基于显著和模糊检测的浅景深作物病害图像分割

大多数现有的基于图像的作物病害诊断方法往往对输入图像的质量具有很高的要求,例如要求背景简单、大景深等等。因此这些方法的预处理过程中需要去除复杂背景,然而这个预处理较难获得理想的结果。此外,当作物病斑面积较小时,会使得获取的图像景深较浅,也导致了这些方法难以抽取精确的病斑区域。为了解决上述问题,该文提出一种利用目标检测来分割病斑图像的方法。首先,该方法对抽取的结构特征和颜色特征进行整合并对特征空间进行量化,从而得到作物病害图像的显著区域。该方法不需要进行去除复杂背景的预处理过程即可得到病斑区域的图像;同时,为了处理浅景深的病害图像,引入了模糊检测方法用以进一步过滤背景和模糊区域的图像。试验中利用多种黄瓜和水稻病害的图片,将该方法与阈值法、图切割法进行了对比,结果表明该方法在效率不明显降低时,其分割效果明显优于阈值法;在分割效果差异不大时,其运行效率明显高于图切割方法;同时,该方法能够对浅景深的作物病害图像的病斑区域进行有效的分割。     

基于显著和模糊检测的浅景深作物病害图像分割（英文）

大多数现有的基于图像的作物病害诊断方法往往对输入图像的质量具有很高的要求,例如要求背景简单、大景深等等。因此这些方法的预处理过程中需要去除复杂背景,然而这个预处理较难获得理想的结果。此外,当作物病斑面积较小时,会使得获取的图像景深较浅,也导致了这些方法难以抽取精确的病斑区域。为了解决上述问题,该文提出一种利用目标检测来分割病斑图像的方法。首先,该方法对抽取的结构特征和颜色特征进行整合并对特征空间进行量化,从而得到作物病害图像的显著区域。该方法不需要进行去除复杂背景的预处理过程即可得到病斑区域的图像;同时,为了处理浅景深的病害图像,引入了模糊检测方法用以进一步过滤背景和模糊区域的图像。试验中利用多种黄瓜和水稻病害的图片,将该方法与阈值法、图切割法进行了对比,结果表明该方法在效率不明显降低时,其分割效果明显优于阈值法;在分割效果差异不大时,其运行效率明显高于图切割方法;同时,该方法能够对浅景深的作物病害图像的病斑区域进行有效的分割。     

基于模糊C均值聚类的作物病害叶片图像分割方法研究

为提高作物病害图像的分割效果,根据作物病害图像的特点,提出了一种基于模糊C均值聚类算法(FCM)的作物病害图像自适应分割方法.该方法将像素的灰度与其邻域均值作为FCM的输入特征,变换FCM的隶属度函数使其包含图像的局部邻域特性;通过聚类有效性验证分析和试验确定模糊C均值聚类算法(FCM)的最优聚类数、模糊加权指数.运用该方法对棉花病害叶片图像进行分割.结果表明:该方法能较好将病斑部分和正常部分分割开,平均分割误差率小于5%,对作物病害图像的分割处理非常有效.     

基于局部判别映射算法的玉米病害识别方法

如何快速准确检测到作物病害信息是作物病害防治中的一个首要问题,根据作物叶片症状识别作物病害是作物病害检测的一个基本方法。由于病害叶片颜色、形状和纹理之间的差异很大,使得很多经典的模式识别方法不能有效地应用于作物病害识别中,为此提出了一种基于局部判别映射(local discriminant projects,LDP)的作物病害识别方法。首先,利用区域增长分割算法分割病害叶片中的病斑图像;然后,将病斑图像重组为一维向量,再由LDP对一维向量进行维数约简;最后,利用最近邻分类器识别作物病害类别。利用LDP算法将高维空间的一维向量样本点映射到低维子空间时,能够使得类内样本点更加紧凑,而类间样本点更加分离,从而得到最佳的低维分类特征。利用该方法在5种常见玉米病害叶片图像数据库上进行了病害识别试验,识别精度高达94.4%。与其他作物病害识别方法(如基于神经网络、主分量分析+概率神经网络和贝叶斯方法)和监督子空间学习算法(如算法局部判别嵌入和判别邻域嵌入)进行了比较。试验结果表明,该方法对作物病害叶片图像识别是有效可行的,为实现基于叶片图像处理技术的作物病害的田间实时在线检测奠定了基础。     

