全 文 ：收稿日期：!""#$%"$!" 接受日期：!""&$"%$%’
基金项目：新疆生产建设兵团重点科技攻关项目（"())"*）资助。
作者简介：李艳（%+&+—），女，新疆人，硕士研究生，主要从事作物营养与施肥方面的研究。,-./01：102/3&+%+42/5667 86.7 83
! 通讯作者 9:1："++*$!"’;!!&，,-./01：<:0-85/3=>56?4%#*@ 86.
基于数字图像分析监测不同氮肥处理下
加工番茄生长状况的初步研究
李 艳%，王 进!，褚贵新%，*，马富裕%，*，危常州%，*!
（% 石河子大学农学院，新疆石河子 ;*!"""；! 石河子大学生物工程学院，新疆石河子 ;*!"""；
* 石河子大学新疆绿洲生态农业重点实验室，新疆石河子 ;*!"""）
摘要：利用数字相机获取田间加工番茄冠层影像，通过图像处理软件准确识别冠层和背景像素，分析了加工番茄不
同施氮量下提取的地面覆盖度与生物学参数间的相关关系，其相关系数都达到 "@+#以上，呈极显著相关；分析了
光谱参数—绿色深度指数（A)BC）与叶片叶绿素含量相关关系，二者表现出 D E "@&(以上的极显著直线相关。结果
表明，利用地面覆盖度可在生长前期监控加工番茄生长量，预测生物学产量和叶面积系数；在果实膨大期预测吸氮
量和经济产量。利用光谱参数 A)BC可监测加工番茄叶片叶绿素含量。本结果可快速准确监测加工番茄生长发
育，为加工番茄生产提供科学依据。
关键词：加工番茄；图像分析；地面覆盖度；绿色深度指数；叶绿素含量
中图分类号：F#(!@% 文献标识码：G 文章编号：%"";$’"’H（!"";）"%$"%*+$"’
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8516D6T5211 8638:3SD/S063
随着精准农业的发展，遥感作为一种监测作物
生长、水肥胁迫、病虫害防治的监控技术，为优化农
业生产管理提供实时快速、无损、大范围、大尺度监
测工具［%］。近年来，可见光遥感和信息技术及数字
植物营养与肥料学报 !"";，%(（%）：%*+ $ %(*
""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""
Z1/3S L?SD0S063 /3U R:DS010>:D F80:38:
图像处理技术的发展，国际上一些研究者应用可见
光遥感技术、数字图像处理软件进行作物生长状况
的监测［!］；许多研究人员试图利用可见光和近红外
光谱反射从作物冠层探测到作物生长状况。"#$%&’
()* 等［+］研究了冠层光反射与玉米产量的关系；
,-$(.等［/］应用数字图像处理技术判断小麦的冠层
叶绿素含量；01&23等［4］应用数码相机获取田间小
麦冠层影像并通过图像处理技术获得小麦冠层覆盖
度，估计了冬小麦冠层生物量；52%6$*-.73［8］利用数
码影像分析技术预测草地地面覆盖度，其预测值与
实测值达到极显著相关（59 : ;<88）。这些研究都说
明近地面可见光遥感的传感器具有广阔的应用前
景，但估测精度受光照条件、阴影、环境噪音的影响，
有些方法还带有主观性、费时、费力。
本研究采用 ==>数码相机作为传感器，获取加
工番茄生长时期冠层彩色数码影像，应用图像处理
软件分析图片，消除了光照、阴影、土壤等背景噪音，
准确识别冠层影像，为监测作物生长提供一种快速
可靠的方法。
! 材料与方法
!"! 试验设计
试验于 9;;+ 年在石河子大学试验站进行。试
验地土质为中壤土，土壤容重为 ?<@A B C %(@，田间持
水量为 9!<98D。土壤耕层（;—@; %(）基本理化性
状：有机质 ?!(B C&B，速效钾 9;4 (B C &B。供试加工番茄（酱用番
茄）为新疆目前主栽品种里格尔 4/E!（0F%7G)*.2%73
#2B)*4/E!，该品种为自封顶、早熟、无支架栽培类型
生育期为 ?9; 天）。
试验采用育苗移栽，移植密度约为 A<4 H ?;A
株 C 6(9；氮肥处理设 ;、?!;、@;;、A!; &B C 6(9四个水
