_v为第i片黄瓜叶片内第v个小区域内所有像素点对
应的叶绿素含量方差，且i∈{1，2，……，59，60}，v∈{1，2，……，25，26}。
[0059] （5）依次提取60片黄瓜叶片叶绿素叶面分布图K1，K2，……，K59，K60中26个小区域中所有像素点对应的叶绿素含量最大值X_P3_1，X_P3_2，……，X_P3_59，X_P3_60，其中第i片黄
瓜叶片的叶绿素含量叶面分布图Ki对应的叶绿素含量最大值X_P3_i = [X_P3_i_1，X_P3_i_
2，……，X_P3_i_25，X_P3_i_26]，X_P3_i_v为第i片黄瓜叶片内第v个小区域内所有像素点对
应的叶绿素含量最大值，且i∈{1，2，……，59，60}，v∈{1，2，……，25，26}。
瓜叶片的叶绿素含量叶面分布图Ki对应的叶绿素含量最大值X_P3_i = [X_P3_i_1，X_P3_i_
2，……，X_P3_i_25，X_P3_i_26]，X_P3_i_v为第i片黄瓜叶片内第v个小区域内所有像素点对
应的叶绿素含量最大值，且i∈{1，2，……，59，60}，v∈{1，2，……，25，26}。
[0060] （6）依次提取60片黄瓜叶片叶绿素叶面分布图K1，K2，……，K59，K60中26个小区域中所有像素点对应的叶绿素含量最小值X_P4_1，X_P4_2，……，X_P4_59，X_P4_60，其中第i片黄
瓜叶片的叶绿素含量叶面分布图Ki对应的叶绿素含量最小值X_P4_i = [X_P4_i_1，X_P4_i_
2，……，X_P4_i_25，X_P4_i_26]，X_P4_i_v为第i片黄瓜叶片内第v个小区域内所有像素点对
应的叶绿素含量最小值，且i∈{1，2，……，59，60}，v∈{1，2，……，25，26}。
瓜叶片的叶绿素含量叶面分布图Ki对应的叶绿素含量最小值X_P4_i = [X_P4_i_1，X_P4_i_
2，……，X_P4_i_25，X_P4_i_26]，X_P4_i_v为第i片黄瓜叶片内第v个小区域内所有像素点对
应的叶绿素含量最小值，且i∈{1，2，……，59，60}，v∈{1，2，……，25，26}。
[0061] S3. 氮钾镁亏缺诊断模型构建：
[0062] （1）依次利用60片黄瓜叶片叶绿素叶面分布图K1，K2，……，K59，K60中26个小区域中所有像素点对应的叶绿素含量均值、叶绿素含量方差、叶绿素含量最大值、叶绿素含量最小
值[X_P1_1，X_P2_1，X_P3_1，X_P4_1]，[X_P1_2，X_P2_2，X_P3_2，X_P4_2]，……，[X_P1_59，X_
P2_59，X_P3_59，X_P4_59]，[X_P1_60，X_P2_60，X_P3_60，X_P4_60]构建60行×[26个小区域×
4个参数（叶绿素含量均值、叶绿素含量方差、叶绿素含量最大值、叶绿素含量最小值）]行，
即60行×104列的自变量数组X；其中自变量数组X中第i行第1列到26列为第i片黄瓜叶片的
叶绿素含量叶面分布图Ki对应的叶绿素含量均值X_P1_i，自变量数组X中第i行第27列到52
列为第i片黄瓜叶片的叶绿素含量叶面分布图Ki对应的叶绿素含量方差X_P2_i，自变量数组
X中第i行第53列到78列为第i片黄瓜叶片的叶绿素含量叶面分布图Ki对应的叶绿素含量最
大值X_P3_i，自变量数组X中第i行第79列到104列为第i片黄瓜叶片的叶绿素含量叶面分布