多尺度融合卷积神经网络的黄瓜病害叶片图像分割方法

黄瓜病害叶片中的病斑区域分割是病害检测与类型识别的关键步骤,分割效果将直接影响病害检测和识别的精度。针对传统方法对于黄瓜病害叶片图像分割精度低和泛化能力弱等问题,提出一种基于多尺度融合卷积神经网络（Multi-Scale Fusion Convolutional Neural Networks,MSF-CNNs）的黄瓜病害叶片分割方法。MSF-CNNs由编码网络（Encoder Networks,ENs）和解码网络（Decoder Networks,DNs）两部分组成,其中ENs为一个多尺度卷积神经网络组成,用于提取病害叶片图像的多尺度信息;DNs基于九点双线性插值算法,用于恢复输入图像的尺寸和分辨率。在MSF-CNNs模型训练的过程中,使用一种渐进微调的迁移学习方法加速模型的训练,提高模型的分割精度。在复杂背景下的作物病害叶片图像数据库上进行病害叶片图像分割试验,并与现有的分割方法全卷积网络（Fully Convolutional Networks,FCNs）、SegNet、U-Net、DenseNet进行比较。结果表明,该MSF-CNNs能够满足复杂环境下的黄瓜病害叶片图像分割需求,像素分类精度为92.38%、平均分割准确率为93.12%、平均交并比为91.36%、频率加权交并比为89.76%。与FCNs、SegNet、U-Net、DenseNet相比较,MSF-CNNs的平均分割精度分别提高了13.00%、10.74%、10.40%、10.08%和6.40%。使用渐进学习训练方式后,训练时间缩短了0.9 h。该方法为进一步的黄瓜病害检测和识别方法研究提供了参考。     

基于改进型模糊边缘检测的小麦病斑阈值分割算法

针对小麦病斑分割不准确、噪声大以及病斑边缘不清晰等问题,结合传统的作物病斑分割方法,提出一种基于改进的模糊边缘检测的图像阈值分割算法。图像预处理方面,在分析了传统模糊边缘检测缺点的同时对算法作了两个方面的改进,使用梯度倒数加权平均滤波方法去除小麦病斑噪声,然后对多层次模糊算法进行数值分层改进,增强病斑边缘信息;最后对传统的阈值分割方法进行了算法改进,采用一种改进的最大类间方差比阈值分割方法,在增强图像边缘的基础上进行阈值分割,改进阈值选取方法,在模糊增强后的小麦病斑图像上进行阈值分割提取出小麦病斑形状特征。对在大田环境下获取的小麦病害图像进行边缘增强和阈值分割试验,与传统固定阈值分割算法试验对比得出,基于改进的模糊边缘增强与阈值分割相结合的改进算法正确分割率达98.76%,相比传统固定阈值分割算法提高了8.35个百分点,漏检比增加了1.29个百分点,噪声比为1.86%,相比减少了8.36个百分点,在运算时间上减少了0.331 s,不仅突出病斑边缘信息,而且分割效率高、噪声小,可为图像分割方法的研究提供了可参考依据。     

基于MDMP-LSM算法的黄瓜叶片病斑分割方法

在复杂背景中有效分割作物病斑是解决作物病害识别的关键问题。针对这一问题,该文提出了一种全新的多域多相水平集方法。利用病斑在空间位置上处于叶片轮廓内的特点,构造出基于内部顺序的多相水平集模型。为了加强该模型对复杂背景下作物叶片病斑的分割能力,首次在该模型中引入多个空间域,构造出新的多域多相水平集模型,使内外水平集函数分别在不同空间域中进行演化。试验结果平均分割准确率为93.3%,较好地从复杂背景图片中提取出病斑,为病害诊断奠定了基础。     

