بخشی از مقاله
چکیده
برای جلوگیری از مصرف نادرست ونابجای کوددهای نیتروژنه وکاهش تأثیرات منفی آن هادرتولید ومحیط زیست،تعیین دقیق ولحظه ای نیتروژن گیاه باروش های نوین می تواند مؤثرباشد.پردازش تصاویر گرفته شده ازگیاه زراعی می تواند یکی از این روش ها باشد.در این تحقیق ، از روش پردازش تصاویر رنگی برای تعیین وضعیت نیتروژن برگهای گندم استفاده شده است.
برای انجام آزمایشها پنج سطح مختلف کود دهی 0 - ، 30، 60 ، 120 و 180 کیلوگرم بر هکتار - در سه تکرار برای گندم، که در گلدانهای پلاستیکی کشت شده بودند، در نظر گرفته شد. کلروفیل برگ توسط دستگاه کلروفیل سنج اندازهگیری گردید. فضای رنگیRGB برای تخمین مقدار کلروفیل برگ بر اساس پردازش تصویردر نظر گرفته شد.
نتایج حاصل از پردازش تصویر برگ های گندم با مقادیر به دست آمده از کلروفیل متر مقایسه گردید.ازبین دومؤلفه رنگی قرمزوسبز،مؤلفه سبز دارای ضریب هم بستگی بالاتری نسبت به مؤلفه قرمز می باشد. میزان همبستگی بین مؤلفه سبز و مقادیر به دست آمده از نتایج کلروفیل متر 2 =0/81 و میزان همبستگی بین مؤلفه قرمز و مقادیر به دست آمده از نتایج کلروفیل سنج 0/74به دست آمد.
مقدمه
در سالهای اخیر افزایش نگرانی درباره مصرف کودهای کشاورزی و آلوده شدن آبهای زیرزمینی، محققین کشاورزی را تشویق کرده تا درباره بهبود مدیریت مصرف کود، راهکارهایی را پیشنهاد کنند. افزایش تحقیقات علمی در این زمینه نشان میدهد که مصرف بیش از اندازه کود نیتروژن اثرات منفی در کیفیت آب، هوا و اکوسیستم موجودات زنده دارد. از طرف دیگر، عدم رعایت مصرف بهینه کودهای شیمیایی، عدم توجه به مسائل زیستمحیطی و تداوم مصرف نامتعادل کودها اثرات تخریبی برجای گذاشته است که از جمله این اثرات سوء، تجمع نیترات و نیتریت در آبهای زیرزمینی میباشد که نتایج آن سبب افزایش انواع سرطانها، بیماریهای مزمن، اختلالات کبدی و بیماریهای تنفسی در بشر شده است
در کشاورزی مرسوم، تمامی خاک مزرعه از نظر حاصلخیزی یکنواخت و همگن فرض میشود ، بنابراین کود دهی به صورت یکنواخت صورت میگیرد. اما زمینهای کشاورزی از این نظر متغیر بوده و نیاز دارند که روشهای گوناگونی برای مدیریت کود دهی نقاط مختلف مزرعه اعمال شود
کود دهی متغیر نیتروژن یکی از روشهایی است که میتوان برای کاهش اثرات زیستمحیطی و افزایش بازده کود دهی استفاده کرد. اجرای موثر کود دهی متغیر نیتروژن در سطح مزرعه، بستگی به توانایی تشخیص وضعیت نیتروژن گیاه در هنگام عمل کودپاشی دارد. بنابراین روشهای غیرمخرب تعیین وضعیت نیتروژن گیاه یک فاکتور مهم در مدیریت کود دهی میباشد
برای اندازه گیری میزان نیتروژن گیاه سه روش معمول وجودداردکه عبارتند از : آنالیز بافت گیاه ،آنالیز بافت خاکواستفاده از دستگاه کلروفیل متر.روشهای آنالیز بافت گیاه و آنالیز نمونه خاک روشهای دقیقی هستند اما نیاز به زمان و ابزار بیشتری داشته و همچنین پر هزینهتر میباشند - تورپ و همکاران . - 2004 تاکنون محققین مختلفی با استفاده از سیستم بینایی ماشین و تکنیک پردازش تصاویر توانستهاند مقدار ازت گیاهان مختلفی را تخمین بزنند که میتوان به گیاهانی همچون گندم و چاودار - - Kavashima et al 1998، گندم زمستانه - Jia et al 2004 - ، سیب زمینی - Borhan et al 2004 - و - - Yadav etal 2010،چغندر قند - احمدی مقدم و همکاران، - 1388 ،برنج - لاریجانی و همکاران، - 1389 و - Tewari et al, 2013 - ، گوجه فرنگی - َ - Adan et al 2010 ا شاره کرد. کاوا شیما وهمکاران - 1998 - الگوریتمی برای تعیین میزان کلروفیل برگ ارایه دادند
آنهاآزمایش خود را روی برگ گندم وچاودار انجام دادند.آنها با استفاده ازکلروفیل متر شاخص کلروفیل را اندازه گرفتند، عکسهای گرفته شده در محیط نرم افزار فتو شاپ پردازش شد ومولفه های R,G,B آنها م شخص گردید بعد از تطبیق داده های کلروفیل متر م شخص گردید که،فرکانس های آبی وقرمزباتابع نرمال - - R-B - / - R+B معرف خوبی برای میزان کلروفیل ودر راستای آن میزان نیتروژن است.
