高光譜成像的黃瓜病蟲害識別和特征波長提取方法

黃瓜霜霉病和斑潛蠅是制約黃瓜產(chǎn)業(yè)發(fā)展的嚴(yán)重病蟲害。傳統(tǒng)黃瓜生產(chǎn)過程中，病蟲害識別主要依賴于人工識別，通過種植人員和專業(yè)人員的經(jīng)驗(yàn)來判斷病蟲害種類。這種方式主觀性強(qiáng)，易混淆病情，可能導(dǎo)致防治不及時和錯誤用藥。因此，準(zhǔn)確識別病蟲害對黃瓜生產(chǎn)和環(huán)境安全有著重要意義，高光譜成像技術(shù)能同時獲得作物的圖像信息和光譜信息，目前已廣泛用于作物病蟲害檢測的研究。

01高光譜數(shù)據(jù)

高光譜成像系統(tǒng)如圖1（a）所示，主要由計(jì)算機(jī)、高光譜相機(jī)、光源等組成。圖2為三類黃瓜葉片RGB顯示下的高光譜圖像，圖2（a）為無癥狀葉片、圖2（b）為霜霉病葉片、圖2（c）為斑潛蠅蟲害葉片。

圖1 高光譜成像系統(tǒng)

圖2（a）無癥狀葉片

圖2（b）霜霉病葉片

圖2（c）斑潛蠅葉片

1.1高光譜數(shù)據(jù)提取

使用軟件對高光譜圖像進(jìn)行數(shù)據(jù)提取后將數(shù)據(jù)導(dǎo)入文件，顯示464、513和660nm三個波段圖像合成的RGB圖像，如圖3所示，根據(jù)病斑區(qū)域大小選擇若干個10X10的感興趣區(qū)域(ROI)，提取每個ROI的平均反射率數(shù)據(jù)作為葉片的原始光譜數(shù)據(jù)，共提取2656組數(shù)據(jù)。由于光譜曲線的兩邊緣區(qū)噪聲較大，故去除保留450~850nm的159個波段作為有效光譜范圍，圖4為所有葉片原始光譜曲線圖，圖5為三類葉片的平均光譜曲線。

圖3 ENVI中葉片ROI提取

圖4樣本原始光譜曲線

可知三類葉片的平均光譜曲線整體走勢相似。病蟲害葉片在400~700nm波段反射率高于無癥狀葉片，在720~850nm波段反射率低于無癥狀葉片，分析原因是病蟲害導(dǎo)致葉片葉綠素和細(xì)胞結(jié)構(gòu)受損。由于斑潛蠅侵害葉片后會留下白色蟲道，所以斑潛蠅葉片在400~700nm波段反射率更高。

圖5三類葉片平均光譜曲線

02特征波長提取

高光譜圖像的光譜數(shù)據(jù)量大，存在冗余信息，會增加判別模型的計(jì)算量，降低模型的計(jì)算效率和精度，所以需要對光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行降維處理，提取其中和樣品類型相關(guān)性強(qiáng)的波長數(shù)據(jù)。

2.1基于VISSA的特征波長提取

VISSA基于模型集群分析的思想，利用加權(quán)二進(jìn)制采樣法構(gòu)造變量子空間，每一次迭代過程滿足變量空間逐漸收縮和變量空間逐漸優(yōu)化兩個準(zhǔn)則。設(shè)定VISSA的加權(quán)二進(jìn)制矩陣采樣數(shù)為5000,選擇子模型比率為0.05，交叉驗(yàn)證次數(shù)為5，最終選擇出53個特征波長，如圖6(a)所示，VISSA提取出的特征波長主要分布于450~700和725~850nm。

圖6(a)VISSA提取特征波長

2.2基于CARS的特征波長提取

根據(jù)PLS模型交叉驗(yàn)證均方根誤差大小選擇最優(yōu)特征變量組合。設(shè)定CARS的蒙特卡洛采樣次數(shù)為50，交叉驗(yàn)證次數(shù)為5，最終選擇出20個特征波長，如圖6(b)所示，CARS提取出的特征波長主要分布于450~500和530~580nm。

圖6(b)CARS提取特征波長

2.3基于IRIV的特征波長提取

IRIV將變量進(jìn)行多次隨機(jī)組合并建立PLS模型，觀察每個變量是否存在于模型中時交互驗(yàn)證預(yù)測誤差的變化，根據(jù)MPA的思想將變量分為強(qiáng)信息變量、信息變量、無信息變量和干擾變量，逐個分析每個變量后去除無信息變量和干擾變量，進(jìn)行多次迭代分析，直到剩下的變量均為強(qiáng)信息變量和弱信息變量，最終保留的變量即為所需的特征變量設(shè)定交叉驗(yàn)證次數(shù)為5，最終選擇出26個特征波長，如圖6(c)所示，IRIV提取出的特征波長主要分布于450~555nm。

圖6(c)IRIV提取特征波長

03總結(jié)

對 VISSA、CARS、IRIV、SFLA 所選的特征波長數(shù)據(jù)進(jìn)行 SVM、Elman 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、RF 建模，表1為所建模型測試集的識別結(jié)果。

表1 一次降維光譜數(shù)據(jù)建模結(jié)果

由于 VISSA、CARS、IRIV、SFLA 提取出的特征波長仍然較多，使用 SPA對數(shù)據(jù)進(jìn)行二次降維SPA是一種可以使矢量空間共線性最小化的前向變量選擇算法。

表2 二次降維光譜數(shù)據(jù)建模結(jié)果

由特征波長數(shù)據(jù)所建模型的識別效果如表3所示。

表3 特征波長光譜數(shù)據(jù)建模結(jié)果

使用 VISSA-SPA 和 IRIV-SPA 提取的特征波長建立的SVM 模型實(shí)現(xiàn)了對黃瓜霜霉病和斑潛蠅蟲害94%以上的識別率，說明通過 VISSA-SPA和IRIV-SPA方法提取特征波長具有良好的效果，但總體來看，模型對霜霉病葉片和斑潛蠅蟲害葉片的識別率要明顯低于無癥狀葉片，為了提高模型的魯棒性和準(zhǔn)確性，未來可以使用光譜特征結(jié)合病斑的形態(tài)特征等建立識別模型。在實(shí)際生產(chǎn)中，還可以結(jié)合黃瓜的發(fā)病時間、發(fā)病葉片的位置等進(jìn)行病蟲害種類的判斷，提高對病蟲害識別的準(zhǔn)確率。

推薦：

便攜式高光譜成像系統(tǒng)iSpecHyper-VS1000

專門用于公安刑偵、物證鑒定、醫(yī)學(xué)醫(yī)療、精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)、礦物地質(zhì)勘探等領(lǐng)域的最新產(chǎn)品，主要優(yōu)勢具有體積小、幀率高、高光譜分辨率高、高像質(zhì)等性價比特點(diǎn)采用了透射光柵內(nèi)推掃原理高光譜成像，系統(tǒng)集成高性能數(shù)據(jù)采集與分析處理系統(tǒng)，高速USB3.0接口傳輸，全靶面高成像質(zhì)量光學(xué)設(shè)計(jì)，物鏡接口為標(biāo)準(zhǔn)C-Mount，可根據(jù)用戶需求更換物鏡。

審核編輯 黃宇