摘要：根據(jù)遙感基礎(chǔ)理論和數(shù)字圖像處理法分析了土壤圖像灰度值與土壤含水量的非線性關(guān)系，設(shè)計(jì)了土壤含水量檢測(cè)系統(tǒng)。采用CCD攝像頭、控制平臺(tái)以及電腦和圖像采集卡，成功采集到土壤的圖像信息，傳輸給電腦。再通過(guò)程序的編寫和調(diào)試，完成對(duì)土壤圖像的處理和特征提取，并利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)土壤含水量檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行分析。實(shí)驗(yàn)表明BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建模速度快，檢測(cè)結(jié)果有較高的精度，可以很好的應(yīng)用于實(shí)踐。

關(guān)鍵詞：土壤含水量；圖像灰度值； BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

中圖分類號(hào)：TP18 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2013）11-2735-03

目前，隨著科技的發(fā)展，我國(guó)的農(nóng)業(yè)用水十分緊張。我國(guó)絕大部分地區(qū)為氣候型農(nóng)業(yè)，農(nóng)作物產(chǎn)量受氣候變化的影響非常大。因此，在我國(guó)大范圍易受干旱的地區(qū)和季節(jié)，為充分挖掘和提高現(xiàn)有土壤水資源的利用率，尋找一種直接有效的含水量檢測(cè)方法對(duì)提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)水平是十分有效的。

目前提出的土壤含水量檢測(cè)方法有有許多種。張力計(jì)法結(jié)構(gòu)和原理比較簡(jiǎn)單，并可實(shí)現(xiàn)在線檢測(cè)，但探頭很難與埋設(shè)處的土壤完全粘合，且不可避免地在埋設(shè)探頭時(shí)受到破壞[1] 。稱重烘干法具有精度高、實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，但難以實(shí)現(xiàn)在線檢測(cè)[2]。中子探測(cè)法和時(shí)域反射計(jì)（TDR）法也可實(shí)現(xiàn)在線檢測(cè)，但價(jià)格昂貴，其中中子探測(cè)法每臺(tái)需數(shù)千美元，并存在輻射危險(xiǎn)[3]。因此，探索一種成本低、非接觸式土壤含水量檢測(cè)的新方法是十分必要的。

1 土壤含水量測(cè)量原理

土壤成分復(fù)雜，其光譜受土壤母質(zhì)、有機(jī)質(zhì)、水分等多種復(fù)雜因素的影響。從遙感的基礎(chǔ)理論上，可見光、熱紅外、近紅外和微波波段都能反映土壤的水分信息：在可見光波段，土壤的反射率隨波長(zhǎng)的增加而增加；隨著土壤水分的增加而減少。從可見光到近紅外對(duì)土壤水分的估計(jì)多是建立在土壤濕度與反射率的關(guān)系上[4]。因此，圖像中任意一點(diǎn)的灰度值與亮度之間具有一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，在可見光的光譜范圍內(nèi)，若土壤圖像的灰度值越小，則表明土壤含水量越高；反之亦然。因此，分析土壤圖像的灰度值和相應(yīng)的含水量的關(guān)系，可以建立土壤含水量檢測(cè)模型，進(jìn)行土壤含水量的檢測(cè)。

2 土壤含水量檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 檢測(cè)系統(tǒng)的總體方案

一個(gè)土壤含水量檢測(cè)系統(tǒng)，其本質(zhì)就是計(jì)算機(jī)模仿人對(duì)土壤含水量進(jìn)行檢測(cè)的過(guò)程。該系統(tǒng)由下面四個(gè)部分構(gòu)成：圖像信息的獲取、圖像信息的預(yù)處理與特征提取、支持向量機(jī)訓(xùn)練與檢測(cè)。

參考圖像識(shí)別系統(tǒng)的構(gòu)成，并結(jié)合本系統(tǒng)的功能要求，總的檢測(cè)方案如下：

首先，采用CCD攝像頭動(dòng)態(tài)攝取圖像；然后用計(jì)算機(jī)對(duì)其先進(jìn)行預(yù)處理（包括圖像的灰度化、平滑、濾波、圖像的分割以及二值化）；再然后根據(jù)相應(yīng)的算法完成圖像的特征提取；最后根據(jù)所特征向量實(shí)現(xiàn)土壤含水量的檢測(cè)。系統(tǒng)的流程如圖1。

2.2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

硬件系統(tǒng)是由CCD攝像頭、控制平臺(tái)、圖像采集卡以及電腦組成。其總體連接如圖2所示。