用LCTF光譜技術(shù)提取甘藍(lán)小菜蛾蟲害葉片特征波段

1、用LCTF光譜技術(shù)提取甘藍(lán)小菜蛾蟲害葉片特征波段基金項目：國家自然科學(xué)基金資助項目(60968001、61168003);云南省自然科學(xué)基金項目(2009CD047、2011FZ079);云南省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目(201210681005.201310681004)通訊作者：馮潔(1975),女，副教授，博士，主要從事光譜成像技術(shù)和顏色科學(xué)與技術(shù)方面的研究。ExtractfeaturebandsofcabbageleavesdamagedbydiamondbackmothpestsusingLCTFspectroscopytechnologyLINLibo,LIHongning,CAO

2、Pengfei,FENGJie：Usingliquidcrystaltunablefilter(LCTF)andmonochromeCCDcameracomposedofspectralimagingsystemanalyzednormalcabbageleavesandcabbageleavesdamagedbydiamondbackmothpestsspectralfeaturetoacquirethegrayvalueinformationofleavesfrom430nmto720nmatintervalsof5nm,andithasextractedthefeaturebandsof

3、twokindsofleavesbythewayofadaptivebandselectionmethod,thesefeaturebandsaretomakeclusteranalysisusingEuclideandistance.Theresultshowedthatnormalcabbageleavesat545nm,645nm,650nm,655nmarewithalargeofspectruminformation,andpestleavesat550nm,555nm,575nm,585nm,715nmhavegreatamountofinformation.Therefore,i

4、tcanbeconcludedthatusingLCTFcanquicklymonitorplantsubjectedtopestdamage,whichprovidesanewmethodtodetectpestinagriculture.引言甘藍(lán)是我國有著大面積種植的蔬菜，但是病蟲害卻影響著甘藍(lán)的產(chǎn)量和質(zhì)量，其中尤以蟲害最為嚴(yán)重。小菜蛾是危害甘藍(lán)生長的主要害蟲之一，全球每年用于防止小菜蛾的的費(fèi)用及其損失達(dá)10億美元1O目前對甘藍(lán)小菜蛾的防治主要依靠化學(xué)方法，但這樣容易產(chǎn)生農(nóng)藥的殘留超標(biāo)2情況，而近年來光譜由液晶可調(diào)諧濾波器(liquidcrystaltunablefilter,LCTF)成

5、像技術(shù)在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用越來越多36,因此提出一種安全的7組成光譜成像系統(tǒng)對農(nóng)作物植株進(jìn)行蟲害檢測，以達(dá)到預(yù)防甘藍(lán)蟲害擴(kuò)大的目的。LCTF具有較高的空間分辨率和光譜分辨率8,同時具有波長選擇靈活、調(diào)諧時間短、體積小等特點可方便實現(xiàn)多光譜圖像的采集工作9。但是由于LCTF的波段通道較多，使得數(shù)據(jù)的冗余量大，后期的數(shù)據(jù)處理工作比較麻煩，相對的準(zhǔn)確性就會降低。本文提出了基于LCTF光譜成像系統(tǒng)的自適應(yīng)波段選擇方法，對甘藍(lán)健康和蟲害的葉片分別進(jìn)行特征波段提取，通過提取的特征波段來對甘藍(lán)小菜蛾蟲害進(jìn)行檢測。這種方法縮小了數(shù)據(jù)處理量，是一種安全有效的方法。1實驗部分1.1 實驗最佳波段選擇方法本文采用自適應(yīng)波

6、段選擇(adaptivebandselection,ABS)10的方法來提取甘藍(lán)的特征波段，在該算法的數(shù)學(xué)模型中Indexi指數(shù)表示為：lndexi=ti(Ri-1,i+Ri,i+l)/2(l)其中，Indexi是第i幅圖像的指數(shù)大小。(Ti為第i個波段的標(biāo)準(zhǔn)差，Ri-1,i是第i個波段與前一個波段的相關(guān)系數(shù)，Ri,i+l是第i個波段與后一個波段的相關(guān)系數(shù)，相關(guān)系數(shù)越小，兩個波段數(shù)據(jù)之間的獨(dú)立性越高。式中的標(biāo)準(zhǔn)差Ti可以表示為:Ti=lMXMEMx=lENy=lfi(x,y)ui212(2)其中,M、N分別是圖像的行、列像素,fi是第i幅圖像，ui是第i幅圖像的像素平均值。式(1)中的相關(guān)系數(shù)

