（2）信号调理系统农田生物信息经过信息检测系统检测后，其信息负载到具有某种能量（如光、电、热、声、磁等）的模拟量上即为模拟信号。模拟信号被计算机采集以前需要进行调理，提高信噪比。信号调理系统包括：滤波器、积分器、调制解调器、锁相放大器和厢车式积分器等。（3）计算机硬件系统①接口电路信息采集仪器可以通过仪器内置式微机的接口电路，将模拟信号转变为计算机所能识别的数字信号，通过电缆送入计算机并存入计算机中。现在的接口电路都是标准口，可以直接采用。数据经过计算机处理后，还要通过接口电路送往各个终端以供农业生产者利用来指导生产。②计算机计算机是信息采集控制、信息处理的中心部件，要求该计算机要有很高的运算速度、很大的内存以及多媒体功能，以满足图形、图象处理等功能的需要。司时，要设计适应多种信息采集的中断和实时控制以及多通道的输入输出控制。③计算机输入输出设备计算机输出设备（如显示器、打印机）的主要作用是将计算机的各种信息的处理结果传递给用户，以便用户决策：计算机输入设备（如键盘、图象扫描仪等）可以向计算机输入处理信息的程序和信息，以及各种专家知识和田间暂时还不能采集到而必须由室内工作来完成的信息采集。2.软件部分农田生物信息采集与处理系统通过信息检测系统检测到的各种信息，经过A/D转换成能被计算机识别的数字信号，并以文件的形式储存到计算机的存储设备中。由于这些图谱、图象信息拥有复杂的背景，需要用各种软件来实现对有用信息的处理与提取。（1）信息预处理软件常见的波谱信息数据预处理方法有：数据平滑法、图谱叠加平均法、厢车式平均法、傅里叶变换滤波法、小波变换等。根据以上方法编制的软件对于原始图谱中的高频随机噪声的去除或降低都有明显的作用。对于图形、图象信息，可根据对比度增强法、非线形灰度变换法和直方图平坦化法编制预处理软件，应用移动平均法、中值滤波法编制软件消除或降低图象中的随机噪声，还可以校正辐射量畸变和几何畸变，使图象质量得到改善。（2）信息提取软件原始数据与图象信息经过预处理后，图谱和图象的质量得以改善，为信息提取作好了准备。弱信息提取软件有计算机差谱技术、计算机导数技术：多元信息提取软件包括应用化学计量学多组分分析方法所编制的软件有：逐步回归分析法（SRA）、主成分回归法（PCR）、偏最小二乘法（PLS）等。计算机图象处理纹理特征信息，也是利用逐步判别法、主成分分析法、聚类分析法等来实现。（3）信息综合处理、模拟和优化软件通过对农田生物信息的综合处理，可以发现农田生态系统更深层次的东西，根据需要，开发信息综合处理模拟优化软件，以便实现农田管理措施的优化。（二）系统功能1：农田生物信息检测26
26 （2）信号调理系统 农田生物信息经过信息检测系统检测后，其信息负载到具有某种能量（如光、电、 热、声、磁等）的模拟量上即为模拟信号。模拟信号被计算机采集以前需要进行调理， 提高信噪比。信号调理系统包括：滤波器、积分器、调制解调器、锁相放大器和厢车 式积分器等。 （3）计算机硬件系统 ①接口电路 信息采集仪器可以通过仪器内置式微机的接口电路，将模拟信号转 变为计算机所能识别的数字信号，通过电缆送入计算机并存入计算机中。现在的接口 电路都是标准口，可以直接采用。数据经过计算机处理后，还要通过接口电路送往各 个终端以供农业生产者利用来指导生产。 ②计算机 计算机是信息采集控制、信息处理的中心部件，要求该计算机要有很 高的运算速度、很大的内存以及多媒体功能，以满足图形、图象处理等功能的需要。 同时，要设计适应多种信息采集的中断和实时控制以及多通道的输入输出控制。 ③计算机输入输出设备 计算机输出设备（如显示器、打印机）的主要作用是将 计算机的各种信息的处理结果传递给用户，以便用户决策；计算机输入设备（如键盘、 图象扫描仪等）可以向计算机输入处理信息的程序和信息，以及各种专家知识和田间 暂时还不能采集到而必须由室内工作来完成的信息采集。 