用LCTF光谱技术提取甘蓝小菜蛾虫害叶片特征波段

1、用LCTF光谱技术提取甘蓝小菜蛾虫害叶片特征波段基金项目： 国家自然科学基金资助项目 (60968001 、 61168003); 云南省自然科学基金项目 (2009CD047、 2011FZ079); 云南省大学生创新创业训练计划项目 (201210681005 、 201310681004)通讯作者： 冯洁(1975), 女,副教授, 博士,主要从事光谱成 像技术和颜色科学与技术方面的研究。Extract feature bands of cabbage leaves damaged by diamondback moth pests using LCTF spectroscopy tec

2、hnologyLIN Libo, LI Hongning, CAO Pengfei, FENG Jie： Using liquid crystal tunable filter (LCTF) and monochrome CCDcamera composed of spectral imaging system analyzed normal cabbage leaves and cabbage leaves damaged by diamondback moth pests spectral feature to acquire the gray value information of l

3、eaves from 430 nm to 720 nm at intervals of 5 nm, and it has extracted the feature bands of two kinds of leaves by the way of adaptive band selection method, these feature bands are to make cluster analysis using Euclidean distance. The result showed that normal cabbage leaves at 545 nm, 645 nm, 650

4、 nm, 655 nm are with a large of spectrum information, and pest leaves at 550 nm, 555 nm, 575 nm, 585 nm, 715 nm have great amount of information. Therefore, it can be concluded that using LCTF can quickly monitor plant subjected to pest damage, which provides a new method to detect pest in agricultu

5、re.引言甘蓝是我国有着大面积种植的蔬菜 , 但是病虫害却影响 着甘蓝的产量和质量 , 其中尤以虫害最为严重。小菜蛾是危害甘 蓝生长的主要害虫之一 , 全球每年用于防止小菜蛾的的费用及其 损失达 10亿美元 1。目前对甘蓝小菜蛾的防治主要依靠化学 方法,但这样容易产生农药的残留超标 2情况, 而近年来光谱 成像技术在农业中的应用越来越多 36, 因此提出一种安全的 由液晶可调谐滤波器 (liquid crystal tunable filter,LCTF) 7组成光谱成像系统对农作物植株进行虫害检测, 以达到预防甘蓝虫害扩大的目的。LCTF具有较高的空间分辨率和光谱分辨 率8, 同时具有波长选

6、择灵活、调谐时间短、体积小等特点,可方便实现多光谱图像的采集工作9。但是由于LCTF的波段 通道较多 ,使得数据的冗余量大 , 后期的数据处理工作比较麻烦 , 相对的准确性就会降低。本文提出了基于LCTF光谱成像系统的自适应波段选择方法 , 对甘蓝健康和虫害的叶片分别进行特征波 段提取 , 通过提取的特征波段来对甘蓝小菜蛾虫害进行检测。这 种方法缩小了数据处理量 ,是一种安全有效的方法。 1 实验部分1.1 实验最佳波段选择方法本文采用自适应波段选择(adaptive band selection,ABS) 10的方法来提取甘蓝的特征波段 , 在该算法的数学模型中 Indexi 指数表示为:I

7、ndexi=彷 i(Ri - 1,i+Ri,i+1)/2(1) 其中，Indexi 是第 i 幅图 像的指数大小。(T i为第i个波段的标准差，Ri - 1,i是第i个波 段与前一个波段的相关系数 ,Ri,i+1 是第 i 个波段与后一个波段 的相关系数 , 相关系数越小 , 两个波段数据之间的独立性越高。 式 (1)中的标准差 (T i 可以表示为:(T i=1MX NEMx=1ENy=1fi(x,y) -卩i212(2)其中,M、N分别是图像的行、列像素,fi是第i幅图 像，卩i是第i幅图像的像素平均值。式(1)中的相关系数Ri,j 可以表示为：Ri,j=E(fi 卩 i)(fj 卩 j)

8、E(fi -卩i)2E(fj-卩j)2(3) 其中E为数学期望。ABS方法获得的指数充分考虑了每幅图像的信息量与相邻波段的相似性,Index越大,相应图像的信息量就越大,越具有代表性。 光学仪器第 36 卷第3期林立波，等：用LCTF光谱技术提取甘蓝小菜蛾虫害 叶片特征波段1.2 实验仪器本实验中使用美国 CRi 公司生产的 VariSpecTM 液晶可调滤波器与单色CCD相机11和计算机控制软件组成的 光谱仪，其采集波段为430720 nm,每间隔5 nm进行一次扫描。 使用Omnic8.0、MATLAB件进行数据处理。1.3 实验样本使用云南农业科学院培育的“京丰一号”系列 甘蓝作为实验样

9、本 ,其中,健康甘蓝生长时间为 40 d, 外叶 610 片,其叶长约17 cm,宽约24 cm,背面灰绿,叶色深绿,生长状况良 好。侵害甘蓝叶片的小菜蛾处于幼年期 , 甘蓝叶片正常舒展 , 具有 少量孔洞 , 故甘蓝处于虫害初期阶段。采集环境为温室大棚内 , 光照充足且均匀，平均温度为21.4 Co 2实验结果及分析2.1 甘蓝正常叶片的特征波段植物的光谱特征主要是由 叶片中的叶绿素对光线的吸收和反射形成的 , 在可见光范围内 , 植物叶片的光谱曲线在 450 nm、550 nm和650 nm存在两个吸收 谷和一个反射峰。图1为甘蓝叶片在430720 nm范围内的反射 比曲线。从图1健康甘蓝