نتایج این تحقیقات نشان میدهد که آنالیز تصاویر رنگی پتانسیل زیادی برای تخمین درصد نیتروژن گیاه دارد. همچنین ارتباط مستقیم و معنیداری بین دادههای حاصل از پردازش تصاویر بوتههای گیاه و سطح کلروفیل برگ گیاهان در تمام مراحل رشد وجود دارد. به طوری که نشان داده شده است بین مؤلفههای رنگی حاصل از پردازش تصاویر برگهای گیاه جو و شاخص کلروفیل برگ گیاه ضریب تبیین بالایی0/95 وجود دارد
با توجه به اینکه نیتروژن مؤلفه اصلی مولکولهای کلروفیل در برگ گیاه میباشد، میتوان از رنگ برگ که تابعی از مقدار کلروفیل آن میباشد برای بررسی وضعیت نیتروژن استفاده کرد
در ذرت نشان داده شده است بوتههایی که کمبود نیتروژن دارند به مراتب دارای رنگ روشنتری - سبز روشن - نسبت به بوتههایی که نیتروژن کافی - سبز تیره - در اختیار دارند، میباشند
نتایج تحقیقات نشان میدهد که انعکاس رنگ سبز از سطح برگ رابطه خوبی با مقدار کلروفیل اندازهگیری شده توسط دستگاه کلروفیل سنج دارد - 2 = 0.78 -
امروزه گندم غذای اصلی مردم در بسیاری از کشورهای جهان میباشد به طوری که 20درصد کالری مورد نیاز جهان را تأمین مینماید - فائو - 2006برای دستیابی به عملکرد بالا در غلات عمدتاًو گندم که پایه اصلی تغذیه در اکثر جوامع به حساب میآید ، ضرورت افزایش عملکرد این گیاه در واحد سطح اجتنابناپذیر به نظر میرسد. در چند دهه اخیر، تولید مواد غذایی جنبه استراتژیک به خود گرفته است و در حال حاضر برنامههای اقتصادی کشورهای مختلف در جهت دستیابی به منابع غذایی جدید، به افزایش عملکرد گیاهان زراعی و بهرهبرداری مناسب از پتانسیلهای موجود در زمینه کشاورزی هدایت میشوند
تشخیص اثرات ناشی از کمبود مواد مغذی در گیاهان در کشاورزی دقیق بااهمیت است؛ این نیازمند تکنیک دقیق و قابلاطمینان است
روشهای نامبرده برای اندازهگیری نیتروژن محتوی گیاهان زراعی،با اینکه روشهای دقیقی هستند، اما هزینه بر و وقتگیر میباشد. روش نوین پردازش تصویر میتواند روش مورد نظر کشاورزی دقیق در اعمال متغیر نهادههای کشاورزی باشد.
هدف این تحقیق تعیین قابلیت استفاده از دوربین دیجیتالی برای تشخیص مقدار نیتروژن موجود در برگهای گندم میباشد. در این مطالعه، روابطی برای تخمین درصد کلروفیل برگ گیاه گندم با استفاده از پردازش روی تصاویر دیجیتالی نوشته شده است.