2．软件部分 农田生物信息采集与处理系统通过信息检测系统检测到的各种信息，经过 A/D 转 换成能被计算机识别的数字信号，并以文件的形式储存到计算机的存储设备中。由于 这些图谱、图象信息拥有复杂的背景，需要用各种软件来实现对有用信息的处理与提 取。 （1）信息预处理软件 常见的波谱信息数据预处理方法有：数据平滑法、图谱叠加平均法、厢车式平均 法、傅里叶变换滤波法、小波变换等。根据以上方法编制的软件对于原始图谱中的高 频随机噪声的去除或降低都有明显的作用。对于图形、图象信息，可根据对比度增强 法、非线形灰度变换法和直方图平坦化法编制预处理软件，应用移动平均法、中值滤 波法编制软件消除或降低图象中的随机噪声，还可以校正辐射量畸变和几何畸变，使 图象质量得到改善。 （2）信息提取软件 原始数据与图象信息经过预处理后，图谱和图象的质量得以改善，为信息提取作 好了准备。弱信息提取软件有计算机差谱技术、计算机导数技术；多元信息提取软件 包括应用化学计量学多组分分析方法所编制的软件有：逐步回归分析法（SRA）、主成 分回归法（PCR）、偏最小二乘法（PLS）等。计算机图象处理纹理特征信息，也是利 用逐步判别法、主成分分析法、聚类分析法等来实现。 （3）信息综合处理、模拟和优化软件 通过对农田生物信息的综合处理，可以发现农田生态系统更深层次的东西，根据 需要，开发信息综合处理模拟优化软件，以便实现农田管理措施的优化。 （二）系统功能 1．农田生物信息检测
（1）微观形态结构和组分的信息检测在田间安装可见红外光谱传感器，能够检测到包含农由作物丰富的物质结构及其组成的漫反射光谱信息，可见和近红外光谱区的信息包含农田生物物质组成成分和含量的信息，中红外谱区包含农田生物组成物质的结构信息，这是一种自动化程度很高的获取信息手段。受大田复杂环境的影响，许多微观形态结构信息还不能在大用环境中直接检测，需要依赖于实验室中先进信息检测仪器：如光学类仪器中紫外可见分光光度计可以检测活体叶片色素含量、作物中蛋白质含量和氨基酸含量的信息：原子吸收分光光度计可以检测作物中营养元素和有害元素的含量：红外分光光度计近红外区的漫反射光谱可检测农作物蛋白质、脂肪和水分含量的信息，中红外区光谱能反映生物大分子的构象及其变化的信息；荧光分光光度计在农作物蛋白质、氨基酸、维生素含量的信息检测中应用很广：X射线光电子光谱仪也可以检测农作物蛋白质含量的信息。色谱类仪器在农田生物信息检测中可用于农作物蛋白质、氨基酸、植物激素、核酸、糖类、脂类、维生素等物质含量的信息。核磁共振波谱可以检测到农田生物中生物大分子的有关结构信息，在溶液中可直接测定。质谱仪可检测农田生物组成成分的分子式信息。电化学分析仪器中电极电位测定仪可以检测农田生物体的pH值，NO3一电极和K+电极可以测定植株中硝态氮与水溶性钾的含量，微电极电位还可以检测植物体细胞内膜电位的信息：电导仪可以检测作物活体的电导值信息。（2）宏观形态结构的信息检测农田作物群体、个体结构的信息检测可利用田间安装的与计算机联机的图象传感器进行信息检测，也可以用照相机摄取农由作物群体或个体的照片，然后用彩色图象扫描仪将图象信息输入计算机中。对于器官、组织、细胞、染色体等的形态结构信息可以利用实验室显微照相技术、摄像技术获得信息然后通过图象扫描仪扫描或直接与计算机联机的摄象机将信息采集到计算机中。这些宏观形态结构信息中包含了几何形态结构信息、纹理特征信息和颜色特征信息。（3）生理功能的信息检测：植物光合作用测定仪带有微型处理机，可用手农由作物光合作用信息的直接检测，也可以检测多个与光合作用有关的信息指标。