基于圖像處理—HSI顏色空間的木醋液對牛糞堆肥過程H分量模型探究

李治宇　周嶺　石長青　劉飛　孫金龍　秦翠蘭　王磊元

摘要：為了對畜禽糞便腐熟程度的快速判定，探索了1種以圖像處理-HSI顏色模型對棉稈木醋液處理牛糞堆肥過程進(jìn)行識別的方法。結(jié)果表明，木醋液對牛糞堆肥不同階段的色度模型滿足高斯二次模型，模型的相關(guān)系數(shù)r均在0.921 2以上，處理組色度模型的決定系數(shù)均大于對照組色度模型的決定系數(shù)，且決定系數(shù)r²均在0.8109以上。說明棉稈木醋液對牛糞堆肥過程中色度變化明顯，適合于將色度模型應(yīng)用于棉稈木醋液對牛糞堆肥過程的判定。

關(guān)鍵詞：HIS顏色空間；H分量；木醋液；堆肥；色度模型

中圖分類號：S216.1；S141.4 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1002—1302（2016）01—0399—04

改革開放以來，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人們生活水平的提高，畜禽養(yǎng)殖發(fā)展迅速。但是由于畜禽糞便未能得到有效處理，導(dǎo)致水體、土壤和空氣嚴(yán)重污染，對人畜生存環(huán)境帶來危害。通過物理指標(biāo)，色度變化，可以大致判定是否腐熟，但是靠人工目測，不僅缺乏客觀性和可重復(fù)性，而且檢驗精度低。在現(xiàn)代化的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，將計算機(jī)圖像處理技術(shù)應(yīng)用到堆肥中，能夠極大地降低對工作人員的要求，提高了分析的客觀性和準(zhǔn)確性，為機(jī)器視覺技術(shù)迅速判斷堆肥腐熟提供理論參考。由于HSI顏色模型在接近人眼對景物的認(rèn)知方面優(yōu)于RGB顏色模型，廣泛應(yīng)用于除草機(jī)器人、水果采摘等自動彩色目標(biāo)識別的場合。目前利用圖像處理-HSI顏色模型判別不同堆肥階段的腐熟程度還未見報道。本研究提出1種以圖像處理-HSI顏色模型對棉稈木醋液處理牛糞堆肥過程不同階段進(jìn)行檢測，探索以機(jī)器視覺系統(tǒng)對不同堆肥期的腐熟程度進(jìn)行自動識別的新途徑。對農(nóng)業(yè)和生態(tài)環(huán)境的健康長效的發(fā)展具有重要的意義。

1材料與方法

1.1試驗材料

試驗中的棉稈木醋液由生物質(zhì)熱裂解實驗裝置熱解得到，該裝置功率為12 kW，一次最多可放4 kg物料，最高溫度可加熱到600℃。將風(fēng)干棉稈直接放人熱解裝置內(nèi)，每次進(jìn)料1 kg，起始溫度20℃，終止溫度500℃，熱解2 h，氣體經(jīng)泠凝裝置冷凝為液體，在出口收集到的木醋液為粗木醋液，經(jīng)靜置沉淀后，取上清液體，即為試驗所用棉稈木醋液，棉稈木醋液的理化指標(biāo)見表1。

供試牛糞來源于塔里木大學(xué)動物科學(xué)學(xué)院的養(yǎng)牛場，鋸末來自校外的木材加工廠。堆體物料組合為牛糞和鋸末，按質(zhì)量比17.8：1混合。堆肥原材料的初始理化性狀見表2。

1.2試驗設(shè)計

試驗在塔里木大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)工程重點實驗室進(jìn)行。堆肥試驗共設(shè)4個處理，即：處理1：牛糞66 kg+鋸末3.69 kg+水23.8 L；處理2：牛糞66 kg+鋸末3.69 kg+水23.8 L+0.5%棉稈木醋液；處理3：牛糞66 kg+鋸末3.69 kg+水23.8 L+1.7%棉稈木醋液；處理4：牛糞66 kg+鋸末3.69 kg+水23.8 L+3.0%棉稈木醋液。木醋液添加量均為木醋液與堆肥物料鮮質(zhì)量的比值。4個處理分別命名為CK、1#、2#和3#。堆肥試驗采用靜態(tài)強(qiáng)制通風(fēng)+翻堆的方式進(jìn)行，堆體溫度超過60℃時通風(fēng)30 min，前4周每1周翻堆1次，以后每2周翻堆1次，堆肥試驗持續(xù)11周。