基于颜色特征的绿色作物图像分割算法

绿色作物的识别是农业机械视觉系统的重要研究内容之一,该文采用RGB颜色系统,基于统计分析提出了一种绿色作物图像分割方法。从简单物体光照颜色模型方面,分析了RGB颜色空间中作物绿色“恒量”（Gvalue>Rvalue and Gvalue>Bvalue）的存在性,构建了作物图像分割相对错误率评估模型。并与传统颜色索引方法Excess Green (ExG)+auto-threshold进行了对比分析。试验结果表明,在正常光照条件下：1）采用的算法对田间不同作物-土壤组图像分割的相对错误率均有显著影响;其中,相对ExG+auto-threshold算法,采用RGB算法的结果图像中大多能保留油菜、大豆和甘蔗的形态学特征;2）采用的算法、光照变化以及算法与光照变化的交互作用均对室外美人蕉图像分割的相对错误率有显著影响;其中,相对ExG+auto-threshold算法,采用RGB算法的结果图像中大多能去除背景噪声。单因子方差分析进一步表明,光照变化对采用ExG+auto-threshold算法分割图像的阈值有显著影响。该文提出的RGB算法相对传统的ExG+auto-threshold绿色索引,对于早期生长的绿色作物是一种有效、简单的图像分割方法,对作物-土壤、光照变化不敏感。     

基于多路卷积神经网络的大田小麦赤霉病图像识别

为了准确地识别小麦病害,及时采取防治措施,减少农药施用的成本,同时减少农业生态环境的污染,该研究以灌浆期感染赤霉病的小麦麦穗图像为研究对象,根据病变区域与健康区域的颜色分布特点,设计了一种多路卷积神经网络用于小麦赤霉病图像的识别。首先利用深度语义分割网络U-Net对大田环境下的小麦图像进行分割,去除小麦叶片及其他无关背景的影响,从而分割出麦穗图像。然后设计结构较为简单的多路卷积神经网络分别提取麦穗图像R、G、B 3个通道的特征,通过特征融合获得具有高辨识性的麦穗图像语义特征。最后,为了增大赤霉病和健康麦穗图像特征之间的可区分性,同时减小赤霉病麦穗图像类内特征的差异,采用联合损失函数进一步改善网络的性能。该研究对采集的大田环境下的510幅灌浆期小麦群体图像进行分割,选取2 745幅完整单株麦穗图像利用所设计的多路卷积神经网络进行赤霉病识别试验,结果表明该研究所提算法对单株麦穗赤霉病识别精度达到100%,能够为小麦病害的智能识别提供帮助。     

耦合全局与局部特征的苹果叶部病害识别模型

为充分利用苹果叶部病害图像类间差异小且类内差异大的特点,该研究基于全局与局部特征的交互式耦合对特征提取方法进行了优化,设计出一种苹果叶部病害识别模型。首先,在全局特征提取分支设计了一个注意力融合模块,以融合通道和空间上的信息而增强卷积提取到的特征图,并由增强后的特征图生成全局特征以及注意力激活图;然后,在局部特征提取分支,利用注意力激活图的引导,设计了一个裁剪模块对原图像进行裁剪,以得到可能包含病害信息的图像块且嵌入生成局部特征;最后,通过设计多头交叉注意力特征耦合模块,实现全局特征和局部特征的双向交叉耦合。基于苹果病害图像数据集的试验结果表明,将全局与局部特征进行交互耦合能有效提升模型对苹果叶部病害图像的特征提取能力,其识别准确率可达到98.23%,且较之单纯的局部或全局特征提取分支,准确率分别提高了3.39与4.61个百分点,所提模型可用于实现自然场景下的苹果叶部病害自动识别。     