利用生物微电极可采集植物不同植株、不同部位的电位信息和电阻信息，用来研究植物体内生理活动是否正常：利用红外线气体分析传感器和微重量电子传感器可检测植物单叶光合信息（CO2浓度变化）和叶面的蒸腾速率（叶片重量变化）。检测到的信息以数据文件的形式存放于微处理机中，便于计算机自动处理。有些生理功能信息不能在农田中检测到，可以在实验室内利用仪器进行检测。室内与田间信息检测结合，可以实现对农田生物信息全面、准确、系统的检测。4）间接信息的获得一些不需要仪器检测或不能被计算机自动采集的信息如来自文献的科技情报信息，可以通过计算机输入设备直接输入到计算机中，作为农田生物信息的一部分存放在计算机中，便于计算机综合处理信息时调用。2.生物信息检测信号的调理（1）信噪比信息背景复杂或信号微弱时，从噪声中分辩信号就较为困难，并引起测量准确度和精确度的下降。仪器系统分辩信号和噪声的能力通常用信噪比来表示，在直流信号情况下，信噪比（S/N）=信号幅度的平均值噪声幅度的平均值，信噪比的增加通常表示噪声的减少。通常用电子硬件（滤波器、锁相放大器等）或软件算法（整体平均、厢车式平均、傅里叶变换滤波、小波变换等）获得高的信噪比。27
27 （1）微观形态结构和组分的信息检测 在田间安装可见红外光谱传感器，能够 检测到包含农田作物丰富的物质结构及其组成的漫反射光谱信息，可见和近红外光谱 区的信息包含农田生物物质组成成分和含量的信息，中红外谱区包含农田生物组成物 质的结构信息，这是一种自动化程度很高的获取信息手段。受大田复杂环境的影响， 许多微观形态结构信息还不能在大田环境中直接检测，需要依赖于实验室中先进信息 检测仪器：如光学类仪器中紫外可见分光光度计可以检测活体叶片色素含量、作物中 蛋白质含量和氨基酸含量的信息；原子吸收分光光度计可以检测作物中营养元素和有 害元素的含量；红外分光光度计近红外区的漫反射光谱可检测农作物蛋白质、脂肪和 水分含量的信息，中红外区光谱能反映生物大分子的构象及其变化的信息；荧光分光 光度计在农作物蛋白质、氨基酸、维生素含量的信息检测中应用很广；X 射线光电子 光谱仪也可以检测农作物蛋白质含量的信息。色谱类仪器在农田生物信息检测中可用 于农作物蛋白质、氨基酸、植物激素、核酸、糖类、脂类、维生素等物质含量的信息。 核磁共振波谱可以检测到农田生物中生物大分子的有关结构信息，在溶液中可直接测 定。质谱仪可检测农田生物组成成分的分子式信息。电化学分析仪器中电极电位测定 仪可以检测农田生物体的 pH 值，NO3—电极和 K+电极可以测定植株中硝态氮与水溶 性钾的含量，微电极电位还可以检测植物体细胞内膜电位的信息；电导仪可以检测作 物活体的电导值信息。 （2）宏观形态结构的信息检测 农田作物群体、个体结构的信息检测可利用田 间安装的与计算机联机的图象传感器进行信息检测，也可以用照相机摄取农田作物群 体或个体的照片，然后用彩色图象扫描仪将图象信息输入计算机中。对于器官、组织、 细胞、染色体等的形态结构信息可以利用实验室显微照相技术、摄像技术获得信息， 然后通过图象扫描仪扫描或直接与计算机联机的摄象机将信息采集到计算机中。这些 宏观形态结构信息中包含了几何形态结构信息、纹理特征信息和颜色特征信息。 （3）生理功能的信息检测 植物光合作用测定仪带有微型处理机，可用于农田 作物光合作用信息的直接检测，也可以检测多个与光合作用有关的信息指标。利用生 物微电极可采集植物不同植株、不同部位的电位信息和电阻信息，用来研究植物体内 生理活动是否正常；利用红外线气体分析传感器和微重量电子传感器可检测植物单叶 光合信息（CO2 浓度变化）和叶面的蒸腾速率（叶片重量变化）。检测到的信息以数据 文件的形式存放于微处理机中，便于计算机自动处理。有些生理功能信息不能在农田 中检测到，可以在实验室内利用仪器进行检测。