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。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1O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，而近年来光谱由液晶可调谐滤波器(liquidcrystaltunablefilter,LCTF)成

5、像技术在农业中的应用越来越多36,因此提出一种安全的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

6、段选择(adaptivebandselection,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：lndexi=ti(Ri-1,i+Ri,i+l)/2(l)其中，Indexi是第i幅图像的指数大小。(Ti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+l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。式中的标准差Ti可以表示为:Ti=lMXMEMx=lENy=lfi(x,y)ui212(2)其中,M、N分别是图像的行、列像素,fi是第i幅图像，ui是第i幅图像的像素平均值。式(1)中的相关系数

7、Ri,j可以表示为:Ri,表示(fi-ui)(fj-uj)E(fiUi)2•Efjuj)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CCC相机11：和计算机控制软件组成的光谱仪,其采集波段为430720n叫每间隔5nm进行一次扫描。使用0mnic8.0、MATLAB"牛进行数据处理。1.3 实验样

8、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本，其中，健康甘蓝生长时间为40d,外叶6-10片，其叶长约17cm,宽约24cm,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21.4Co2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450nm.550nm和650nm存在两个吸收谷和一个反射峰。图1为甘蓝叶片在430720nm范围内的反射比曲线。从图1健康甘蓝叶片的反射

9、比曲线Fig.IReflectancecurveofhealthycabbageleaves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450nm处的相关系数相对于545nm650nm、655nm处的相关系数较小，而在波段715nm的时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

10、同波段的部分相关系数Tab.IPartialcorrelationcoefficientsofnormalcabbageleavesatdifferentwavelengthsnm相关系数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波长/715-0.08-0.19-0.26-0.25-0.13-0.24图2甘蓝健康叶片的Index指数杆状图Fig.2Indexpol

11、ediagramofhealthycabbageleaves在得出不同波段的相关系数后，利用式（l）s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645nm>650nm、655nm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645nm>650nm、655nm作为甘蓝叶片的特征波段。又根据植物光谱特征，在波段550nm处存在一个反射峰，植物叶片在该波段附近信息相对较丰富，且从图2中看到545nm处的Index指数与附近其他波段相比较大,所以也可以选择545nm作为甘蓝叶片的特征

12、波段。综上所述,545nm、645nm、650nm、655nm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.3Reflectancecurveofcabbageleavesdamagedbypests图4甘蓝虫害叶片Index指数图Fig.4Indexpolediagramofcabbageleavesdamagedbypests2.2甘蓝虫害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Macbeths24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

13、nm处有一个吸收谷,在550nm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650nm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，利用自适应波段选择方法的式（1）式计算出虫害叶片的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550nm555nm575nm585nm715nm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550nm、555nm>5

14、75nm>585nm、715nm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.2Euclideandistancebetweenfeaturebandsandhealthywithpests

15、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550nm>555nm>575nm>585nm>715nm中虫害叶片波段相对于健康叶片波段距离较小，而545nm、645nm.650nm、655nm中虫害叶片波段相对于健康波段距离较大,故550nm、555nm>575nm、585nm、715nm作为虫害叶片的特征波段是合理的。同理，也可以得出545nm.64