基于叶片图像和环境信息的黄瓜病害识别方法

作物病害严重影响着作物的产量和质量,病害类型识别是病害防治的前提。利用图像处理和统计分析,提出了一种基于病害叶片图像和环境信息的黄瓜病害类别识别方法。采集不同季节、温度和湿度等环境下的病害叶片图像,并记录病害的环境信息;利用属性约简法提取病害叶片的5个环境信息特征向量,对病害叶片图像进行一系列图像处理,提取病斑图像的颜色、形状、纹理等35个统计特征向量。将两者结合得到黄瓜病害的40个特征分量。再利用统计分析系统(statistical analysis system,SAS)的判别分析方法,选择10个分类能力强的特征分量,计算作物病害的聚类中心分类特征向量。最后,利用最大隶属度准则识别病害叶片的病斑类别。对黄瓜的霜霉病、褐斑病和炭疽病3种叶部病害的识别率高达90%以上。试验结果表明,该方法能够有效识别作物叶部病害类别,可为田间开放环境下实现作物病害的快速自动识别提供依据。     

基于融合多特征图切割的作物病害图像自动分割

为提高黄瓜叶部病害图像的分割性能,该文提出一种基于融合多特征图切割的病害图像自动分割方法。首先采用一种新的阈值化方法对原始病害图像的红色分量进行二值化处理;然后融合纹理、灰度、距离3个特征构建能量函数的边界项,描述像素间的相似性;再利用分割区域像素与区域边界像素的红色分量差值自动建立能量函数的区域项,反映像素归属于背景和目标的程度;最后运用最大流算法求解能量函数得到分割结果。将该方法应用于黄瓜3种病害(靶斑病、霜霉病和白粉病)叶部图像分割中,并与OTSU算法及半自动图切割算法的分割结果进行比较。试验结果表明,该方法的平均错分率为1.81%,低于其他2种算法,平均分割速度约为2.34 s并无大幅增加。该研究可为黄瓜病害的自动识别和诊断提供技术参考。     

基于叶片病斑特征的茄子褐纹病识别方法

目前对蔬菜病害的识别方法都有一定的局限性,难以满足现代农业要求。该文以计算机视觉技术为手段,结合图像处理与模式识别技术,重点分析了茄子病害叶片上褐纹病病斑的颜色、形状、纹理特征参数,提出了一种基于叶片病斑特征的茄子褐纹病识别方法。根据在HSI(hue-saturation-intensity)颜色空间中叶片上病斑色调不同的特点,利用H分量图像提取病斑,获取病斑图片,然后提取每个病斑区域的12个颜色参数、11个形状参数和8个纹理参数等共31个特征参数。再通过方差和主成分分析法选择20个分类能力强的特征参数组成分类特征向量,并随机选取35个非褐纹病病斑的特征向量与35个褐纹病病斑的特征向量组成的训练集,构建Fisher判别函数对测试集进行分类,试验结果表明,对茄子褐纹病的识别准确率达到90%,说明该识别方法可以对茄子叶部病害进行快速、准确识别,为田间开放环境下实现茄子病害实时检测提供了技术支撑。     

Effects of tillage method and fallow frequency on leaf spotting diseases of spring wheat in the semiarid Canadian prairies

Leaf spotting diseases of wheat (Triticum spp.) are widespread in western Canada. Because these diseases are residue-borne, they are expected to be affected by changes in the quality and quantity of crop residues. A field study was conducted to determine the effects of summerfallow and tillage practices on leaf spotting diseases of spring wheat (T. aestivum L.) in the semiarid area of the western Canadian prairies. Leaf spot severity was greater in wheat grown after fallow than in continuous wheat when these systems were managed using either cultivator- or zero-tillage methods. Disease severity in wheat after fallow was similar in all three tillage methods: cultivator-, reduced-, and zero-tillage. Pyrenophora tritici-repentis (Died.) Drechs. (tan spot) was the pathogen most commonly isolated from lesioned leaf tissue. Crop residues collected in the spring of 1995 and 1996 from cultivator- and zero-tillage treatments were examined for the presence and density of fungal infective structures. The density of mature and immature structures, especially of P. tritici-repentis, was greater in residues from two years previous than in those from the previous growing season. Most of the residues in the continuous wheat system were from the previous crop. The apparent lower amount of initial inoculum available in a continuous wheat system than in wheat grown after fallow would explain the higher leaf spotting severity in the latter system. In addition, lower levels of infective structures on residues were found in wheat after fallow in zero- rather than in cultivator-tillage. However, similar disease levels in cultivator- and zero-tillage treatments suggest that the more favourable microclimate for disease development in a zero-tillage system might have compensated for the lower amounts of residue-borne inoculum.     

