近红外高光谱成像技术检测粮仓米象活虫

为了准确地统计出仓储害虫的密度,需对储粮活虫和死虫进行有效地判别。该文研究开发一个900～1?700?nm的近红外高光谱成像系统来检测仓储小麦活虫。用液氮低温猝死法杀死米象,在其死亡后0～7?d进行高光谱图像采集。随着粮虫死亡时间的延长,粮虫相对光谱反射率逐渐增大,到死后第5天时粮虫的光谱曲线基本趋于稳定。应用相邻波长指数法对1?320～1?680?nm之间的110个波长的高光谱图像进行分析,提取出最优波长为1?417.2?nm。提出双区域连通阈值面积比的区域生长法粮虫活虫判别方法,即当粮虫的双区域连通阈值面积比大于0.5时,应判别为活虫。结果表明,自粮虫死亡后的第2.0天开始,储粮活虫与死虫的训练样本和检验样本全部被正确识别,为实现储粮活虫的计算机视觉实时检测与分类提供依据。     

Non-destructive estimation of winter wheat leaf moisture content using near-ground hyperspectral imaging technology

ABSTRACT

Accurate monitoring of crop moisture content is very important for irrigation scheduling and yield increase. This study aims to construct an optimal estimation model of winter wheat leaf moisture content (LMC) through spectral data processing and feature band selection. LMC and spectral reflectance were measured in 2017-2018 to construct models using simple linear regression (SLR), principal components regression (PCR), and partial least square regression (PLSR); feature bands for modelling were selected through correlation analysis and the effects of feature band number on estimation accuracy were compared. The results showed that data transformation significantly enhanced the correlation between spectral features and LMC. However, the band position corresponding to the maximum correlation coefficient for each transformation was not fixed. The accuracy of PLSR models were significantly higher than that of PCR and SLR models. The comparison of relative percent deviation (RPD) values indicated that the RPD values increased rapidly and then tended to be stable with the increase of feature band number. The R′′ -PLSR model constructed with 28 feature bands (R²_c = 0.8517; RPD > 2.0) estimated the LMC more accurately than other models. This study provides a good method for non-destructive monitoring of crop moisture content.     

基于近红外高光谱成像技术鉴别杂交稻品系

种子的筛选和鉴别是农业育种过程中的关键环节。该文基于近红外高光谱成像技术(874~1 734 nm)结合化学计量学方法以及图像处理技术实现杂交稻种的品系鉴别及可视化预测。采集了3类不同品系共2 700粒杂交水稻的高光谱图像,用SPXY算法,按照2∶1的比例划分建模集和预测集。基于水稻样本的光谱特征,采用主成分分析(PCA)方法初步探究3类样本的可分性。采用连续投影算法(SPA),提取出7个特征波长:985.08、1 106、1 203.55、1 399.04、1 463.19、1 601.81、1 645.82 nm。基于特征波长和全波段光谱,建立了偏最小二乘判别分析(PLS-DA)和支持向量机(SVM)模型。试验结果表明,所建模型判别效果较好,识别正确率均达到了90%以上,其中,SVM模型的判别效果优于PLS-DA模型,基于全谱的判别分析模型结果优于基于特征波长的判别模型。结合SPA-SVM校正模型和图像处理技术,生成样本预测伪彩图,可以直观的鉴别不同品系的水稻种子。结果表明,近红外高光谱成像技术可以实现杂交稻的品系识别及可视化预测,为农业育种过程中种子的快速筛选及鉴定提供了新思路。     