平（分别为对照、低氮、中氮、高氮）和一个氮肥“I”
优化处理（“I”优化处理以获取的实时氮素指标为
依据进行指导性施肥，作为探索性研究），三次重复，
共 ?! 个小区，完全随机区组排列，小区面积 A4 (9
（长 H宽 : ?; ( H A<4 (）。各处理均以基肥方式移
植前一次性施入，磷肥（普钙）J9K! 9?; &B C 6(9，钾肥
（氯化钾）L9K ?!; &B C 6(9；氮肥（尿素）按设计要求
全部作追肥，在番茄生长期间分期随水滴施。
!"# 调查测定项目与方法
在加工番茄生长不同生育期采取地上部分植株
样（每 /天取 ?次，各小区采取 9!@株），测定其干
物质积累量、叶面积指数（打孔法）；生长前期测定
株高、茎粗；收获期测定单株果数及产量。
全氮测定：将植株样叶、茎、果分别烘干、称重、
制样，以 M9NKA—M9K9 法消化，用 "O=MPE@!; 全自
动凯氏定氮仪测定植株全氮含量。
叶绿素含量的测定采用日本生产的 NJ,>E!;9
叶绿素仪，各小区选取长势均匀的 @;株测定主茎倒
@叶叶片羽状复叶的顶生小叶。同时采用化学方法
（丙酮 Q乙醇 ? Q?混合）提取叶绿素，利用 /9?分光光
度计比色。
光谱参数的获取：使用 K#F(G1. =/A;型数码相
机获取加工番茄各生育期冠层彩色影像，选择正午
?9：;;—?A：;;无风无云的晴朗天气，拍摄高度为镜
头距冠层 ?米，拍摄角度为镜头与水平面成 @;度角
（在一定程度上确保了每张图片拍摄的冠层面积），
设定强制曝光模式，相机分辨率为 9;4A H ?!@+ 像
元），分别在移栽后 ?!、9@、@;、A?、A+、!A、+!、/@、4?天
与生物量同时获取，各小区每次拍摄 9!@幅，并采
用 RSJT格式存储，采用自编图像处理软件［?;］提取
可见光特征光谱参数。
图像处理软件的程序设计与特点：软件的编程
以 M0N和 5T"颜色系统为基础，采用 U"自行开发
的可在 V23-7W.环境下运行的一个自动提取作物数
码照片像素信息的计算机程序。该程序可以自动进
行颜色的单色反演，按照影像的饱和度（N$X1*$X273）、
色度（M1)）、亮度（02B6X）或象素点 5（红光值）、T（绿
光值）、"（蓝光值）色阶值的任意一种或多种构建过
滤条件或构建复合过滤条件，综合这些条件，可以精
确的识别冠层和背景像素。进行图片处理时可根据
研究的需要设定像元筛选条件（例如，色度范围、生
育期等），消除土壤、阴影、热点等背景噪音，提取番
茄冠层光谱信息（例如，冠层像素符合 TE5 Y ;，而
背景像素符合 TE5 Z ;的特征），该程序具有目标明
确，界面直观，操作简便的特点。
# 结果与分析
#"! 不同氮肥处理加工番茄地面覆盖度变化
利用数字图像提取封垄前的加工番茄地面覆盖
度（JT=U），即冠层总像素与图片像素总量的比值。
应用图像处理软件分析不同氮肥处理加工番茄
冠层影像并提取特征光谱参数 JT=U（图 ?）。从整
个生育期来看，地面覆盖度变化与生长动态变化趋
势一致，都呈一个单峰曲线，即前期营养生长呈直线
上升趋势，移栽后 A; 天进入盛花期，开始生殖生长，
;A? 植 物 营 养 与 肥 料 学 报 ?A卷
图 ! 不同氮素处理加工番茄地面覆盖度动态变化
"#$%! &’()*#+, -. /012 -. 34-+5,,#($ 6-*)6-
7(854 8#..545(6 9 645)6*5(6,
变化减缓，到移栽后 !"天地面覆盖度达到峰值，!" 天
以后为盛果期，开始拉秧，地面覆盖度呈下降趋势。
不同氮肥水平下地面覆盖度动态变化可以看
出，移栽后 #$天不同处理间开始表现出差异，不施
氮肥的对照（%&）处理 ’(%)始终低于其它处理，而
低氮（*+）、中氮（,+）、高氮（-+）处理之间差异不明
显，这主要是由于生长旺盛时期生长量增加，叶片重
叠，影响了计算机识别精度。这表明在加工番茄生
长前期计算机能够更好的提取冠层信息。
:;: 地面覆盖度与生物学参数的相关性分析
././0 地面覆盖度与株高和茎粗相关关系 株高
和茎粗是反映作物生长状况的重要指标［00］。由图 .