基于无人机数码影像的冬小麦氮含量反演

准确、快速地获取关键生育期冬小麦氮素含量,对农业管理者进行田间氮素施肥有重要的决策作用。利用无人机(unmannedaerialvehicle,UAV)搭载数码相机,可以短时间内获取冬小麦长势信息,实现对冬小麦氮素含量动态监测。该研究利用2015年北京市小汤山冬小麦无人机数码影像,采用3种阈值分割方法,将田间植株作物与土壤背景分离。对比影像分割方法的时效性与准确性,最终确定可见光波段差异植被指数VDVI(visible-band difference vegetation index)提取植被信息。按照试验方案要求,在不同的氮肥与水分胁迫管理下,将冬小麦3次重复试验分成48个试验小区,依据小区边界提取小区的红、绿和蓝通道的平均DN(digitalnumber)值,选取25个植被指数,同时与各个试验小区冬小麦不同器官氮含量进行相关性分析,筛选数码影像变量。由于植被指数之间耦合度较高,因此采用主成分分析对原始数据进行成分提取,提取特征向量参与建模,最后利用多元线性回归分析建立氮素反演模型,通过决定系数(R2)、均方根误差(RMSE)和归一化的均方根误差(nRMSE)3个指标筛选出最佳模型,探究各器官氮素含量与数码变量的相关性。结果表明,实验室实测氮素含量与UAV数码影像氮素反演结果及基本一致。在反演模型构建精度方面,3种数据处理结果整体部分植被指数,反演效果叶氮植株氮茎氮。以冬小麦挑旗期为例,叶片氮含量整体信息提取验证模型的R2、RMSE和nRMSE分别为0.85、0.235和6.10%,比部分信息提取验证模型的R2高0.14,RMSE和nRMSE分别降低0.068和1.77个百分点;比植被指数信息提取验证模型的R2高0.43,RMSE和nRMSE分别降低0.141和3.67个百分点。研究表明,基于UAV数码影像利用多元线性回归构建冬小麦氮素含量反演模型,对试验小区整体提取作物信息的方式反演冬小麦叶氮含量效果最好,相比传统反演方法,模型稳定性更高,可为冬小麦田间水肥决策管理提供参考。     

数学形态学辅助下基于光谱指数的作物冠层组分分类

近地遥感常被用于获取作物冠层组分信息,但在提取叶片反射率时常受到土壤背景、穗和阴影效应的影响。为准确分类并提取作物冠层组分信息,该研究通过分析小麦冠层各组分（光照/阴影叶片、土壤、穗）的光谱及纹理差异,提出了一种光谱指数与数学形态学结合的作物冠层组分分类方法,探讨不同生育时期的最佳冠层组分分类方法,并定量分析不同组分的归一化光谱指数与小麦叶片氮含量的关系。结果表明：光谱指数法能较好地区分小麦抽穗前的不同冠层组分,而抽穗期的分类效果易受麦穗影响;光谱指数与数学形态学结合的分类方法能较好地消除麦穗对光照/阴影叶片提取的干扰（总体分类精度为97.80%,Kappa系数为0.97,运行时间3.87 min）,该方法的分类精度及运行效率均优于传统分类方法（迭代自组织数据分析算法（Iterative Selforganizing Data Analysis Techniques Algorithm, ISODATA）和最大似然估计（Maximum Likelihood Estimation, MLE））;而且,基于光照和阴影叶片的归一化光谱指数对叶片氮含量最敏感。研究结果可为其他作物冠层组分分类和精准农业中农学参数的定量反演提供技术参考。