1.3堆肥裝置

堆肥裝置系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。反應(yīng)器內(nèi)部尺寸為0.6 m×0.6 m×0.6 m，外部尺寸為1 m×1 m×1 m，保溫層材料為聚乙烯泡沫板。在堆體中心距離底部15、30、45 cm處放置溫度傳感器（Pt100電阻）；在距離桶底1 cm處開1個直徑2 cm的孔；將直徑2 cm的PVC管插入孔中，同時在桶里放1個2 cm高的支撐架，上面放1個箅子，同時鋪1層透氣性很好的塑料編制膜，反應(yīng)器底部有通風(fēng)管道，然后將PVC管接上鼓風(fēng)機(jī)，對其通風(fēng)供氧；共4個堆肥裝置，每處理1個裝置。

1.4試驗儀器

GC/MS氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀（Trace GC-2000/DSQ）；WYT-4手持糖度計；METrLER TO-LEDO D131型卡爾菲休水分儀；密度瓶；FD-NST-I型液體表面張力系數(shù)測定儀；PHS-3C型pH計；分析電子天平（FA1004）；電熱鼓風(fēng)干燥箱（GZX-9140MBE）；箱式電阻爐（SX-2.5-10）；生物質(zhì)熱裂解實驗裝置（BRES06-1）和原子吸收分光光度計（AA800）；Panasonic數(shù)碼相機(jī)（DMC-S3GK）；SD-200型影室閃光燈照明光源，功率為100 W。

1.5采樣方法

采樣在堆肥前及每次翻堆前進(jìn)行采集（遇到翻堆時，須在翻堆前采集），堆體分成上層（距離底部45 cm）、中層（距離底部30 cm）和下層（距離底部15 cm）。每一層均分成3個區(qū)域，如圖1所示，中心區(qū)域、1級環(huán)形區(qū)域和2級環(huán)形區(qū)域。早上11：00時取樣，取堆體不同層的不同區(qū)域試樣，每一層的不同區(qū)域隨機(jī)取點，采集3個次級樣品，然后將這3個次級樣品混合成一個待測樣品，樣品經(jīng)自然風(fēng)干，研磨后，過60目篩，在4℃下保存。

1.6測定方法

木醋液：液相色譜法；表面張力：掛環(huán)法；密度：密度瓶法；有機(jī)質(zhì)：灼燒法；全氮：凱氏定氮法；pH值：pH計法；EC：電導(dǎo)法；含水率：真空烘箱法。

顏色處理：參照文獻(xiàn)[13]和[14]進(jìn)行圖像處理。

1.7 RGB顏色空間

RGB顏色空間由三基色[紅（R）、綠（G）、藍(lán)（B）]組成，用三基色進(jìn)行相加可以產(chǎn)生任何顏色。它是由紅、綠、藍(lán)表示3個坐標(biāo)軸的立方體三維坐標(biāo)空間結(jié)構(gòu)，如圖2所示。立方體的底部R=G=B=0處為黑色，頂部與其相對角R=G=B=255處為白色。由于顯示設(shè)備和采集圖像均使用的是RGB顏色空間，因此RGB顏色空間是彩色圖像處理中最基礎(chǔ)、最常用的顏色空間。但是RGB顏色空間具有不均勻和不直觀的缺點，所以，大多采用更加符合顏色視覺特性的顏色空間進(jìn)行彩色圖像處理。

1.8 HSI顏色空間

HSI顏色空間是從人的視覺系統(tǒng)出發(fā)，用色調(diào)H、飽和度S和亮度Ⅰ來描述顏色，屬于極坐標(biāo)空間結(jié)構(gòu)，其優(yōu)點是能非常直觀的描述顏色，如圖3所示。HSI顏色空間很適合基于人的顏色感知特性進(jìn)行處理和分析圖像。其中，色調(diào)H分量對彩色描述與人的視覺接近，區(qū)分力比較強(qiáng)。

1.9從RGB顏色空間轉(zhuǎn)換為HSI顏色空間

2結(jié)果與分析

2.1顏色特征提取——H分量

堆肥過程一般分為3個階段：升溫階段、高溫階段和降溫階段，最后進(jìn)入腐熟。分別在不同的時期，采集樣品堆肥整個過程的圖像，共得到220幅堆肥的RGB圖像。從對照組中取出中層的第一區(qū)域的一組圖片，進(jìn)行可視化處理。