图Ki对应的叶绿素含量最小值X_P4_i。
值[X_P1_1，X_P2_1，X_P3_1，X_P4_1]，[X_P1_2，X_P2_2，X_P3_2，X_P4_2]，……，[X_P1_59，X_
P2_59，X_P3_59，X_P4_59]，[X_P1_60，X_P2_60，X_P3_60，X_P4_60]构建60行×[26个小区域×
4个参数（叶绿素含量均值、叶绿素含量方差、叶绿素含量最大值、叶绿素含量最小值）]行，
即60行×104列的自变量数组X；其中自变量数组X中第i行第1列到26列为第i片黄瓜叶片的
叶绿素含量叶面分布图Ki对应的叶绿素含量均值X_P1_i，自变量数组X中第i行第27列到52
列为第i片黄瓜叶片的叶绿素含量叶面分布图Ki对应的叶绿素含量方差X_P2_i，自变量数组
X中第i行第53列到78列为第i片黄瓜叶片的叶绿素含量叶面分布图Ki对应的叶绿素含量最
大值X_P3_i，自变量数组X中第i行第79列到104列为第i片黄瓜叶片的叶绿素含量叶面分布
图Ki对应的叶绿素含量最小值X_P4_i。
[0063] （2）利用营养元素理化分析方法（原子吸收光谱法、凯氏定氮法）依次检测60片黄瓜叶片的氮钾镁元素营养状况，构建60行×3列的因变量数组Y用于记录60片黄瓜叶片的氮
钾镁元素营养状况，因变量数组Y的第1列用于记录氮元素营养状况，取值为0时代表对应叶
片氮元素正常，取值为1时代表对应叶片氮元素亏缺；因变量数组Y的第2列用于记录钾元素
营养状况，取值为0时代表对应叶片钾元素正常，取值为1时代表对应叶片钾元素亏缺；因变
量数组Y的第3列用于记录镁元素营养状况，取值为0时代表对应叶片镁元素正常，取值为1
时代表对应叶片镁元素亏缺。
钾镁元素营养状况，因变量数组Y的第1列用于记录氮元素营养状况，取值为0时代表对应叶
片氮元素正常，取值为1时代表对应叶片氮元素亏缺；因变量数组Y的第2列用于记录钾元素
营养状况，取值为0时代表对应叶片钾元素正常，取值为1时代表对应叶片钾元素亏缺；因变
量数组Y的第3列用于记录镁元素营养状况，取值为0时代表对应叶片镁元素正常，取值为1
时代表对应叶片镁元素亏缺。
[0064] 如第i片黄瓜叶片为氮钾镁元素均亏缺时，因变量数组Y的第i行Yi = [1 1 1]；当第i片黄瓜叶片为氮钾元素亏缺而镁元素正常时，因变量数组Y的第i行Yi = [1 1 0]；当第
i片黄瓜叶片为氮镁元素亏缺而钾元素正常时，因变量数组Y的第i行Yi = [1 0 1]；当第i
片黄瓜叶片为钾镁元素亏缺而氮元素正常时，因变量数组Y的第i行Yi = [0 1 1]；当第i片
黄瓜叶片为氮元素亏缺而钾镁元素正常时，Yi = [1 0 0]；当第i片黄瓜叶片为钾元素亏缺
而氮镁元素正常时，因变量数组Y的第i行Yi = [0 1 0]；当第i片黄瓜叶片为镁元素亏缺而
氮钾元素正常时，因变量数组Y的第i行Yi = [0 0 1]；当第i片黄瓜叶片为氮钾镁元素均正
常时，因变量数组Y的第i行Yi = [0 0 0]。
i片黄瓜叶片为氮镁元素亏缺而钾元素正常时，因变量数组Y的第i行Yi = [1 0 1]；当第i
片黄瓜叶片为钾镁元素亏缺而氮元素正常时，因变量数组Y的第i行Yi = [0 1 1]；当第i片
黄瓜叶片为氮元素亏缺而钾镁元素正常时，Yi = [1 0 0]；当第i片黄瓜叶片为钾元素亏缺
而氮镁元素正常时，因变量数组Y的第i行Yi = [0 1 0]；当第i片黄瓜叶片为镁元素亏缺而