基于无人机数码影像和高光谱数据的冬小麦产量估算对比

作物产量准确估算在农业生产中具有重要意义。该文利用无人机获取冬小麦挑旗期、开花期和灌浆期数码影像和高光谱数据,并实测产量。首先利用无人机数码影像和高光谱数据分别提取数码影像指数和光谱参数,然后将数码影像指数和光谱参数与冬小麦产量作相关性分析,挑选出相关性较好的9个指数和参数,最后以选取的数码影像指数和光谱参数为建模因子,通过MLR(multiple linear regression,MLR)和RF(random forest,RF)对产量进行估算。结果表明:数码影像指数和光谱参数与实测产量均有很强的相关性。利用数码影像指数和光谱参数通过MLR和RF构建的产量估算模型均在灌浆期表现精度最高,在灌浆期,数码影像指数和光谱参数构建的MLR模型R~2和NRMSE分别为0.71、12.79%,0.77、10.32%。对模型对比分析可知,以光谱参数为因子的MLR模型精度较高,更适合用于估算冬小麦产量。利用无人机遥感数据,通过光谱参数建立的MLR模型能够快速、方便地对作物进行产量预测,并可以根据不同生育期的产量估算模型有效地对作物进行监测。     

融合高光谱图像技术与MS-3DCNN的小麦种子品种识别模型

小麦品种的纯度和小麦产量密切相关,为了实现小麦种子品种的快速识别,该研究利用高光谱图像技术结合多尺度三维卷积神经网络（Multi-Scale 3D Convolutional Neural Network,MS-3DCNN）提出了一种小麦种子的品种识别模型。首先,利用连续投影算法（Successive Projections Algorithm,SPA）对原始高光谱图像进行波段选择,以减少MS-3DCNN模型的输入图像通道数量,降低网络训练参数规模;其次,利用多尺度三维卷积模块提取特征图的图像特征和不同特征图之间的耦合特征;最后,以6个品种小麦共6 000粒种子的高光谱图像（400～1 000 nm）为研究对象,基于SPA算法选择了22个波段高光谱数据,利用MS-3DCNN、支持向量机（Support Vector Machine,SVM）分别构建了识别模型。试验结果表明,MS-3DCNN模型取得了96.72%的测试集识别准确率,相较于光谱特征SVM识别模型和融合特征SVM识别模型分别提高了15.38%和9.50%。进一步比较了MS-3DCNN与基于二维卷积核、三维卷积核、多尺度二维卷积核构建的多个识别模型性能,结果表明多尺度三维卷积核能提取多种尺度的信息,其识别模型的准确率提高了1.34%～2.70%,可为小麦种子高光谱图像品种识别提供一种可行的技术途径。     

基于高光谱图像光谱与纹理信息的生菜氮素含量检测

高光谱图像包含丰富的光谱与图像信息,该文基于此试图构建生菜氮素检测模型。利用高光谱图像采集系统获取可见-近红外(390~1 050 nm)范围内的生菜叶片高光谱图像,同时利用凯氏定氮法获取对应叶片的氮素值。将光谱反射值较大波长图像与反射值较小波长图像相除并用阈值化法构建掩膜图像,获取感兴趣区域(ROI,region of interest)。由于高光谱数据量大、且数据间冗余性强,因此如何有效的提取一些特征波长十分重要。该文采用主成分分析(PCA,principal component analysis)对原始高光谱图像进行处理,根据前3个主成分图像(PC1、PC2、PC3)在全波长下的权重系数分布图选出662.9、711.7、735.0、934.6 nm 4个特征波长及对应的光谱特征,并且分别提取4个特征波长图像、主成分图像PC1、PC2、PC3在ROI下的基于灰度共生矩阵的纹理特征,最后利用支持向量机回归(SVR,support vector machine regression)分别建立生菜叶片基于特征波长光谱特征、特征波长图像与主成分图像的纹理特征及光谱纹理融合特征与对应氮素值之间的关系模型。结果表明,在校正性能指标决定系数R2C上,基于光谱特征+特征波长图像纹理特征的模型较好,R2C=0.996,校正集均方根误差RMSEC为0.034;在预测性能指标决定系数R2P上,基于光谱特征的模型较好,R2P=0.86,预测集均方根误差RMSEP为0.22。该研究结果可为农作物氮素的快速、无损检测提供一定的参考价值。     

