一种多模态信息融合的马尾松种子活性检测系统及其检测方法
技术领域
本发明涉及种子活力、育种、种子加工及处理过程标准化监控技术领域，具 体涉及一种多模态信息融合的马尾松种子活性检测系统及其检测方法。
背景技术
种子活力即种子的健壮程度，是种子发芽和出苗率、幼苗生长的潜势以及 植株抗逆能力和生产潜力的总和，是种子品质的重要指标。低品质的种子田间出 芽率较低，从而造成严重的经济损失，因此种子活力的检测成为农、林业发展的 重要一环，它直接影响农业生产和自然环境等民生问题；对种子活力检测方法准 确地掌握、合理地选取和精确地应用不仅提高了种子活力测定效率，更间接地推 动了整个农、林业及其衍生行业的发展。
而现有技术中缺少可以合理检测种子活性的系统以及方法，尤其是针对马 尾松种子的活性检测；马尾松种子的活性影响着马尾松的发芽成功率，一直以来 就是林业发展中的重要一环而备受人们关注，传统的种子检测手段虽然多种多样， 但大多数工序繁杂而且检测时所使用的指标相对单一，不能综合有效地反映在马 尾松种子的活性，因此迫切的需要一种能够综合多种模态信息的同时，又做到简 便、快速高效而准确的马尾松种子活性检测系统。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术存在的不足，提供一种多模态信息融合的马尾 松种子活性检测系统及其检测方法。
技术方案：本发明解决问题所采用的技术方案为：一种多模态信息融合的马 尾松种子活性检测系统，包括密封的气室箱体；该气室箱体整体密封设置，其上 端两侧还分别向上延伸设置有相机架固定板，并且在相机架固定板上则安装有向 箱体中心延伸的相机支撑杆，所述的相机支撑杆延伸到一处后安装设置有调焦式 高光谱相机，该调焦式高光谱相机设置在气室箱体的上端中心位置处，拍摄方向 对准下方的气室箱体，并且所述气室箱体的底部还通过设置的电子秤支撑有系统 量盘，并且所述气室箱体内还安装有音叉式二氧化碳浓度传感器以及在气室箱体 的两侧壁还安装有与调焦式高光谱相机配合的全光谱灯管，并且所述的气室箱体 前端还通过转轴相应铰接安装有密封侧盖。
作为优选，所述的气室箱体整体设置为超白玻璃制作而成，并且在密封侧盖 处设置有防止气体泄漏的密封胶圈；气室箱体上端的相机支撑杆3相应设置有四 根，在气室箱体上端中间位置处相交设置。
作为优选，所述的系统量盘设置为能够吸收个谱段光谱的含铅PVC材料制 作而成；并且系统量盘中央部位印有边长为20cm、宽度为1cm的纯白色框线， 用于划定种子的放置区域，并利于后续高光谱图像的分割。
本发明还提供一种多模态信息融合的马尾松种子活性检测方法，首先对马尾 松种子中的淀粉变化进行检测、并对马尾松种子环境中的二氧化碳浓度的变化进 行检测，并融合马尾松种子质量以及体积信息先建立种子活性的样本模板，再进 行模板比对与更新，最终实现马尾松种子活性的分级检测；其具体包括以下步骤：
(1)将马尾松种子放入水中浸泡5-7小时后取出，使用吸水纸擦拭干净， 使得种子吸收充足水分从而完成种子激活，激活后选取相应活性的样本放入气室 箱体中系统量盘之上；
(2)将气室箱体整体封闭密封后，通过系统量盘以及底部电子秤配合获取 这批马尾松种子的质量信息m；
(3)通过变焦式高光谱相机获取气室箱体内系统量盘的高光谱图像，并将 各个采集时间点的光谱原始信息记录为Ir(t)；
(4)通过音叉式二氧化碳浓度传感器测量采集气室箱体内二氧化碳浓度的 变化，并将测量开始后12小时内的浓度变化曲线记录为函数c(t)；
(5)利用阈值分割法，在Ir(t)中寻找出高亮部分作为框线，从而获得测量 有效光谱Ii(t)＝Ir(t)∈O，式中O表示框线区域内的索引范围；
(6)对步骤(5)中的Ii(t)通过多谱段联合验证的方式进行的体积测量，获 得马尾松种子的估计体积V；
(7)使用特征谱段分析得出种子内淀粉含量随时间变化的曲线sth(t)，分析 种子含水量的特征谱段获得湿度随时间变化的曲线hm(t)；
(8)对二氧化碳浓度变化进行特征点判别，分析出特征信息启动时间ts、 平均呼吸速率r以及呼吸饱和时间tc；
(9)重复上述步骤(1)至(8)，直至全部样本测量完毕；
(10)抽取每类样本数据中的单个数据作为各个类别样本模板的模板核，设 有n类不同的样本，各个样本模板的样本核记为tp1,tp2,tpi…,tpn，生成各个类 别的模板样本集合tpc1,tpc2,tpci…,tpcn；