室内与田间信息检测结合，可以实现 对农田生物信息全面、准确、系统的检测。 （4）间接信息的获得 一些不需要仪器检测或不能被计算机自动采集的信息， 如来自文献的科技情报信息，可以通过计算机输入设备直接输入到计算机中，作为农 田生物信息的一部分存放在计算机中，便于计算机综合处理信息时调用。 2．生物信息检测信号的调理 （1）信噪比 信息背景复杂或信号微弱时，从噪声中分辩信号就较为困难，并引 起测量准确度和精确度的下降。仪器系统分辩信号和噪声的能力通常用信噪比来表示， 在直流信号情况下，信噪比（S/N）=信号幅度的平均值 / 噪声幅度的平均值，信噪比 的增加通常表示噪声的减少。通常用电子硬件（滤波器、锁相放大器等）或软件算法 （整体平均、厢车式平均、傅里叶变换滤波、小波变换等）获得高的信噪比
（2）噪声来源噪声来源包括固体电子器件的固有噪声和环境噪声。固有噪声种类有热噪声、散弹噪声、1f（f为频率）噪声。通常可用降低检测器的频率带宽来减少热噪声和散弹噪声（二者通常合称为白噪声），在灵敏测量时，避免使用低频（包括直流）以消除1/f噪声。环境噪声常见来源是由50Hz的电力传输线产生的电场和磁场、反射的辐射能量、机械振动以及不同仪器之间电的相互作用。减少环境噪声的方法是将所有仪器正确接地、使信号传输的频率远离环境噪声频率以及加屏蔽等。（3）信号调理信号调理是指采用电子硬件设备来改善信噪比，包括滤波器、积分器、调制解调器、锁相放大器和厢车式积分器等。三、农田生物弱信息的增强技术农田生物信息数据中包含了多种信息的重叠，分析信号包括两部分：由待测组分产生的部分和由样品中的其它成分或环境、仪器产生的部分，这后一部分称为背景。其中变化有一定规律的背景称为系统背景，变化的大小和方向无一定规律的背景称为随机背景（噪声）。信息增强除应用信号调理技术外，也可以应用计算机软件处理技术。1.系统背景的消除与降低（1）差谱技术稳定的而且已知的系统背景可用相减的方法，将其从混合谱中除去，这种相减的技术在光谱检测中就是差谱技术。光谱检测中利用双光束光路可作两个样品的差异光谱，如果样品中除了待测成分以外还有其它的背景吸收（如由溶剂引起的），对这样的样品只要把背景成分放入参比道，样品放入样品道，所得光谱就是已经扣除背景的样品中待测成分的光谱。计算机差谱技术可对存储的图谱进行数据处理，对两张图谱进行差减，已达到溶剂、基体的扣除，以及多组分光谱的分离等。（2）导数光谱技术在光谱检测中，一般的光谱以吸光度A或透光率T为纵坐标，以波数α或波长入为横坐标。若以吸光度对波数（或波长）的导数dA/do（或dA/d入）为纵坐标：以波数（或波长）为横坐标所记录的光谱图称为导数光谱或微分光谱纵坐标也可以是二阶或更高阶导数。导数光谱技术可以消除或降低信号中的低频分量消除背景的影响，主要用来分开叠加在主吸收带上的一些弱吸收带，适于微量的组分分析。也可以将两个能级相邻的振动产生的宽频带分开。导数光谱技术通常包括两类：一类是使用电子学方法作用于仪器的输出信号，如电子微分、数值微分等；另一类是利用光化学方法作用于仪器光学部分的光束，如双波长分光光度法、波长调制技术等。2.随机背景的消除与降低模拟信号转变为数字信号后，一系列软件增强技术可以用来增加信噪比。（1）数字滤波技术数字滤波技术是对数字信号进行滤波处理，以提高其信噪比。常用的3种软件增强技术为相车式（Boxcar）平均、整体平均和平滑。相车式平均用1个点来代替1组描述慢变化模拟信号相邻空间数字数据点的平均值，非常适合于模拟信号随时间缓慢变化场合的实时分析。整体平均即多次测量取平均值，是厢车式方法的补充，应用于快速变化的信号。平滑即加权数字滤波，对数据点指定不同的权重，可获得较理想的滤波。（2）傅里叶变换滤波用傅里叶变换可产生比常规频率域方法快的多的时间谱，也可对通常的信号变换乘以适当的条件函数，以达到数字滤波和其它有用信号的修饰。（3）小波变换小波变换先将光谱信号进行频率分解，根据频率分量的大小进行28