基于高光谱成像技术检测脐橙溃疡

为了研究从带有不同缺陷的柑橘类水果中快速识别出溃疡果的有效方法,基于高光谱成像技术,该文提出特征波段主成分分析法及波段比算法。以脐橙为研究对象,选取包括溃疡在内常见的10类脐橙果皮缺陷果及正常果。首先,提取并分析11类果皮感兴趣区域（ROI）光谱曲线并结合主成分分析法确定5个最佳波段（630、685、720、810和 875 nm）;然后基于特征波段做主成分分析,选取第5主成分（PC-5）作为分类识别图像,识别率达到80%。为了进一步提高溃疡识别率,该文又提出采用特征波段主成分分析法与波段比算法相结合的方法,基于此算法溃疡正确识别率提高到95.4%。试验结果表明,基于高光谱成像技术可以有效地对带有溃疡病斑的脐橙分类识别。     

基于高光谱成像技术的青香蕉碰撞损伤检测

针对青香蕉早期轻微碰撞损伤无法用肉眼和RGB图像识别的问题,研究利用光谱数据与图像信息,实现青香蕉早期轻微碰伤的检测和碰伤程度区分。通过高光谱成像仪获取碰撞损伤试验样品的光谱数据和图像信息,对原始光谱数据进行预处理和异常样本的剔除。通过特征波长提取,获取特征波长下的低维图像中创面区域像素点的分布数据,同时结合全像素点下的光谱反射率数据,将其作为BP神经网络模型的训练集和测试集,建立青香蕉碰撞损伤程度界定的无损检测模型。试验结果表明,利用高光谱技术可以识别肉眼不可见的轻微碰撞损伤,形成的BP神经网络检测模型的总体识别准确率为95.06%,并且可输出碰伤等级的可视化图像。研究为开发青香蕉碰伤快速无损检测系统提供理论依据。     

基于高光谱成像技术的沙金杏成熟度判别

为了实现对不同成熟度沙金杏进行快速、准确识别的目的,该研究利用高光谱成像技术(400~1 000 nm)对沙金杏的成熟度进行了判别研究,利用高光谱成像系统分别采集了处于4种不同成熟阶段(七成熟、八成熟、九成熟和十成熟)的沙金杏共480个样本的高光谱数据。首先,对不同成熟阶段所有样本的可溶性固形物含量值进行测定和单因素方差分析,结果表明,可溶性固形物与成熟度之间存在相关性,其相关系数为0.9386,可用该指标对沙金杏的成熟度进行划分。然后,对光谱数据利用偏最小二乘回归(partial least squares regression,PLSR)模型提取得到9个特征波长(434、528、559、595、652、678、692、728、954 nm),对图像数据利用灰度共生矩阵(gray level co-occurrence matrix,GLCM)提取到6项图像纹理指标(均值、对比度、相关性、能量、同质性和熵),并对图像数据采用RGB模型提取到6项图像颜色指标(R、G、B分量图像的平均值和标准差)。将这三类指标进行最优组合并分别建立关于沙金杏成熟度判别的极限学习机(extreme learning machine,ELM)模型。结果表明:使用特征波长与颜色特征融合值建立的ELM模型的判别正确率最高,达到93.33%。该研究为沙金杏的成熟度在线无损检测提供了理论参考。     

利用计算机视觉识别小麦叶色的光照模型研究

计算机图像识别技术的研究与应用是农业信息技术领域的重要分支之一。为更好的将其应用到虚拟作物中，用RGB系统表示叶色，利用虚拟现实技术中的光照技术，将太阳光分为环境光、漫射光和镜面光3部分，分别研究了这3部分光对叶色的影响，并根据颜色和太阳光的内在联系，建立了小麦叶片颜色的识别模型。检验表明，模型具有较高的准确性和较强的预测性。     

