徐邢燕，沈萍萍，郝志龙*，林宏政，李鑫磊，张 妍，金心怡3，孙 云3，项应萍

（1.福建农林大学 园艺学院，福建 福州 350002；2.茶学福建省高校重点实验室，福建 福州 350002；3.福建农林大学 茶叶研究所，福建 福州 350002）

随着农村劳动力不断向城市转移，茶叶生产出现用工荒，越来越多的茶叶不能及时采下来，造成较大的经济损失。将茶鲜叶按不同嫩度及时采摘是加工高品质茶叶和提高经济效益的前提，因此，产业对茶叶智能化、机械化采摘的需求越来越迫切。但现有的机械采摘技术选择性差，无法精确区分新梢叶片的老嫩，不足以提供高品质茶所需的优质鲜叶，给制茶带来一系列问题[1]。随着计算机软硬件，尤其图像处理技术的迅猛发展，计算机视觉技术在农业中的应用日益广泛，已成功应用于作物生长检测[2]、烟叶分选、分类与检测、食品和农产品加工等不同领域[3-5]。叶片色泽与叶绿素含量密切相关，目前测定叶绿素的方法主要有分光光度法[6]、SPAD 叶绿素仪法[7]、光谱法和基于计算机视觉的图像处理技术。基于计算机视觉的图像处理技术是一种具有快捷、便利、无损伤和实时测定等特点的监测方法，已成为植物叶片色泽信息获取的重要手段。本试验利用计算机视觉技术提取茶树新梢不同嫩度叶片相关色泽参数进行差异分析，筛选能区分不同嫩度叶片的色泽参数，为实现智能化采摘和鲜叶采后分级提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验以毛蟹、黄旦（黄金桂）、铁观音、肉桂、福云6号和福鼎大白茶等6个茶树品种的新梢为供试材料，采摘生长一致且无病虫害的一芽五叶，在福建农林大学茶学实验室分别对新梢芽叶进行色泽参数采集。

1.2 仪器与设备

SONY T 20 数码相机、SPAD-502 叶绿素计、笔记本电脑以及自编RGB 统计软件等。

1.3 试验设计

每个品种随机采摘6个新梢进行重复性实验，参照郝志龙[7]方法，控制图像文件大小1.0 MB，在外界光线为明亮的室内开闪光灯对白色底板上的茶梢进行图像采集，运用自编“茶叶色泽变化图像统计软件”进行色泽参数提取计算，获得R值、G值和B值，以及H值、I值和S值[8-9]，将采集处理后得到的R、G、B、H、I、S值以及SPAD值导入SPSS 统计软件进行单因素方差分析，比较同一品种各叶位在P＜0.05 时的差异性。

1.4 测定方法

采摘后的新梢按叶位芽叶分离后用SONY T 20 数码相机分别进行图像采集，采集条件参照郝志龙等[7]的方法。将获得的照片转换为bmp格式后，将其输入自行编制的“茶叶色泽变化图像统计软件”进行图像参数提取与分析，将芽头、第一叶、第二叶定义为嫩梢，第三叶、第四叶、第五叶定义为老梢；同时使用SPAD-502 叶绿素计分别在芽叶上任取三个点测定SPAD值，即植物叶片单位面积当前叶绿素的相对含量，重复6 次。

色彩系统的选择：RGB 系统是一种由红(R)、绿(G)、蓝(B)这三种基本色互相叠加呈现出各种色彩的颜色模型[10]，色度系统中常用R、G、B 的比例值表示色度坐标(r, g, b)，r、g、b是归一化了的R、G、B，且r+g+b= 1。计算公式如下:

HIS 颜色模型是通过色调、饱和度和亮度三要素来描述颜色的。在HIS 格式中，I表示强度或亮度，H表示色度，S表示饱和度，其中色度反映了该色彩最接近什么光谱波长的颜色[10-11]。RGB 系统是一种加色混色系统，其对应的颜色空间在视觉上不均匀，同时它还是一个与设备相关的、颜色描述不完全直观的颜色空间。与RGB 系统相比，HIS 模型更符合人的视觉规律，与人眼感觉颜色的原理更加相似，Tao 等[12]、何东健等[13]，杨秀坤等[14]和许丽颖等[15]在水果颜色检测的研究中均采用此模型,且取得了较好的检测结果。由于采集得到的图像是RGB 颜色模型，必须按照以下方式进行RGB 到HIS 颜色系统的转换：

2 结果与分析

2.1 同一品种不同叶位叶片色泽差异分析

为分析同一茶树品种不同叶位叶片色泽的差异性，找出存在显著差异的色泽参数，以此实现鲜叶的准确识别，将试验样本中叶色相对较深的铁观音、肉桂和毛蟹分为一组，叶色相对较浅的黄旦、福鼎大白茶和福云6号分为一组进行差异分析。