10、叶片的反射比曲线Fig.1Reflectance curve of healthycabbage leaves 图中可以得出所采集的光谱数据符合一般绿色植物的曲线走势图，故实验数据满足实验分析要求。根据自 适应波段选择方法求出从实验中获取的不同叶片灰度值的标准 差和不同波段之间的光谱相关系数12, 波段相关系数是指各波段之间的关联程度 , 故求出各波段之间的相关系数可以看到各 波段之间的相关性程度。表1中选出了在不同波段区间中具有代 表性的波段的部分相关系数。从表中看出,在波段450 nm处的相关系数相对于545 nm 650 nm、655 nm处的相关系数较小,而在 波段 715 nm 的时

11、候与其他波段的相关系数达到了负值。表 1 甘蓝正常叶片不同波段的部分相关系数Tab.1Partial correlation coefficients of normalcabbage leaves at different wavelengths波长/nm相关系数 650 nm655 nm660 nm665 nm670 nm675 nm4500.470.510.460.450.470.475450.650.920.920.890.760.9 06501.000.840.770.840.980.836550.841.000.991.000.931.00 715-0.08-0.19-0.26-0

12、.25-0.13-0.24图 2 甘蓝健康叶片的 Index 指数杆状图Fig.2Index pole diagram ofhealthy cabbage leaves在得出不同波段的相关系数后，利用式(1)式计算出甘 蓝叶片不同波段的 Index 值, 得到如图 2 所示的 Index 指数杆状 图。从图2可以看出甘蓝叶片在 645 nm、650 nm、655 nm附近 波段 Index 指数较大 , 根据自适应波段选择方法 , 指数越大的波 段所含得光谱信息量越大，故选择645 nm、650 nm、655 nm作为 甘蓝叶片的特征波段。又根据植物光谱特征，在波段550 nm处存 在一个反射

13、峰 , 植物叶片在该波段附近信息相对较丰富 , 且从图 2 中看到545 nm处的Index指数与附近其他波段相比较大,所以也 可以选择545 nm作为甘蓝叶片的特征波段。综上所述，545 nm、645 nm、 650 nm、 655 nm 是可以获得甘蓝健康叶片的最优特征 波段。图 3 甘蓝虫害叶片的反射比曲线图Fig.3Reflectance curve of cabbageleaves damaged by pests 图 4 甘蓝虫害叶片 Index 指数图Fig.4Index pole diagram of cabbageleaves damaged by pests2.2 甘蓝虫害

14、叶片的特征波段对甘蓝虫害叶片样本采集多条灰度值曲线,进行拼接校准后 , 取其平均值 , 再利用放入样本中的 Macbeths 24 色卡白色色块的灰度 值,得到虫害叶片的光谱反射比曲线。图3 为甘蓝虫害叶片的反射比曲线图 , 从图中看出 , 在 450 nm 处有一个吸收谷 , 在 550 nm 处有一个反射峰 , 通过此两处的反射比特征可以得出 , 该甘蓝叶 片具有一般植物的反射比特征，而在650 nm处反射比曲线趋于平 滑, 说明了甘蓝虫害叶片处于虫害初期。同健康甘蓝叶片一样 , 通过由LCTF组成的多光谱系统对甘蓝虫害叶片采集数据，使用 MATLAB件计算出各个波段的标准差和相关系数，利

15、用自适应波 段选择方法的式(1)式(3)计算出虫害叶片的Index指数,绘制 出虫害叶片的 Index 指数杆状图如图 4 所示。从图 4 中可以明显 得出在 550 nm 555 nm 575 nm 585 nm 715 nm波段处的 Index 指数较大 , 故在上述波段中所含的光谱信息量较为丰富 , 故选择 550 nm、555 nm、575 nm、585 nm、715 nm 波段作为本实验中 甘蓝虫害叶片的整体最优特征波段。2.3聚类分析为了验证该 LCTF多光谱系统对甘蓝健康与虫 害识别的有效性 , 必须对所提取的特征波段进行准确性验证。故 采用欧氏距离法对多光谱灰度值数据进行分类识

16、别 , 把甘蓝健康 叶片与虫害叶片的多光谱波段灰度值数据作为样本集 , 提取出的 特征波段的数据作为训练集 , 计算出训练集波段与样本集波段的绝对距离 , 如果绝对距离越小则其可归为健康或者虫害的一类 其结果如表 2 所示。表 2 特征值波段与健康和虫害波段间的欧氏距离Tab.2Euclidean distance between feature bands andhealthy with pests bands波长/nm550555575585715545645650655虫害叶片欧氏距离01.629.648.495.9014.190.4914.521.63 健康叶片欧氏距离16.0810.1514.4913.0015.316.48011.690从表 2 中可以看出波段 550 nm、 555 nm、575 nm、585 nm、715 nm中虫害叶片波段相对于健康叶片波段距离较小，而545nm、645 nm、650 nm、655 nm 中虫害叶片波段相对于健康波段 距离较大 , 故 550 nm、555 nm、575 nm、 585 nm、715 nm 作为虫 害叶片的特征波段是合理的。同理 , 也可以得出