28 （2）噪声来源 噪声来源包括固体电子器件的固有噪声和环境噪声。固有噪声种 类有热噪声、散弹噪声、1/f（f 为频率）噪声。通常可用降低检测器的频率带宽来减少 热噪声和散弹噪声（二者通常合称为白噪声），在灵敏测量时，避免使用低频（包括直 流）以消除 1/f 噪声。环境噪声常见来源是由 50Hz 的电力传输线产生的电场和磁场、 反射的辐射能量、机械振动以及不同仪器之间电的相互作用。减少环境噪声的方法是 将所有仪器正确接地、使信号传输的频率远离环境噪声频率以及加屏蔽等。 （3）信号调理 信号调理是指采用电子硬件设备来改善信噪比，包括滤波器、积 分器、调制解调器、锁相放大器和厢车式积分器等。 三、农田生物弱信息的增强技术 农田生物信息数据中包含了多种信息的重叠，分析信号包括两部分：由待测组分 产生的部分和由样品中的其它成分或环境、仪器产生的部分，这后一部分称为背景。 其中变化有一定规律的背景称为系统背景，变化的大小和方向无一定规律的背景称为 随机背景（噪声）。信息增强除应用信号调理技术外，也可以应用计算机软件处理技术。 1．系统背景的消除与降低 （1）差谱技术 稳定的而且已知的系统背景可用相减的方法，将其从混合谱中 除去，这种相减的技术在光谱检测中就是差谱技术。光谱检测中利用双光束光路可作 两个样品的差异光谱，如果样品中除了待测成分以外还有其它的背景吸收（如由溶剂 引起的），对这样的样品只要把背景成分放入参比道，样品放入样品道，所得光谱就是 已经扣除背景的样品中待测成分的光谱。计算机差谱技术可对存储的图谱进行数据处 理，对两张图谱进行差减，已达到溶剂、基体的扣除，以及多组分光谱的分离等。 （2）导数光谱技术 在光谱检测中，一般的光谱以吸光度 A 或透光率 T 为纵坐 标，以波数σ或波长λ为横坐标。若以吸光度对波数（或波长）的导数 dA/dσ(或 dA/d λ)为纵坐标，以波数（或波长）为横坐标所记录的光谱图称为导数光谱或微分光谱。 纵坐标也可以是二阶或更高阶导数。导数光谱技术可以消除或降低信号中的低频分量， 消除背景的影响，主要用来分开叠加在主吸收带上的一些弱吸收带，适于微量的组分 分析。也可以将两个能级相邻的振动产生的宽频带分开。导数光谱技术通常包括两类： 一类是使用电子学方法作用于仪器的输出信号，如电子微分、数值微分等；另一类是 利用光化学方法作用于仪器光学部分的光束，如双波长分光光度法、波长调制技术等。 2．随机背景的消除与降低 模拟信号转变为数字信号后，一系列软件增强技术可以用来增加信噪比。 （1）数字滤波技术 数字滤波技术是对数字信号进行滤波处理，以提高其信噪 比。常用的 3 种软件增强技术为厢车式（Boxcar）平均、整体平均和平滑。厢车式平 均用 1 个点来代替 1 组描述慢变化模拟信号相邻空间数字数据点的平均值，非常适合 于模拟信号随时间缓慢变化场合的实时分析。整体平均即多次测量取平均值，是厢车 式方法的补充，应用于快速变化的信号。平滑即加权数字滤波，对数据点指定不同的 权重，可获得较理想的滤波。 （2）傅里叶变换滤波 用傅里叶变换可产生比常规频率域方法快的多的时间谱， 也可对通常的信号变换乘以适当的条件函数，以达到数字滤波和其它有用信号的修饰。 （3）小波变换 小波变换先将光谱信号进行频率分解，根据频率分量的大小进行