2.1.1 毛蟹、肉桂和铁观音不同叶位叶片色泽差异

毛蟹、肉桂和铁观音不同叶位叶片SPAD值及H、I、S值差异性分析如表1所示，R、G、B值及r、g、b值差异性分析如表2所示。

表1 毛蟹、肉桂和铁观音不同叶位叶片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、肉桂和铁观音不同叶位叶片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

三个茶树品种叶片SPAD值随着叶片成熟度的增加而升高，其中毛蟹各叶位叶片的SPAD值存在显著差异，区分度较高，可以实现不同叶位叶片的区分。肉桂和铁观音第一、二、三叶间SPAD值也存在显著差异；而肉桂的第三、四叶间，铁观音的第三、四、五叶间差异不显著。因此，SPAD值能实现这三个品种第一、二、三叶的识别。

毛蟹和铁观音品种芽头和第五叶的H值显著低于同品种其他叶位的叶片，铁观音第四叶H值与其他叶位存在显著差异，但第一、二、三叶间H值差异不显著，毛蟹第一、二、三、四叶间H值差异不显著。肉桂芽头和第三叶的H值显著高于其他叶位，同时，第一、三、四叶间H值存在显著差异。三个品种I值大小与叶片的成熟度呈负相关，且第五叶的I值与第三、四叶均存在显著差异。毛蟹、肉桂和铁观音芽头与第一叶的S值均存在显著差异，其他叶位间差异不显著。考虑这三个乌龙茶品种需要成熟采，主要进行第三、四、五叶间的区分，因此，在生产中毛蟹、肉桂和铁观音可以通过I值区分第四、五叶；毛蟹还可通过H值区分第四、五叶；肉桂的H值可区分第三、四叶；铁观音可通过H值区分第三、四、五叶。

三个茶树品种的R值呈现出随着叶片成熟而降低的趋势，其中铁观音各叶位间的R值均存在显著差异；三个品种第一叶与第二叶间R值均存在显著差异，第五叶的R值与其他叶位均存在显著差异，可见，通过R值可以实现三个品种第五叶的区分。G值也呈现出随着茶树叶片成熟度的增加而降低的趋势，从三个品种来看，芽头的G值均显著高于其他叶位，而第三、四、五叶间差异不显著。毛蟹、肉桂、铁观音第一叶的B值与其他叶位间存在显著差异，肉桂第四、五叶间B值存在显著差异。三个茶树品种第三、四、五叶间的r、g、b值差异均不显著，可见，R值可作为这三个品种区分第五叶的参数，B值仅可以作为区分肉桂第五叶的参数。

综上，叶片色泽较深的铁观音、毛蟹、肉桂三个乌龙茶品种的SPAD值可以作为嫩采时第一、二、三叶位叶片区分的参数，R值可以实现第五叶的区分。毛蟹、肉桂和铁观音可以通过I值区分第四、五叶；毛蟹还可通过H值区分第四、五叶；肉桂则可通过H值区分第三、四叶，B值区分第五叶；铁观音可通过H值区分第三、四、五叶；可为成熟采（驻芽三、四叶采）的乌龙茶快速确定叶位采摘技术提供参考。

2.1.2 黄旦、福鼎大白茶和福云6号不同叶位叶片色泽差异

黄旦、福鼎大白茶和福云6号不同叶位叶片SPAD值及H、I、S值差异性如表3所示，R、G、B值及r、g、b值差异性如表4所示。这三个品种主要加工绿茶、白茶或红茶，以嫩采（一芽二、三叶采）为主，因而重点分析第一、二、三叶间的色泽差异。

表3 黄旦、福鼎大白茶、福云6号不同叶位叶片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 黄旦、福鼎大白茶、福云6号不同叶位叶片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，同一品种不同叶位SPAD值随着叶片成熟度增加而升高，第一、二、三叶间SPAD值均存在显著差异，但第三、四、五叶间SPAD值差异不显著。因此，通过叶片SPAD值能实现三个品种第一、二、三叶间的识别。

黄旦第一、二、三叶间H值差异显著，福鼎大白茶和福云6号第一、二叶间H值差异显著；黄旦和福云6号第一、二叶间I值差异显著，福鼎大白茶第一、二、三、四叶间I值均差异显著；黄旦第二叶S值与第一、三叶差异显著，且第三、四叶间差异也显著，福鼎大白茶第三、四叶间S值差异显著，福云6号第一、二叶间和第二、三叶间S值分别存在显著差异。可见，H、I值可用于区分这三个品种第一、二叶，S值可用于这三个品种第三、四叶间的区分。