7、Ri,j可以表示為:Ri,表示(fi-ui)(fj-uj)E(fiUi)2•Efjuj)2(3)其中E為數(shù)學(xué)期望。ABS方法獲得的指數(shù)充分考慮了每幅圖像的信息量與相鄰波段的相似性，Index越大，相應(yīng)圖像的信息量就越大，越具有代表性。光學(xué)儀器第36卷第3期林立波，等：用LCTF光譜技術(shù)提取甘藍(lán)小菜蛾蟲害葉片特征波段1.2 實驗儀器本實驗中使用美國CRi公司生產(chǎn)的VariSpecTM液晶可調(diào)濾波器與單色CCC相機(jī)11：和計算機(jī)控制軟件組成的光譜儀,其采集波段為430720n叫每間隔5nm進(jìn)行一次掃描。使用0mnic8.0、MATLAB"牛進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。1.3 實驗樣

8、本使用云南農(nóng)業(yè)科學(xué)院培育的“京豐一號”系列甘藍(lán)作為實驗樣本，其中，健康甘藍(lán)生長時間為40d,外葉6-10片，其葉長約17cm,寬約24cm,背面灰綠，葉色深綠,生長狀況良好。侵害甘藍(lán)葉片的小菜蛾處于幼年期，甘藍(lán)葉片正常舒展，具有少量孔洞，故甘藍(lán)處于蟲害初期階段。采集環(huán)境為溫室大棚內(nèi)光照充足且均勻，平均溫度為21.4Co2實驗結(jié)果及分析2.1甘藍(lán)正常葉片的特征波段植物的光譜特征主要是由葉片中的葉綠素對光線的吸收和反射形成的，在可見光范圍內(nèi)，植物葉片的光譜曲線在450nm.550nm和650nm存在兩個吸收谷和一個反射峰。圖1為甘藍(lán)葉片在430720nm范圍內(nèi)的反射比曲線。從圖1健康甘藍(lán)葉片的反射

9、比曲線Fig.IReflectancecurveofhealthycabbageleaves圖中可以得出所采集的光譜數(shù)據(jù)符合一般綠色植物的曲線走勢圖，故實驗數(shù)據(jù)滿足實驗分析要求。根據(jù)自適應(yīng)波段選擇方法求出從實驗中獲取的不同葉片灰度值的標(biāo)準(zhǔn)差和不同波段之間的光譜相關(guān)系數(shù)12,波段相關(guān)系數(shù)是指各波段之間的關(guān)聯(lián)程度，故求出各波段之間的相關(guān)系數(shù)可以看到各波段之間的相關(guān)性程度。表1中選出了在不同波段區(qū)間中具有代表性的波段的部分相關(guān)系數(shù)。從表中看出，在波段450nm處的相關(guān)系數(shù)相對于545nm650nm、655nm處的相關(guān)系數(shù)較小，而在波段715nm的時候與其他波段的相關(guān)系數(shù)達(dá)到了負(fù)值。表1甘藍(lán)正常葉片不

10、同波段的部分相關(guān)系數(shù)Tab.IPartialcorrelationcoefficientsofnormalcabbageleavesatdifferentwavelengthsnm相關(guān)系數(shù)650nm655nm660nm665nm670nm675nm4500.470.510.460.450.470.475450.650.920.920.890.760.906501.000.840.770.840.980.836550.841.000.991.000.931.00波長/715-0.08-0.19-0.26-0.25-0.13-0.24圖2甘藍(lán)健康葉片的Index指數(shù)桿狀圖Fig.2Indexpol