(11)从每类样本中抽取单个数据，并加入样本集合tpci；
(12)计算此时各类样本分布的协方差矩阵tpsi；
(13)计算新抽取的单个数据与其原有各个样本模板的差异值，
(14)将各个差异值进行归一化，得出样本的更新权重wi，利用该值更新模 板；
(15)重复上述模板更新过程步骤10至14，直到全部数据抽取完毕后存储 tpi以及tpsi，至此马尾松种子的活性模板建立完成。
其中，所述步骤(6)中体积V估测方式如下：
式中，bin表示根据背景阈值进行二值化，Ii(t)[1]表示t时刻有效光谱内第 一个波长点的数据，|表示或运算，Of表示索引范围的全1矩阵，式中d由权利要 求3中所述的测量盘底部所印制的线框大小决定；该式表示共有m个不同波长的 数据经过二值化后进行或运算并求和，并求取在框线区域的占比，从而估算放入 量盘中的马尾松种子的体积。
其中，所述步骤(8)中二氧化碳的浓度变化曲线特征值的计算方法如下：
式中，r为平均呼吸速率，hist表示求直方统计值，mean表示求平均值，ts为 启动时间，tc为饱和时间。
其中，所述步骤(13)中输入数据x与第i个模板之间的差异计算如下：
式中，x表示输入数据，tpi表示第i个模板的模板核，tpsi表示样本分布的协 方差矩阵。
本发明还包含系统的活性分级模板使用过程，该过程中，先测量相关数据， 后重复步骤(11)至(13)，得出测量数据与模板数据间的距离后将距离最短的 模板作为所属类别结果。
有益效果：本发明与现有技术相比，具有以下优点：
(1)本发明中气室箱体密封设置，其内部设置有全光谱灯管、音叉式二氧 化碳浓度传感器以及底部的系统量盘和电子秤；而箱体的上端通过设置相机架固 定板和相机支撑杆来安装调焦式高光谱相机；通过全光谱灯管和调焦式高光谱相 机配合采集光谱信息以及可相应采集二氧化碳浓度信息变化，种子体积变化等， 为后续的活性检测计算提供良好的数据支持，各数据的采集精确、方便；整体结 构也非常的合理；
(2)本发明将多种模态的信息融合进入马尾松种子的识别，并在一次测量 的同时记录种子的各项活性指标；避免了传统方法中分别的多次不同试验，达成 了马尾松种子活性检测的一次性快速化，大大节约了实验所需花费时间；
(3)本发明采用独特的活性模板法建立了马尾松种子的活性模板模型，利 用高维空间中的距离作为衡量各个模板之间的差异，并利用依次迭代的方式生成 模板，使得测量的精度可以不断提升，通过加入新的样本可以使分类精度进一步 升级；
(3)本发明同时从二氧化碳的浓度变化和种子中淀粉类物质含量的变化两 个角度来分析种子的呼吸作用的强弱，从而间接反映出种子的活性强弱，相较于 传统的发芽实验等方法提高了种子活性检测的速度又避免了珍贵种子受到损伤。
附图说明
图1为本发明结构示意图；
图2为图1主视图。
图3为经过体积归一化后的测量值变化曲线图；
图4为计算各类别与样本之间的距离值结果图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，本实施例在以本发明技术 方案为前提下进行实施，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发 明的范围。
实施例1
如图1和图2所示，一种多模态信息融合的马尾松种子活性检测系统，包括 密封的气室箱体1；该气室箱体1整体密封设置，其上端两侧还分别向上延伸设 置有相机架固定板2，并且在相机架固定板2上则安装有向箱体中心延伸的相机 支撑杆3，相机支撑杆3延伸到一处后安装设置有调焦式高光谱相机4，该调焦 式高光谱相机4设置在气室箱体1的上端中心位置处，拍摄方向对准下方的气室 箱体1，并且气室箱体1的底部还通过设置的电子秤5支撑有系统量盘6，并且 气室箱体1内还安装有音叉式二氧化碳浓度传感器7以及在气室箱体1的两侧壁 还安装有与调焦式高光谱相机4配合的全光谱灯管8，并且气室箱体1前端还通 过转轴9相应铰接安装有密封侧盖10。
气室箱体1整体设置为超白玻璃制作而成，并且在密封侧盖10处设置有防 止气体泄漏的密封胶圈；气室箱体1上端的相机支撑杆3相应设置有四根，在气 室箱体1上端中间位置处相交设置；系统量盘6设置为能够吸收个谱段光谱的含 铅PVC材料制作而成；并且系统量盘6中央部位印有边长为20cm、宽度为1cm 的纯白色框线，用于划定种子的放置区域，并利于后续高光谱图像的分割。