由表4可知，黄旦第一和第二叶间、第三和第四叶间R值分别存在显著差异，福鼎大白茶第一、二、三、四叶间R值均存在显著差异，福云6号仅第一、二叶间R值存在显著差异。黄旦第一、二叶G值存在显著差异，福鼎大白茶第二、三叶的G值存在显著差异，福云6号不同叶位G值差异均不显著。黄旦第一、二、三叶间B值差异显著，福鼎大白茶和福云6号第一、二叶间B值差异显著，福鼎大白茶第三、四叶间B值差异显著。r、g、b 参数中仅黄旦和福云六号第一、二叶间的g、b值差异显著，其他叶位间均不存在显著差异。可见，R、B值可用于区分此三个品种第一、二叶，并能区分福鼎大白茶第三、四叶，R值亦可区分黄旦第三、四叶，B值亦能辨别黄旦第二、三叶，G值仅能区分黄旦和福鼎大白茶的第一、二叶；g、b值仅能用于区分黄旦和福云6号的第一、二叶。

综上，叶片色泽较浅的黄旦、福鼎大白茶和福云6号可以通过参数SPAD值区分茶树第一、二、三叶；通过H、I、R、B值可区分这三个品种第一、二叶，S值可用于这三个品种第三、四叶的区分；福鼎大白茶可通过R、B值区分第三、四叶；黄旦可通过R值区分第三、四叶，用G、g、b值区分第一、二叶。这些参数可为这三个品种不同叶位叶片的定位采摘技术提供参考。

2.2 同一品种老嫩梢色泽差异分析

为适应茶叶实际生产上的采摘要求，进一步以茶树新梢上的芽头、第一、二叶为嫩梢，第三、四、五叶为老梢进行色泽差异分析。

2.2.1 同一品种老嫩梢SPAD值及H、I、S值

由表5可知，各品种老梢SPAD值显著高于嫩梢，但老嫩梢的H值仅有黄旦存在显著差异，S值仅有福鼎大白茶存在显著差异，黄旦和福云6号的I值差异不显著，其他品种老嫩梢的I值差异显著。因而，SPAD值可以作为区分单一品种老梢和嫩梢的参数，I值也可作为毛蟹、肉桂、铁观音和福鼎大白茶这四个品种老嫩梢的区分参数。

2.2.2 同一品种的老嫩梢R、G、B、r、g、b值

分析结果如表6所示。6个品种除了黄旦老嫩梢间的R、G、B、r、g、b值、福鼎大白茶老嫩梢的G值和所有品种老嫩梢的g、b值不存在显著差异外，其他品种老嫩梢间的R、G、B、r值均存在显著差异。因此，除了福鼎大白茶老嫩梢的G值及黄旦品种以外，其他5个品种均可以将茶树叶片的R、G、B、r值作为机械采摘时老嫩梢区分的参考依据。

表5 同一品种老梢、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 同一品种老梢、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

综上，SPAD值可以作为区分同一品种茶树老嫩梢的参数，毛蟹、肉桂和铁观音的老嫩梢可通过I、R、G、B、r值区分，I值还可作为福鼎大白茶老嫩梢的区分参数，R、G、B、r值可作为福云6号老嫩梢的识别参数，这些参数可为机械化智能采摘老嫩梢提供参考。

3 小结

通过对6个品种不同叶位及老嫩梢色泽参数的分析，可以看出：茶树叶片成熟度越高SPAD值也越高，可以作为嫩采时第一、二、三叶位叶片的识别参数；R值可以实现叶片色泽较深的铁观音、毛蟹、肉桂三个乌龙茶品种第五叶的区分；毛蟹、肉桂和铁观音可以通过I值区分第四、五叶；毛蟹还可通过H值区分第四、五叶；肉桂的H值可区分第三、四叶，B值可以区分第五叶；铁观音可通过H值区分第三、四、五叶；这些参数为成熟采（驻芽三、四叶采）的乌龙茶快速定位采摘技术提供参考。

叶片色泽较浅的黄旦、福鼎大白茶和福云6号可以通过H、I、R、B值区分第一、二叶，S值可用于3个品种第三、四叶的区分；福鼎大白茶可通过R、B值区分第三、四叶；黄旦可通过R值区分第三、四叶，还可以用G、g、b 区分第一、二叶；这些参数为这3个嫩采品种不同叶位叶片的定位采摘技术提供参考。

茶树叶片SPAD值可以作为区分同一品种茶树老嫩梢的参数，毛蟹、肉桂和铁观音的老嫩梢可通过I、R、G、B、r值区分，I值还可作为福鼎大白茶老嫩梢的区分参数，R、G、B、r值可作为福云6号老嫩梢的识别参数，为机械化智能采摘老嫩梢技术提供参考依据。

茶树叶片色泽参数也可运用于茶鲜叶的定级，在原料阶段筛选出更加适宜加工某一特定成品茶的鲜叶，在原料上为茶叶品质提供保证。通过对茶树叶片色泽参数的分析，可以实现某一参数或几个参数对同一品种不同叶位叶片的辨别，精确性需进一步验证提高，如能兼顾茶叶形状，进一步深入探讨叶片形状、大小等其他参数，从而实现多维参数对茶树叶片的精确定位采摘。