可以看出，地面覆盖度（’(%)）与加工番茄株高和茎
粗均呈极显著直线相关关系（ 1 2 $/3#3$ 和
$/3!30）。
从数据的分布来看，前期处于缓苗阶段，地面覆
盖度较低且数据分布比较集中，处于一个稳定值。
随着番茄的生长，’(%) 也随之上升，但数据分布比
较分散，这也与番茄生长旺盛时期计算机识别精度
下降有关，但总体上地面覆盖度与株高、茎粗变化趋
势是一致的。其二者相关性说明地面覆盖度指标能
很好的监测加工番茄的生长量。
图 : 加工番茄 /012株高和茎粗的关系
"#$%: <5=)6#-(,>#3 ?56@55( /012 )(8 6>5 3=)(6 >5#$>6 )(8 +)7=#(5 6>#+A(5,, -. 34-+5,,#($ 6-*)6-
././. 地面覆盖度与生物量、叶面积、单株吸氮量
的相关关系 利用数字图像提取采收前期的加工番
茄地面覆盖度与实时取样测定的生物量、叶面积指
数（*45）进行回归分析（图 64、图 67），结果表明，
’(%)与生物量、*45均表现出极显著指数相关关系
（1 2 $/3!86、$/39"0）。在红果期以前，加工番茄地面
覆盖度与单株吸氮量的回归分析也呈极显著指数相
关关系（1 2 $/3!9!，图 6%），这与地面覆盖度变化和
数字图像所提取的冠层总像素趋于一致相符合。
从数据分布来看，在 ’(%)低于 !$:时拟合精度
较高，高于 !$:时表现出了较高的离散程度。这是由
于番茄生长进入盛花期，开始封垄，枝叶交互重叠，而
数字图像的提取只是表面冠层像素的总和，’(%)主
要是由冠层总像素决定的，因而影响了识别精度。这
与雷咏雯［0$］和李存军［0.］的研究结果相同。表明采用
图像分析技术可以很好地预测番茄生物量、叶面积和
吸氮量，并且可以大幅度提高工作效率。
:;B 利用地面覆盖度估计产量
各时期加工番茄冠层地面覆盖度与产量的相关
性分析（如图 #，; 2 0"）结果表明，地面覆盖度
（’(%)）与产量的相关性在不同生育时期都有差异，
在盛花期（移栽 #! 天）以前相关性不显著；在盛花
期以后相关性达到显著和极显著水平（1 2 $/!$##
! $/8$9$）；果实膨大期（移栽 !" 天），进入生长最
旺盛的时期，叶面积和生物量均达到最大值，也是形
成产量的关键时期，其相关系数达到峰值（ 1 2
$/930）。
0#00期 李艳，等：基于数字图像分析监测不同氮肥处理下加工番茄生长状况的初步研究
图 ! 加工番茄地面覆盖度与生物量（"）、叶面积系数（#）、吸氮量（$）的相关关系
%&’(! )*+,-&./01&2 3*-4**/ 56$7 ,/8 3&.9,00（"），:";（#），< =2-,>*（$）.? 2@.A*00&/’ -.9,-.
图 B 不同生育时期地面覆盖度与产量的相关关系
%&’(B $.@@*+,-&./0 3*-4**/ 56$7 ,/8 -1* -.9,-.