本实施例中检测方法如下：先将马尾松种子放入水中浸泡5-7小时后取出， 优选浸泡6小时后取出，使用吸水纸擦拭干净，使得种子吸收充足水分从而完成 种子激活，激活后选取相应活性的样本放入气室箱体中系统量盘之上；
将气室箱体整体封闭密封后，通过系统量盘以及底部电子秤配合获取这批马 尾松种子的质量信息m；之后通过变焦式高光谱相机获取气室箱体内系统量盘的 高光谱图像，并将各个采集时间点的光谱原始信息记录为Ir(t)；通过音叉式二氧 化碳浓度传感器测量采集气室箱体内二氧化碳浓度的变化，并将浓度变化曲线记 录为函数c(t)；
利用阈值分割法，在Ir(t)中寻找出高亮部分作为框线，从而获得测量有效光 谱Ii(t)＝Ir(t)∈O，式中O表示框线区域内的索引范围；对该有效光谱Ii(t)通过 多谱段联合验证的方式进行的体积测量，获得马尾松种子的估计体积V；其中， 该体积V估测方式如下：
式中，bin表示根据背景阈值进行二值化，Ii(t)[1]表示t时刻有效光谱内第 一个波长点的数据，|表示或运算，Of表示索引范围的全1矩阵，式中d由权利要 求3中所述的测量盘底部所印制的线框大小决定；该式表示共有m个不同波长的 数据经过二值化后进行或运算并求和，并求取在框线区域的占比，从而估算放入 量盘中的马尾松种子的体积。
使用特征谱段分析得出种子内淀粉含量随时间变化的曲线sth(t)；对二氧化 碳浓度变化进行特征点判别，分析出特征信息启动时间ts、平均呼吸速率r以及 呼吸饱和时间tc；其中，二氧化碳的浓度变化曲线特征值的计算方法如下：
式中，r为平均呼吸速率，hist表示求直方统计值，mean表示求平均值，ts为 启动时间，tc为饱和时间。重复上述步骤，直至全部样本测量完毕。
之后抽取每类样本数据中的单个数据作为各个类别样本模板的模板核，设有 n类不同的样本，各个样本模板的样本核记为tp1,tp2,tpi…,tpn，生成各个类别 的模板样本集合tpc1,tpc2,tpci…,tpcn；从每类样本中抽取单个数据，并加入样 本集合tpci；计算此时各类样本分布的协方差矩阵tpsi；计算新抽取的单个数据 与其原有各个样本模板的差异值，其中，输入数据x与第i个模板之间的差异计算 如下：
式中，x表示输入数据，tpi表示第i个模板的模板核，tpsi表示样本分布的协 方差矩阵；将各个差异值进行归一化，得出样本的更新权重wi，利用该值更新模 板；重复上述模板更新过程，直到全部数据抽取完毕后存储tpi以及tpsi，至此马 尾松种子的活性模板建立完成。
模板建立完成后，可放入种子进行测量。取适量健康的马尾松种子，放入测 量室内进行测量，可观察到各类测量值的变化，如图3所示为经过体积归一化后 的测量值变化曲线图。从图中可观察到三类不同测量物质归一化后的测量数值变 化情况，从图中可以看到二氧化碳以及湿度虽然有一定的小幅度波动，但总体呈 现出类S形曲线。而通过光谱信息分析出的该批的种子的淀粉转化状况呈反S 形，这说明种子的呼吸状况良好，淀粉转化正常。通过该样本的观测数据可与样 本库中建立的各类样本核之间计算样本差异。
如图4所示为计算各类别与样本之间的距离值结果，模板共设置了5类样本 模板，各类模板与所测样本的距离值经步骤13可获得。从图中可以看到各类结 果具有不同的差异值，并且该样本与模板3的差异最小，因而可将该样本划分为 模板3所属类别，从而获知该种子的活性等级。
利用本发明独特的活性模板法建立了马尾松种子的活性模板模型，利用了高 维空间中的距离作为衡量各个模板之间的差异，并利用依次迭代的方式生成模板， 使得测量的精度可以不断提升，通过加入新的样本可以使分类精度进一步升级； 本发明将多种模态的信息融合进入马尾松种子的识别，并在一次测量的同时记录 种子的各项活性指标；避免了传统方法中分别的多次不同试验，达成了马尾松种 子活性检测的一次性快速化，大大节约了实验所需花费时间；本发明同时从二氧 化碳的浓度变化和种子中淀粉类物质含量的变化两个角度来分析种子的呼吸作 用的强弱，从而间接反映出种子的活性强弱，相较于传统的发芽实验等方法提高 了种子活性检测的速度又避免了珍贵种子受到损伤。
上述具体实施方式只是本发明的一个优选实施例，并不是用来限制本发明的 实施与权利要求范围的，凡依据本发明申请专利保护范围内容做出的等效变化和 修饰，均应包括于本发明专利申请范围内。
