徐邢燕，沈萍萍，郝志龍*，林宏政，李鑫磊，張 妍，金心怡3，孫 云3，項(xiàng)應(yīng)萍

（1.福建農(nóng)林大學(xué) 園藝學(xué)院，福建 福州 350002；2.茶學(xué)福建省高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福建 福州 350002；3.福建農(nóng)林大學(xué) 茶葉研究所，福建 福州 350002）

隨著農(nóng)村勞動力不斷向城市轉(zhuǎn)移，茶葉生產(chǎn)出現(xiàn)用工荒，越來越多的茶葉不能及時(shí)采下來，造成較大的經(jīng)濟(jì)損失。將茶鮮葉按不同嫩度及時(shí)采摘是加工高品質(zhì)茶葉和提高經(jīng)濟(jì)效益的前提，因此，產(chǎn)業(yè)對茶葉智能化、機(jī)械化采摘的需求越來越迫切。但現(xiàn)有的機(jī)械采摘技術(shù)選擇性差，無法精確區(qū)分新梢葉片的老嫩，不足以提供高品質(zhì)茶所需的優(yōu)質(zhì)鮮葉，給制茶帶來一系列問題[1]。隨著計(jì)算機(jī)軟硬件，尤其圖像處理技術(shù)的迅猛發(fā)展，計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用日益廣泛，已成功應(yīng)用于作物生長檢測[2]、煙葉分選、分類與檢測、食品和農(nóng)產(chǎn)品加工等不同領(lǐng)域[3-5]。葉片色澤與葉綠素含量密切相關(guān)，目前測定葉綠素的方法主要有分光光度法[6]、SPAD 葉綠素儀法[7]、光譜法和基于計(jì)算機(jī)視覺的圖像處理技術(shù)?；谟?jì)算機(jī)視覺的圖像處理技術(shù)是一種具有快捷、便利、無損傷和實(shí)時(shí)測定等特點(diǎn)的監(jiān)測方法，已成為植物葉片色澤信息獲取的重要手段。本試驗(yàn)利用計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)提取茶樹新梢不同嫩度葉片相關(guān)色澤參數(shù)進(jìn)行差異分析，篩選能區(qū)分不同嫩度葉片的色澤參數(shù)，為實(shí)現(xiàn)智能化采摘和鮮葉采后分級提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)以毛蟹、黃旦（黃金桂）、鐵觀音、肉桂、福云6號和福鼎大白茶等6個(gè)茶樹品種的新梢為供試材料，采摘生長一致且無病蟲害的一芽五葉，在福建農(nóng)林大學(xué)茶學(xué)實(shí)驗(yàn)室分別對新梢芽葉進(jìn)行色澤參數(shù)采集。

1.2 儀器與設(shè)備

SONY T 20 數(shù)碼相機(jī)、SPAD-502 葉綠素計(jì)、筆記本電腦以及自編RGB 統(tǒng)計(jì)軟件等。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

每個(gè)品種隨機(jī)采摘6個(gè)新梢進(jìn)行重復(fù)性實(shí)驗(yàn)，參照郝志龍[7]方法，控制圖像文件大小1.0 MB，在外界光線為明亮的室內(nèi)開閃光燈對白色底板上的茶梢進(jìn)行圖像采集，運(yùn)用自編“茶葉色澤變化圖像統(tǒng)計(jì)軟件”進(jìn)行色澤參數(shù)提取計(jì)算，獲得R值、G值和B值，以及H值、I值和S值[8-9]，將采集處理后得到的R、G、B、H、I、S值以及SPAD值導(dǎo)入SPSS 統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行單因素方差分析，比較同一品種各葉位在P＜0.05 時(shí)的差異性。

1.4 測定方法

采摘后的新梢按葉位芽葉分離后用SONY T 20 數(shù)碼相機(jī)分別進(jìn)行圖像采集，采集條件參照郝志龍等[7]的方法。將獲得的照片轉(zhuǎn)換為bmp格式后，將其輸入自行編制的“茶葉色澤變化圖像統(tǒng)計(jì)軟件”進(jìn)行圖像參數(shù)提取與分析，將芽頭、第一葉、第二葉定義為嫩梢，第三葉、第四葉、第五葉定義為老梢；同時(shí)使用SPAD-502 葉綠素計(jì)分別在芽葉上任取三個(gè)點(diǎn)測定SPAD值，即植物葉片單位面積當(dāng)前葉綠素的相對含量，重復(fù)6 次。

色彩系統(tǒng)的選擇：RGB 系統(tǒng)是一種由紅(R)、綠(G)、藍(lán)(B)這三種基本色互相疊加呈現(xiàn)出各種色彩的顏色模型[10]，色度系統(tǒng)中常用R、G、B 的比例值表示色度坐標(biāo)(r, g, b)，r、g、b是歸一化了的R、G、B，且r+g+b= 1。計(jì)算公式如下:

HIS 顏色模型是通過色調(diào)、飽和度和亮度三要素來描述顏色的。在HIS 格式中，I表示強(qiáng)度或亮度，H表示色度，S表示飽和度，其中色度反映了該色彩最接近什么光譜波長的顏色[10-11]。RGB 系統(tǒng)是一種加色混色系統(tǒng)，其對應(yīng)的顏色空間在視覺上不均勻，同時(shí)它還是一個(gè)與設(shè)備相關(guān)的、顏色描述不完全直觀的顏色空間。與RGB 系統(tǒng)相比，HIS 模型更符合人的視覺規(guī)律，與人眼感覺顏色的原理更加相似，Tao 等[12]、何東健等[13]，楊秀坤等[14]和許麗穎等[15]在水果顏色檢測的研究中均采用此模型,且取得了較好的檢測結(jié)果。由于采集得到的圖像是RGB 顏色模型，必須按照以下方式進(jìn)行RGB 到HIS 顏色系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換：

2 結(jié)果與分析

2.1 同一品種不同葉位葉片色澤差異分析

為分析同一茶樹品種不同葉位葉片色澤的差異性，找出存在顯著差異的色澤參數(shù)，以此實(shí)現(xiàn)鮮葉的準(zhǔn)確識別，將試驗(yàn)樣本中葉色相對較深的鐵觀音、肉桂和毛蟹分為一組，葉色相對較淺的黃旦、福鼎大白茶和福云6號分為一組進(jìn)行差異分析。

2.1.1 毛蟹、肉桂和鐵觀音不同葉位葉片色澤差異

毛蟹、肉桂和鐵觀音不同葉位葉片SPAD值及H、I、S值差異性分析如表1所示，R、G、B值及r、g、b值差異性分析如表2所示。

表1 毛蟹、肉桂和鐵觀音不同葉位葉片SPAD值及H、I、S值Table 1 SPAD value and H, I ,S values of different position leaves of Maoxie, Rougui and Tieguanyin

表2 毛蟹、肉桂和鐵觀音不同葉位葉片R、G、B值及r、g、b值Table 2 R,G,B values and r,g,b values of different position leaves of Maoxie, Rougui and Tieguanyin

三個(gè)茶樹品種葉片SPAD值隨著葉片成熟度的增加而升高，其中毛蟹各葉位葉片的SPAD值存在顯著差異，區(qū)分度較高，可以實(shí)現(xiàn)不同葉位葉片的區(qū)分。肉桂和鐵觀音第一、二、三葉間SPAD值也存在顯著差異；而肉桂的第三、四葉間，鐵觀音的第三、四、五葉間差異不顯著。因此，SPAD值能實(shí)現(xiàn)這三個(gè)品種第一、二、三葉的識別。

毛蟹和鐵觀音品種芽頭和第五葉的H值顯著低于同品種其他葉位的葉片，鐵觀音第四葉H值與其他葉位存在顯著差異，但第一、二、三葉間H值差異不顯著，毛蟹第一、二、三、四葉間H值差異不顯著。肉桂芽頭和第三葉的H值顯著高于其他葉位，同時(shí)，第一、三、四葉間H值存在顯著差異。三個(gè)品種I值大小與葉片的成熟度呈負(fù)相關(guān)，且第五葉的I值與第三、四葉均存在顯著差異。毛蟹、肉桂和鐵觀音芽頭與第一葉的S值均存在顯著差異，其他葉位間差異不顯著?？紤]這三個(gè)烏龍茶品種需要成熟采，主要進(jìn)行第三、四、五葉間的區(qū)分，因此，在生產(chǎn)中毛蟹、肉桂和鐵觀音可以通過I值區(qū)分第四、五葉；毛蟹還可通過H值區(qū)分第四、五葉；肉桂的H值可區(qū)分第三、四葉；鐵觀音可通過H值區(qū)分第三、四、五葉。

三個(gè)茶樹品種的R值呈現(xiàn)出隨著葉片成熟而降低的趨勢，其中鐵觀音各葉位間的R值均存在顯著差異；三個(gè)品種第一葉與第二葉間R值均存在顯著差異，第五葉的R值與其他葉位均存在顯著差異，可見，通過R值可以實(shí)現(xiàn)三個(gè)品種第五葉的區(qū)分。G值也呈現(xiàn)出隨著茶樹葉片成熟度的增加而降低的趨勢，從三個(gè)品種來看，芽頭的G值均顯著高于其他葉位，而第三、四、五葉間差異不顯著。毛蟹、肉桂、鐵觀音第一葉的B值與其他葉位間存在顯著差異，肉桂第四、五葉間B值存在顯著差異。三個(gè)茶樹品種第三、四、五葉間的r、g、b值差異均不顯著，可見，R值可作為這三個(gè)品種區(qū)分第五葉的參數(shù)，B值僅可以作為區(qū)分肉桂第五葉的參數(shù)。