氮钾元素正常时，因变量数组Y的第i行Yi = [0 0 1]；当第i片黄瓜叶片为氮钾镁元素均正
常时，因变量数组Y的第i行Yi = [0 0 0]。
[0065] （3）利用60片黄瓜叶片对应的自变量数组X、因变量数组Y，结合K‑近邻模式识别算法建立氮钾镁亏缺诊断模型Y = F（X）。
[0066] 实施例3：待测黄瓜叶片氮钾镁亏缺诊断
[0067] （1）按照实施例2步骤S1描述的方法，对10（即q = 10）片待测黄瓜叶片，利用小区域分割线段、大区域分割线段与外轮廓线将每一片待测黄瓜叶片叶面区域分割为26个小区
域；
域；
[0068] （2）按照实施例2步骤S2及S3描述的方法，依次提取10片待测黄瓜叶片叶绿素叶面分布图中26个小区域中所有像素点对应的叶绿素含量均值、叶绿素含量方差、叶绿素含量
最大值、叶绿素含量最小值[X’_P1_1，X’_P2_1，X’_P3_1，X’_P4_1]，[X’_P1_2，X’_P2_2，X’_
P3_2，X’_P4_2]，……，[X’_P1_9，X’_P2_ 9，X’_P3_9，X’_P4_9]，[X’_P1_10，X’_P2_10，X’_P3_
10，X’_P4_10]构建10行×104列的待测叶片自变量数组X’；其中第u片待测黄瓜叶片叶绿素
叶面分布图中m个小区域中所有像素点对应的叶绿素含量均值、叶绿素含量方差、叶绿素含
量最大值、叶绿素含量最小值为[X’_P1_u，X’_P2_u，X’_P3_u，X’_P4_u]，其中u = 1，2，……，
9，10。
最大值、叶绿素含量最小值[X’_P1_1，X’_P2_1，X’_P3_1，X’_P4_1]，[X’_P1_2，X’_P2_2，X’_
P3_2，X’_P4_2]，……，[X’_P1_9，X’_P2_ 9，X’_P3_9，X’_P4_9]，[X’_P1_10，X’_P2_10，X’_P3_
10，X’_P4_10]构建10行×104列的待测叶片自变量数组X’；其中第u片待测黄瓜叶片叶绿素
叶面分布图中m个小区域中所有像素点对应的叶绿素含量均值、叶绿素含量方差、叶绿素含
量最大值、叶绿素含量最小值为[X’_P1_u，X’_P2_u，X’_P3_u，X’_P4_u]，其中u = 1，2，……，
9，10。
[0069] （3）待测叶片自变量数组X’代入氮钾镁亏缺诊断模型Y = F（X），计算10行×3列待测叶片因变量数组Y’ = F（X’），其中第u片待测叶片的氮钾镁元素营养状况由待测叶片因
变量数组Y’的第u行取值Y’u决定；若Y’u的第1列取值为0时代表第u片待测叶片氮元素正常，
Y’u的第1列取值为1时代表第u片待测叶片氮元素亏缺；若Y’u的第2列取值为0时代表第u片
待测叶片钾元素正常，Y’u的第2列取值为1时代表第u片待测叶片钾元素亏缺；若Y’u的第3列
取值为0时代表第u片待测叶片镁元素正常，Y’u的第3列取值为1时代表第u片待测叶片镁元
素亏缺。
变量数组Y’的第u行取值Y’u决定；若Y’u的第1列取值为0时代表第u片待测叶片氮元素正常，
Y’u的第1列取值为1时代表第u片待测叶片氮元素亏缺；若Y’u的第2列取值为0时代表第u片
待测叶片钾元素正常，Y’u的第2列取值为1时代表第u片待测叶片钾元素亏缺；若Y’u的第3列
取值为0时代表第u片待测叶片镁元素正常，Y’u的第3列取值为1时代表第u片待测叶片镁元
素亏缺。
[0070] 表1. 待测叶片氮钾镁元素亏缺同步诊断结果
[0071]