11、ediagramofhealthycabbageleaves在得出不同波段的相關(guān)系數(shù)后，利用式（l）s式計算出甘藍(lán)葉片不同波段的Index值，得到如圖2所示的Index指數(shù)桿狀圖。從圖2可以看出甘藍(lán)葉片在645nm>650nm、655nm附近波段Index指數(shù)較大，根據(jù)自適應(yīng)波段選擇方法，指數(shù)越大的波段所含得光譜信息量越大，故選擇645nm>650nm、655nm作為甘藍(lán)葉片的特征波段。又根據(jù)植物光譜特征，在波段550nm處存在一個反射峰，植物葉片在該波段附近信息相對較豐富，且從圖2中看到545nm處的Index指數(shù)與附近其他波段相比較大,所以也可以選擇545nm作為甘藍(lán)葉片的特征

12、波段。綜上所述,545nm、645nm、650nm、655nm是可以獲得甘藍(lán)健康葉片的最優(yōu)特征波段。圖3甘藍(lán)蟲害葉片的反射比曲線圖Fig.3Reflectancecurveofcabbageleavesdamagedbypests圖4甘藍(lán)蟲害葉片Index指數(shù)圖Fig.4Indexpolediagramofcabbageleavesdamagedbypests2.2甘藍(lán)蟲害葉片的特征波段對甘藍(lán)蟲害葉片樣本采集多條灰度值曲線，進(jìn)行拼接校準(zhǔn)后，取其平均值，再利用放入樣本中的Macbeths24色卡白色色塊的灰度值，得到蟲害葉片的光譜反射比曲線。圖3為甘藍(lán)蟲害葉片的反射比曲線圖,從圖中看出,在450

13、nm處有一個吸收谷,在550nm處有一個反射峰，通過此兩處的反射比特征可以得出，該甘藍(lán)葉片具有一般植物的反射比特征，而在650nm處反射比曲線趨于平滑，說明了甘藍(lán)蟲害葉片處于蟲害初期。同健康甘藍(lán)葉片一樣通過由LCTF組成的多光譜系統(tǒng)對甘藍(lán)蟲害葉片采集數(shù)據(jù)，使用MATLAB件計算出各個波段的標(biāo)準(zhǔn)差和相關(guān)系數(shù)，利用自適應(yīng)波段選擇方法的式（1）式計算出蟲害葉片的Index指數(shù)，繪制出蟲害葉片的Index指數(shù)桿狀圖如圖4所示。從圖4中可以明顯得出在550nm555nm575nm585nm715nm波段處的Index指數(shù)較大，故在上述波段中所含的光譜信息量較為豐富，故選擇550nm、555nm>5

14、75nm>585nm、715nm波段作為本實驗中甘藍(lán)蟲害葉片的整體最優(yōu)特征波段。2.3聚類分析為了驗證該LCTF多光譜系統(tǒng)對甘藍(lán)健康與蟲害識別的有效性，必須對所提取的特征波段進(jìn)行準(zhǔn)確性驗證。故采用歐氏距離法對多光譜灰度值數(shù)據(jù)進(jìn)行分類識別，把甘藍(lán)健康葉片與蟲害葉片的多光譜波段灰度值數(shù)據(jù)作為樣本集，提取出的特征波段的數(shù)據(jù)作為訓(xùn)練集，計算出訓(xùn)練集波段與樣本集波段的絕對距離，如果絕對距離越小則其可歸為健康或者蟲害的一類其結(jié)果如表2所示。表2特征值波段與健康和蟲害波段間的歐氏距離Tab.2Euclideandistancebetweenfeaturebandsandhealthywithpests

15、bands波長/nm550555575585715545645650655蟲害葉片歐氏距離01.629.648.495.9014.190.4914.521.63健康葉片歐氏距離16.0810.1514.4913.0015.316.48011.690從表2中可以看出波段550nm>555nm>575nm>585nm>715nm中蟲害葉片波段相對于健康葉片波段距離較小，而545nm、645nm.650nm、655nm中蟲害葉片波段相對于健康波段距離較大,故550nm、555nm>575nm、585nm、715nm作為蟲害葉片的特征波段是合理的。同理，也可以得出545nm.64