圖4為不同堆肥階段圖像，從顏色外觀來看，堆肥前期的顏色較深，越到后期，顏色不斷褪去。為了能夠準(zhǔn)確用數(shù)據(jù)說明顏色變化的情況，在HSI顏色模型中，取色調(diào)H作為特征量進(jìn)行統(tǒng)計分析，將其由RGB圖像格式轉(zhuǎn)換成HSI圖像格式，然后在每幅圖像中提取區(qū)域大小為50像素×50像素的特征點，對提取出的堆肥區(qū)域進(jìn)行處理和變換，計算堆肥區(qū)域的色調(diào)信息，統(tǒng)計H分量，得到HIS顏色模型的H分量變化直方圖（圖5）。由圖5可看出，堆肥不同階段的H分量直方圖分布是不同的，由于直方圖只能大致看到變化情況，具體變化不明，需要將H分量量化。采用取均值的方式，能夠具體判定該階段的顏色。通過計算，將色調(diào)值還原，得到圖4的色調(diào)值域為[26.738 51°，36.012 16°]，顏色色調(diào)的視覺變化很明顯。橙色在色調(diào)值域[0°，360°]中對應(yīng)30°，如第0周的堆肥色調(diào)值的均值為28.854 39°，說明了此階段堆肥區(qū)域含有較多的橙色信息。

2.2建立H分量色度模型

根據(jù)整個堆肥不同階段堆體的RGB圖像，進(jìn)行HIS空間轉(zhuǎn)換，得到HIS模型H分量的均值，共獲得220個色度值，每一層的H分量均值，計算公式如下：

繪制不同木醋液處理下，堆肥過程中H分量的變化情況，得到圖6。從圖6可以看出，4幅圖整體上都是在第1周至第3周出現(xiàn)1個上升的趨勢，然后逐漸降低到一個穩(wěn)定的水平。對H分量進(jìn)行回歸分析，得到不同處理下不同層的堆肥過程色度模型，見表3。表3顯示所有擬合方程的相關(guān)系數(shù)均達(dá)到了0.9以上；其中色度模型的決定系數(shù)最小值為0.810 9，最大值達(dá)到了0.999 5，所有色度模型都滿足高斯二次模型；處理組的決定系數(shù)均比對照組的決定系數(shù)大。說明了木醋液處理后的色度模型，其擬合效果好，模型可靠性高，也反映了堆肥效果穩(wěn)定。

3討論

目前堆肥腐熟度的評價主要采用物理指標(biāo)、化學(xué)指標(biāo)和生物指標(biāo)，化學(xué)指標(biāo)和生物指標(biāo)操作復(fù)雜，為了實現(xiàn)快速的判定，物理指標(biāo)就成為首選。由于物理指標(biāo)中的溫度、氣味在堆肥中不穩(wěn)定，容易受到外界的干擾，不容易判定。而堆肥中顏色的變化不受其他因素的影響，色度穩(wěn)定，可以通過外觀判定堆肥的程度，所以可以對堆肥不同階段的色度進(jìn)行量化。顏色量化是數(shù)字圖像處理中的基本技術(shù)，它將原圖像中的多種顏色根據(jù)人的視覺效果歸類到較少數(shù)目的顏色。

從圖6可以看出，在堆肥過程中顏色的變化不是線性的變化，而是一個復(fù)雜的過程。色度值在堆肥前期升高，主要因為堆肥前期有機(jī)物的含量充裕，加之溫度的升高，增加了環(huán)境的活性，產(chǎn)生大量微生物，微生物在分解有機(jī)物時排放了大量的水分，導(dǎo)致物料顏色加深。圖4的物料形狀也反映出前期的物料比較大，而后期由于被微生物分解而變得都比較小；同時微生物菌落和溫度共同導(dǎo)致升溫期顏色加深；然后色度值逐漸降低，達(dá)到穩(wěn)定。

從表3可以看出，木醋液處理下的色度模型明顯優(yōu)于對照組的色度模型，其決定系數(shù)均高于對照組的決定系數(shù)。結(jié)果表明，木醋液對堆肥中色度的影響比較顯著，堆肥的穩(wěn)定效果好，模型的適用性強(qiáng)，適合用于堆肥過程及腐熟程度的反映。

4結(jié)論

木醋液對牛糞堆肥不同階段的色度模型的決定系數(shù)，均大于對照組色度模型的決定系數(shù)，說明木醋液對牛糞堆肥過程中色度變化明顯，適合于對牛糞堆肥過程色度的判定。

木醋液對牛糞堆肥不同階段的色度模型滿足高斯二次模型，模型的相關(guān)系數(shù)均在0.921 2以上，相關(guān)度極高；決定系數(shù)均在0.810 9以上，說明模型的可靠性高。