綜上，葉片色澤較深的鐵觀音、毛蟹、肉桂三個(gè)烏龍茶品種的SPAD值可以作為嫩采時(shí)第一、二、三葉位葉片區(qū)分的參數(shù)，R值可以實(shí)現(xiàn)第五葉的區(qū)分。毛蟹、肉桂和鐵觀音可以通過I值區(qū)分第四、五葉；毛蟹還可通過H值區(qū)分第四、五葉；肉桂則可通過H值區(qū)分第三、四葉，B值區(qū)分第五葉；鐵觀音可通過H值區(qū)分第三、四、五葉；可為成熟采（駐芽三、四葉采）的烏龍茶快速確定葉位采摘技術(shù)提供參考。

2.1.2 黃旦、福鼎大白茶和福云6號不同葉位葉片色澤差異

黃旦、福鼎大白茶和福云6號不同葉位葉片SPAD值及H、I、S值差異性如表3所示，R、G、B值及r、g、b值差異性如表4所示。這三個(gè)品種主要加工綠茶、白茶或紅茶，以嫩采（一芽二、三葉采）為主，因而重點(diǎn)分析第一、二、三葉間的色澤差異。

表3 黃旦、福鼎大白茶、福云6號不同葉位葉片SPAD值及H、I、S值Table 3 SPAD value and H, I ,S values of different position leaves of Huangdan, Fuding Dabai and Fuyun No.6

表4 黃旦、福鼎大白茶、福云6號不同葉位葉片R、G、B值及r、g、b值Table 4 R,G,B values and r,g,b values of different position leaves of Huangdan, Fuding Dabai and Fuyun No.6

由表3可知，同一品種不同葉位SPAD值隨著葉片成熟度增加而升高，第一、二、三葉間SPAD值均存在顯著差異，但第三、四、五葉間SPAD值差異不顯著。因此，通過葉片SPAD值能實(shí)現(xiàn)三個(gè)品種第一、二、三葉間的識別。

黃旦第一、二、三葉間H值差異顯著，福鼎大白茶和福云6號第一、二葉間H值差異顯著；黃旦和福云6號第一、二葉間I值差異顯著，福鼎大白茶第一、二、三、四葉間I值均差異顯著；黃旦第二葉S值與第一、三葉差異顯著，且第三、四葉間差異也顯著，福鼎大白茶第三、四葉間S值差異顯著，福云6號第一、二葉間和第二、三葉間S值分別存在顯著差異?？梢姡琀、I值可用于區(qū)分這三個(gè)品種第一、二葉，S值可用于這三個(gè)品種第三、四葉間的區(qū)分。

由表4可知，黃旦第一和第二葉間、第三和第四葉間R值分別存在顯著差異，福鼎大白茶第一、二、三、四葉間R值均存在顯著差異，福云6號僅第一、二葉間R值存在顯著差異。黃旦第一、二葉G值存在顯著差異，福鼎大白茶第二、三葉的G值存在顯著差異，福云6號不同葉位G值差異均不顯著。黃旦第一、二、三葉間B值差異顯著，福鼎大白茶和福云6號第一、二葉間B值差異顯著，福鼎大白茶第三、四葉間B值差異顯著。r、g、b 參數(shù)中僅黃旦和福云六號第一、二葉間的g、b值差異顯著，其他葉位間均不存在顯著差異?？梢?，R、B值可用于區(qū)分此三個(gè)品種第一、二葉，并能區(qū)分福鼎大白茶第三、四葉，R值亦可區(qū)分黃旦第三、四葉，B值亦能辨別黃旦第二、三葉，G值僅能區(qū)分黃旦和福鼎大白茶的第一、二葉；g、b值僅能用于區(qū)分黃旦和福云6號的第一、二葉。

綜上，葉片色澤較淺的黃旦、福鼎大白茶和福云6號可以通過參數(shù)SPAD值區(qū)分茶樹第一、二、三葉；通過H、I、R、B值可區(qū)分這三個(gè)品種第一、二葉，S值可用于這三個(gè)品種第三、四葉的區(qū)分；福鼎大白茶可通過R、B值區(qū)分第三、四葉；黃旦可通過R值區(qū)分第三、四葉，用G、g、b值區(qū)分第一、二葉。這些參數(shù)可為這三個(gè)品種不同葉位葉片的定位采摘技術(shù)提供參考。