幅度变换，然后再根据各频率分量的幅度大小进行滤波，可同时在时域和频域中获得较好的局部特性，图谱失真较小。四、农田生物多元信息的提取技术随着计算机技术迅速发展和现代信息检测技术的高度自动化，农业生物数据获取日趋容易，而分析和整理这些数据并从中提取有用信息则愈显困难。对于采集并存储在计算机磁盘中的复杂样品图谱信息数据，可用多元信息处理技术从中提取信息。化学计量学方法就是一种有效的多元信息提取方法。化学计量学就是应用数学与现代统计学的方法和计算机技术，设计和选择最佳测量程序与实验方法，并通过解析分析化学数据而获得最大限度的化学信息。其研究的内容有：数理统计、最优化、模型建立与参数估计、校正、分辩、因子分析、模式识别、信号处理、数据及图谱库检索、定量构效关系、人工智能等，贯穿于实验设计、数据处理、结果分析、方法评价、构效关系研究等整个分析与物化领域及分析测试全过程。化学计量学在农业上的应用主要是提取农业生物样品多组分信息。农业生物信息的提取通常是在活体、动态与实时条件下提取其物质组成和结构及其它信息，不能像常规多组分分析那样进行分离提纯后进行定量活定性测定，而化学计量学为农业生物信息的快速采集提供了有效方法。其方法大体上有：多元线性回归（MLR）、逐步回归分析法（SRA）、主成分回归法（PCR）、卡尔曼滤波（KF）、偏最小二乘法（PLS）、人工神经网络（ANN）等。这些方法都是通过1组待测成分含量已知的标准样品，对它们进行光谱区的全程扫描，然后通过计算机快速处理数据，建立样品组分含量与样品光谱之间的数学关系，再测出未知样品中待测组分的光谱，就可以确定其中待测成分的含量。如逐步回归分析法是从众多的光谱因子中选择出对测试生物样品的多组分贡献最大的光谱因子作为最佳变量矩阵，并以该最佳变量矩阵的线性方程来预测未知样品，实现对混合组分的光谱进行同时定量分析。而PCR法先求出样品光谱的主成分，建立样品组分含量与主成分的线性关系，用所建立的线性方程来预测未知样品。应用化学计量学处理农学和生物学的信息，能够快速而全面地获得有效的处理结果。随着计算机技术的发展，多功能接口技术为实现分析仪器和计算机联机进行自动分析采集信息提供了有力的工具，快速实时提取农业和生物多元信息已经成为可能。五、农田生物宏观形态结构信息的提取（一）计算机图象处理技术的概念对于农田宏观结构信息，宜采用计算机图象处理技术提取。传统图象处理方法是光学照相处理和视频信号处理，称为模拟信号处理。计算机图象处理是在计算机中把图象用数学信号的形式表达，并根据需要进行各种处理，称为数字图象处理。所谓数字图象，就是图象各点的灰度值的二维数组，把它表示为f(x,y），则f(ij)表示图象f位于（ii）处象素的同时，还表示该点的灰度。因此任何图象都可以用多个二维数组表示。根据灰度层次、光谱轴和时间轴上的组合方式的不同，数字图象可分为表2.1所示的类型。数字图象可用应用程序自由的进行处理，再现性好，精度高，适应面产。29
29 幅度变换，然后再根据各频率分量的幅度大小进行滤波，可同时在时域和频域中获得 较好的局部特性，图谱失真较小。 四、农田生物多元信息的提取技术 随着计算机技术迅速发展和现代信息检测技术的高度自动化，农业生物数据获取 日趋容易，而分析和整理这些数据并从中提取有用信息则愈显困难。对于采集并存储 在计算机磁盘中的复杂样品图谱信息数据，可用多元信息处理技术从中提取信息。化 学计量学方法就是一种有效的多元信息提取方法。 化学计量学就是应用数学与现代统计学的方法和计算机技术，设计和选择最佳测 量程序与实验方法，并通过解析分析化学数据而获得最大限度的化学信息。其研究的 内容有：数理统计、最优化、模型建立与参数估计、校正、分辩、因子分析、模式识 别、信号处理、数据及图谱库检索、定量构效关系、人工智能等，贯穿于实验设计、 数据处理、结果分析、方法评价、构效关系研究等整个分析与物化领域及分析测试全 过程。 化学计量学在农业上的应用主要是提取农业生物样品多组分信息。