مواد و روش
برای انجام این تحقیق کاشت رقم بهاره گندم در تاریخ 6 اردیبهشت سال 1394در گلخانهی دانشگاه محقق اردبیلی صورت پذیرفت. گندم به صورت آزمایشگاهی در داخل گلدانهای 25×25 سانتی متر کاشته شد. برای ایجاد تمایز رنگی در بین تیمارها، نیتروژن به صورت کود اوره 46% - ازت - و در پنج سطح 0 - ، 30، 60 ، 120 و 180 کیلوگرم بر هکتار - و در سه تکرار در مرحله ساقه دهی - 20روز پس از کشت - به تیمارها داده شد. مقدار کود مورد نیاز در هر مرحله در آب آبیاری حل شده و به گلدانها داده میشد. گلدانها به صورت یکسان هر دو روز یکبار، آبیاری میگردید. یک هفته پس از کود دهی اقدام به تهیه عکسها شد. از هر گلدان سه برگ بریده شد. انتخاب برگها به نحوی صورت گرفت که نماینده آن تیمار باشد
کلروفیل برگهای انتخابشده توسط دستگاه کلروفیل سنج اندازهگیری گردید و همزمان از برگها عکس تهیه شد. برای افزایش دقت اندازهگیری کلروفیل، از هر برگ درسه نقطه مختلف اندازهگیری صورت گرفت و میانگین آن محاسبه گردید. کلروفیلمتر SPAD-502 یک مساحت 3×2 میلیمتری از برگ گیاه را با دقت 1 واحد اندازهگیری می کند. اساس اندازهگیری کلروفیل برگ در این دستگاه عبور طول موج قرمز 650 - نانومتر - و نزدیک مادونقرمز 940 - نانومتر - میباشد
عکسبرداری از برگها داخل محفظه - دیگ - عکسبرداری در شرایط نوری ثابت با پس زمینهی سفید به انجام رسید. عکسها توسط دوربین دیجیتالی سونی و به فاصله 50 سانتیمتر بالاتر از برگ گرفته شد . عکسبرداری در داخل محفظه عکسبرداری که شامل ترکیبی از نورهای سفید و زرد که مناسبترین شرایط برای عکسبرداری در فضای بسته هستند، صورت پذیرفت. وضوح تصاویر 6 2048×1 پیکسل و در باندهای قرمز، سبز و آبی با فرمت JPEG گرفته شد. برای پردازش تصاویر از نرمافزار متلب ورژن2013 استفاده گردید.
پردازش مقدماتی تصاویر
به منظور افزایش دقت تخمین کلروفیل برگ بر اساس انعکاس رنگ سطح آن، الگوریتم جداسازی برای حذف زمینه تصویر استفاده گردید. چرا که خود پس زمینه هم دارای مقادیری اندکی از مؤلفههایمؤلفهها رنگی میباشد همان طور که در شکل 1و 2 نشان داده شده است، الگوریتم جداسازی در سه مرحله اجرا شد:
الف - تقسیم تصویر اصلی به سه مولفه تشکیلدهنده آن - رنگ قرمز، رنگ سبز و رنگ آبی -
ب - جداسازی برگ از زمینه تصویر
ج - حذف نویزهای تصویر. ابتدا تصویر اصلی هر برگ به سه تصویر تک رنگ قرمز، سبز و آبی تقسیم گردید.
با استفاده از آستانه گیری و نمودار مربوط به شدت هیستوگرام، مقادیر آستانه برای حذف پیکسلهایپیکسلهای زمینه از تصویر مشخص گردید و با استفاده از تابع آستانه گیری زیر جداسازی صورت گرفت:
با توجه به تابع فوق، شدت پیکسلهای مربوط به برگ تغییر نکرده و فقط مقدار پیکسلهایپیکسلهای زمینه تصویر صفر میگردد. - تصویر-1 ج - . در مرحله بعد، میانگین شدت پیکسلهای برگ در هر تصویر تک رنگ - قرمز، سبز و آبی - با استفاده از معادله2 محاسبه گردید.
مقادیر میانگین مؤلفههای قرمز، سبز و آبی برای هر تصویر با استفاده از معادله 2 محاسبه میگردد. سپس رابطه بین این مؤلفهها با مقدار کلروفیل برگ بررسی گشته و با نتایج دیگران مقایسه میگردد.