2.2 同一品種老嫩梢色澤差異分析

為適應(yīng)茶葉實(shí)際生產(chǎn)上的采摘要求，進(jìn)一步以茶樹新梢上的芽頭、第一、二葉為嫩梢，第三、四、五葉為老梢進(jìn)行色澤差異分析。

2.2.1 同一品種老嫩梢SPAD值及H、I、S值

由表5可知，各品種老梢SPAD值顯著高于嫩梢，但老嫩梢的H值僅有黃旦存在顯著差異，S值僅有福鼎大白茶存在顯著差異，黃旦和福云6號的I值差異不顯著，其他品種老嫩梢的I值差異顯著。因而，SPAD值可以作為區(qū)分單一品種老梢和嫩梢的參數(shù)，I值也可作為毛蟹、肉桂、鐵觀音和福鼎大白茶這四個(gè)品種老嫩梢的區(qū)分參數(shù)。

2.2.2 同一品種的老嫩梢R、G、B、r、g、b值

分析結(jié)果如表6所示。6個(gè)品種除了黃旦老嫩梢間的R、G、B、r、g、b值、福鼎大白茶老嫩梢的G值和所有品種老嫩梢的g、b值不存在顯著差異外，其他品種老嫩梢間的R、G、B、r值均存在顯著差異。因此，除了福鼎大白茶老嫩梢的G值及黃旦品種以外，其他5個(gè)品種均可以將茶樹葉片的R、G、B、r值作為機(jī)械采摘時(shí)老嫩梢區(qū)分的參考依據(jù)。

表5 同一品種老梢、嫩梢SPAD值及H、I、S值Table 5 SPAD value and H, I ,S values of young shoots and old shoots of the same varieties

表6 同一品種老梢、嫩梢R、G、B值及r、g、b值Table 6 The values of R,G,B and r,g,b of young shoots and old shoots of the same

綜上，SPAD值可以作為區(qū)分同一品種茶樹老嫩梢的參數(shù)，毛蟹、肉桂和鐵觀音的老嫩梢可通過I、R、G、B、r值區(qū)分，I值還可作為福鼎大白茶老嫩梢的區(qū)分參數(shù)，R、G、B、r值可作為福云6號老嫩梢的識別參數(shù)，這些參數(shù)可為機(jī)械化智能采摘老嫩梢提供參考。

3 小結(jié)

通過對6個(gè)品種不同葉位及老嫩梢色澤參數(shù)的分析，可以看出：茶樹葉片成熟度越高SPAD值也越高，可以作為嫩采時(shí)第一、二、三葉位葉片的識別參數(shù)；R值可以實(shí)現(xiàn)葉片色澤較深的鐵觀音、毛蟹、肉桂三個(gè)烏龍茶品種第五葉的區(qū)分；毛蟹、肉桂和鐵觀音可以通過I值區(qū)分第四、五葉；毛蟹還可通過H值區(qū)分第四、五葉；肉桂的H值可區(qū)分第三、四葉，B值可以區(qū)分第五葉；鐵觀音可通過H值區(qū)分第三、四、五葉；這些參數(shù)為成熟采（駐芽三、四葉采）的烏龍茶快速定位采摘技術(shù)提供參考。

葉片色澤較淺的黃旦、福鼎大白茶和福云6號可以通過H、I、R、B值區(qū)分第一、二葉，S值可用于3個(gè)品種第三、四葉的區(qū)分；福鼎大白茶可通過R、B值區(qū)分第三、四葉；黃旦可通過R值區(qū)分第三、四葉，還可以用G、g、b 區(qū)分第一、二葉；這些參數(shù)為這3個(gè)嫩采品種不同葉位葉片的定位采摘技術(shù)提供參考。

茶樹葉片SPAD值可以作為區(qū)分同一品種茶樹老嫩梢的參數(shù)，毛蟹、肉桂和鐵觀音的老嫩梢可通過I、R、G、B、r值區(qū)分，I值還可作為福鼎大白茶老嫩梢的區(qū)分參數(shù)，R、G、B、r值可作為福云6號老嫩梢的識別參數(shù)，為機(jī)械化智能采摘老嫩梢技術(shù)提供參考依據(jù)。

茶樹葉片色澤參數(shù)也可運(yùn)用于茶鮮葉的定級，在原料階段篩選出更加適宜加工某一特定成品茶的鮮葉，在原料上為茶葉品質(zhì)提供保證。通過對茶樹葉片色澤參數(shù)的分析，可以實(shí)現(xiàn)某一參數(shù)或幾個(gè)參數(shù)對同一品種不同葉位葉片的辨別，精確性需進(jìn)一步驗(yàn)證提高，如能兼顧茶葉形狀，進(jìn)一步深入探討葉片形狀、大小等其他參數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)多維參數(shù)對茶樹葉片的精確定位采摘。