农业生物信息 的提取通常是在活体、动态与实时条件下提取其物质组成和结构及其它信息，不能像 常规多组分分析那样进行分离提纯后进行定量活定性测定，而化学计量学为农业生物 信息的快速采集提供了有效方法。其方法大体上有：多元线性回归（MLR）、逐步回归 分析法（SRA）、主成分回归法（PCR）、卡尔曼滤波（KF）、偏最小二乘法（PLS）、 人工神经网络（ANN）等。这些方法都是通过 1 组待测成分含量已知的标准样品，对 它们进行光谱区的全程扫描，然后通过计算机快速处理数据，建立样品组分含量与样 品光谱之间的数学关系，再测出未知样品中待测组分的光谱，就可以确定其中待测成 分的含量。如逐步回归分析法是从众多的光谱因子中选择出对测试生物样品的多组分 贡献最大的光谱因子作为最佳变量矩阵，并以该最佳变量矩阵的线性方程来预测未知 样品，实现对混合组分的光谱进行同时定量分析。而 PCR 法先求出样品光谱的主成分， 建立样品组分含量与主成分的线性关系，用所建立的线性方程来预测未知样品。 应用化学计量学处理农学和生物学的信息，能够快速而全面地获得有效的处理结 果。随着计算机技术的发展，多功能接口技术为实现分析仪器和计算机联机进行自动 分析采集信息提供了有力的工具，快速实时提取农业和生物多元信息已经成为可能。 五、农田生物宏观形态结构信息的提取 （一）计算机图象处理技术的概念 对于农田宏观结构信息，宜采用计算机图象处理技术提取。传统图象处理方法是 光学照相处理和视频信号处理，称为模拟信号处理。计算机图象处理是在计算机中把 图象用数字信号的形式表达，并根据需要进行各种处理，称为数字图象处理。所谓数 字图象，就是图象各点的灰度值的二维数组，把它表示为 f(x,y) ，则 f(i,j)表示图象 f 位于（i,j）处象素的同时，还表示该点的灰度。因此任何图象都可以用多个二维数组 表示。根据灰度层次、光谱轴和时间轴上的组合方式的不同，数字图象可分为表 2.1 所示的类型。数字图象可用应用程序自由的进行处理，再现性好，精度高，适应面广
表2.1数字图象的类别类别描述形式描述的对象二值图象f(x,y)=0,1文字、线条图、指纹等浓淡图象0≤f(x,y)≤2n—1黑白照片、一般n=68彩色图象(fi(x,y)) ,i=R,GB以三基色表示的彩色图象多光谱图象(fi(x,y)) ,i-1,2,.,m遥感图象，一般m=4～8立体图象fL,fR由左、右视点得到的同一物体的象对动图象（时间序列）(ft(x,y)) ,t-t1,t2,,tn动态分析、动画制作等（二）图象输入方法照片、胶片或实地拍摄的电视图象等一系列模拟图象，在输入计算机的过程中，由输入设备（用数码照相机和数码摄象机拍摄的为数字图象，可直接输入计算机）将其转换成二维阵列（文×N）个象系，然后将这些点阵的灰度信息（包括色彩信息）数字化，每一象元的灰度值是从0到255中的某一个值，而彩色信息是将自然界的各种颜色分解成红（R）、绿（G）、蓝（B）3种基色，每种基色又分成0到255个不同的数量级，几乎所有颜色都可用RGB三基色的含量多少来反映，农田生物色度信息就是用RGB三基色不同数量级的合成来表示。（三）图象处理方法图象处理的目的是要从图象中提取有用的信息，而处理的手段则取决于被处理的图象的性质和处理目的。1.二值图象处理法二值图象处理法是在图象的几何形状处理中应用广泛的方法，常需把对象从背景中分离出来，从而将图形和背景作为分离的二值图。在该方法中，根据实际情况确定一个灰度的域值，使所有象素中灰度大于等于该域值的象素点划为一类，表示对象图象，小于该域值的象素点归为另一类，表示背景。域值选择的好坏决定了处理的效果，选择方法有状态法、P参数法、微分直图法、判别分析法、可变域值法等2.图象变换和图象质量的改善为了消除图象中的背景噪声，便于图象特征提取和识别，需要采取对比度增强、噪声去除、畸变校正等预处理方法改善图象质量。