C&*+8 &/ 8&??*@*/- ’@.4&/’ 0-,’*
移栽 !"天后番茄叶片开始衰老、脱落，地面覆盖度
下降，而此时产量已经形成，因此其相关系数有所下
降（# $ %&"’()!%&!*"）。综上所述，利用地面覆盖度
在果实膨大期可以很好地估测加工番茄经济产量。
DEB 绿色深度指数与叶绿素含量的相关分析
叶绿素是作物生长状况快速诊断的最佳监测指
标。+,#-./#［0)］提出的参数绿色深度指数（1,#2
3#//4 5676# 849/:，1358）是从数字图片中获得，可以
识别图片绿色深度，并提出计算公式：1358 $［（;
< !%）= !% >（0（0<@）］= ’，其中参数值色度范围
;A/值在 !%B（黄）—0C%B（绿）之间，最大值为 0C%，因
此公式中的（; < !%）= !% 值变化范围在 %!0 之间，
饱和度（?,DA#,DE64）和亮度（@#E.D4/FF）的变化范围 % G
? G 0，% G @ G 0。因此，1358 主要还是由色度值决
定，也就是植物绿色深度状况，而植物的绿色深度与
其叶绿素含量紧密相关［0’］。
本研究利用图像分析技术获取的 1358与加工
番茄叶绿素含量作回归分析（图 "），结果表明，1358
与叶绿素 ,、叶绿素 H、叶绿素（, > H）和叶绿素仪
（?IJ1）读数值均呈正相关，且相关系数都达到 # $
%&(以上的极显著水平，其中与 ?IJ1读数值相关性
最好。研究表明，利用数字图像分析技术提取光谱
参数 1358能很好地反映加工番茄的叶绿素含量，
可以用来估计加工番茄的叶绿素含量。
! 结论
本研究利用数字图像处理技术分析不同氮肥处
理下加工番茄冠层影像，结果表明，不同氮肥水平下
的地面覆盖度参数（I35K）变化趋势都呈单峰曲线，
与作物生育进程相符合，且与生长量株高、茎粗均呈
直线相关关系；与生物量、叶面积指数、单株吸氮量
都表现出指数相关关系。因此，利用地面覆盖度在
生长前期可以很好地监测加工番茄生长量；在整个
生育期可以很好地估测加工番茄生物量和叶面积。
在果实膨大期 I35K与产量的相关性最好，也证明
可以利用地面覆盖度在果实膨大期估测加工番茄的
经济产量。光谱参数 1358 与叶绿素 ,、H、, > H 和
?IJ1值均呈正相关，表明光谱参数 1358可以很好
的反映植物叶片的叶绿素含量。
本研究采用自编图像处理软件能够消除热点、
阴影、土壤等背景噪音，很好地提取加工番茄冠层光
谱参数，为估测作物生长参数提供一种快速可靠的
方法。但是软件的编程对于盛花期的黄花不能很好
地区分，在生长旺盛时期枝叶的相互交错影响了像
元的区分，因此，还需要进一步研究改进计算方法，
提高估测精度。
C)0 植 物 营 养 与 肥 料 学 报 0)卷
图 ! 加工番茄绿色深度指数与叶绿素 "、叶绿素 #、叶绿素（" $ #）、%&’(值的相关关系
)*+,! -./"0*1234*5 #.06..2 (789 "2: 04. 0.30.: ;"/<. 1= >4/ , "，>4/ , #，>4/ ,（" $ #）"2: %&’( 1= 5?1>.33*2+ 01@"01
参 考 文 献：
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［S］ C8*:/5- _ (，A)-256 A (，?*6-5/ ( V \ !" #$ " \5*/36)-, 475*2 /5-5/<
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.X@5=2 05*2365/［(］" ( " M75@)*-, D-)E"（C,6)=" Q +)05 L=) "），$%%I，
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［!I］ K*6=756 # V，O)=7*68/.- \ #" N3*-2)0F)-, 2350,6*// =.9.6 3/)-, 8),<
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&I!!期 李艳，等：基于数字图像分析监测不同氮肥处理下加工番茄生长状况的初步研究