通常采用线性灰度变换、非线性灰度变换、直方图平坦化增强对比度，采用移动平均、中值滤波、局部平均化等消除噪声，采用相关方法进行辐射量畸变校正和几何畸变校正。3.图象的特征提取分析图象是为了识别和理解图象所表示的对象，必须提取图象中被研究对象的形状和纹理的二维特征。被提取的图象是有边缘和区域的，可以用边缘检测法和区域分割法提取图象特征。前者提取不连续部分的特征，根据闭合的边缘求区域；后者把图象分割成特征相同的连续区域，区域间的边界为边缘，二者结合能获得良好的处理效果。应用计算机图象处理技术提取的农业信息有：（1）几何形状结构信息的提取，农由作物群体几何形状信息包括叶面积指数、覆盖率、田间基本苗、田间作物动态生长状态等，通过计算机对农田作物群体图象的几何形状进行处理可以获得整个农由的形态结构信息，实现对农由整体结构的监控，以30
30 表 2.1 数字图象的类别 类别 描述形式 描述的对象 二值图象 f(x,y)=0,1 文字、线条图、指纹等 浓淡图象 0≤f(x,y)≤2n—1 黑白照片、一般 n=6～8 彩色图象 ｛fi(x,y)｝,i=R,G,B 以三基色表示的彩色图象 多光谱图象 ｛fi(x,y)｝,i=1,2,.,m 遥感图象，一般 m=4～8 立体图象 fL,fR 由左、右视点得到的同一物体 的象对 动图象（时间序列） ｛ft(x,y)｝,t=t1,t2,.,tn 动态分析、动画制作等 （二）图象输入方法 照片、胶片或实地拍摄的电视图象等一系列模拟图象，在输入计算机的过程中， 由输入设备（用数码照相机和数码摄象机拍摄的为数字图象，可直接输入计算机）将 其转换成二维阵列（X×N）个象素，然后将这些点阵的灰度信息（包括色彩信息）数 字化，每一象元的灰度值是从 0 到 255 中的某一个值，而彩色信息是将自然界的各种 颜色分解成红（R）、绿（G）、蓝（B）3 种基色，每种基色又分成 0 到 255 个不同的 数量级，几乎所有颜色都可用 RGB 三基色的含量多少来反映，农田生物色度信息就是 用 RGB 三基色不同数量级的合成来表示。 （三）图象处理方法 图象处理的目的是要从图象中提取有用的信息，而处理的手段则取决于被处理的 图象的性质和处理目的。 1．二值图象处理法 二值图象处理法是在图象的几何形状处理中应用广泛的方法，常需把对象从背景 中分离出来，从而将图形和背景作为分离的二值图。在该方法中，根据实际情况确定 一个灰度的域值，使所有象素中灰度大于等于该域值的象素点划为一类，表示对象图 象，小于该域值的象素点归为另一类，表示背景。域值选择的好坏决定了处理的效果， 选择方法有状态法、P 参数法、微分直图法、判别分析法、可变域值法等。 2．图象变换和图象质量的改善 为了消除图象中的背景噪声，便于图象特征提取和识别，需要采取对比度增强、 噪声去除、畸变校正等预处理方法改善图象质量。通常采用线性灰度变换、非线性灰 度变换、直方图平坦化增强对比度，采用移动平均、中值滤波、局部平均化等消除噪 声，采用相关方法进行辐射量畸变校正和几何畸变校正。 3．图象的特征提取 分析图象是为了识别和理解图象所表示的对象，必须提取图象中被研究对象的形 状和纹理的二维特征。被提取的图象是有边缘和区域的，可以用边缘检测法和区域分 割法提取图象特征。前者提取不连续部分的特征，根据闭合的边缘求区域；后者把图 象分割成特征相同的连续区域，区域间的边界为边缘，二者结合能获得良好的处理效 果。应用计算机图象处理技术提取的农业信息有： （1）几何形状结构信息的提取 农田作物群体几何形状信息包括叶面积指数、覆 盖率、田间基本苗、田间作物动态生长状态等，通过计算机对农田作物群体图象的几 何形状进行处理可以获得整个农田的形态结构信息，实现对农田整体结构的监控，以