高光谱数据估测稻麦叶面积指数和叶绿素密度

该研究利用高光谱遥感技术分析水稻和小麦两种作物不同生育期的冠层光谱及其叶面积指数和叶绿素密度的变化,比较高光谱植被指数与两种作物的叶面积指数和叶绿素密度之间的关系,最后确定估算两种作物的叶面积指数和叶绿素密度最佳植被指数。结果表明：水稻和小麦两作物的叶面积指数和叶绿素密度在整个生育期内的变化规律基本一致,即先升高后下降的趋势,但两作物叶绿素密度与叶面积指数最大值出现的时期不同;稻麦两作物在整个生育期内的光谱反射率曲线,在可见光区域（400～700 nm）变化无明显规律,在近红外区域（700～1 000 nm）,生育前期反射率由低到高,到生育后期则由高到低,其中最大值分别出现在抽穗期和灌浆期左右;通过14种植被指数与两作物的叶面积指数和叶绿素密度相关性比较分析得知,二次修正土壤调节植被指数（MSAVI2）与水稻农学参数相关性最好,相关系数r＞0.91,而小麦在800 nm处的光谱反射率(R800)与其农学参数相关性最好,相关系数r＞0.92;并利用线性回归的方法,建立了估算两作物叶面积指数和叶绿素密度的模型,决定系数R2＞0.85。这样为不同环境条件下（水作和旱作）农作物的动态监测和科学管理及决策提供了技术支持。     

基于高光谱的冬小麦氮素营养指数估测

为了准确定量诊断氮素状况,为施肥和产量、品质的估测提供参考,该文通过设置不同氮素水平和品种类型的冬小麦田间试验,分析孕穗至灌浆初期不同光谱参数在小麦氮素营养状况监测上的差异,筛选叶片氮素含量和冠层氮素密度反演效果较好的参数,建立其与氮营养指数(NNI,nitrogen nutrition index)的经验模型。研究表明,线性内插法红边位置(REPLI)、修正红边单比指数(mSR705)、比值指数(RI-1dB)、简单比值色素指数(SRPI)、红边指数(VOG)等光谱参数与氮素营养指标具有良好的相关性(r0.85),且不受生育期影响,可用来反演评价冠层氮素营养状况;研究对筛选的光谱参数与各氮素指标进行回归建模,并用独立试验数据对所建模型进行验证,结果显示,REPLI在氮营养指数估测方面表现较好(r=0.93),估测模型精度较高(决定系数R2=0.86,均方根误差RMSE=0.08)。NNI在氮素营养状况诊断方面有一定的优势,通过高光谱反演氮营养指数进行氮素营养状态的定性定量诊断有一定的可行性。     

柑橘黄龙病高光谱早期鉴别及病情分级

为实现柑橘黄龙病的早期、快速确诊,有效阻止病害蔓延,达到早期防治、保障柑橘生产的目的,该文研究基于高光谱成像的柑橘黄龙病早期无损检测及病情分级,并对多种预处理方法的建模结果进行探讨。试验获取370～1 000 nm健康、不同染病程度及缺锌共5类柑橘叶片的高光谱图像,用遥感图像处理平台(environment for visualizing images,ENVI)得到各类样本感兴趣区域的光谱反射率平均值。运用一阶微分、移动窗口拟和多项式平滑(savitzky-golay,SG)进行数据处理,结合偏最小二乘判别分析(partial least squares-discriminate analysis,PLS-DA)构建黄龙病的早期鉴别及病情分级模型。结果表明:建立的3个判别模型,验证集相关系数均不低于0.9548。其中,经SG平滑及一阶微分预处理所建立的模型分类效果最佳,总体预测准确率达96.4%,预测均方根误差0.1344。该研究为柑橘病害早期诊断和预警提供了新方法,也为黄龙病病害程度遥感监测提供了基础。     

利用高光谱成像技术和多变量校正方法检测苹果的硬度（英）

高光谱图像集图像信息与光谱信息于一身,应用于农产品品质无损检测领域。该研究尝试利用高光谱图像技术结合多变量校正方法检测苹果硬度的可行性。试验通过获取的高光谱图像中提取有效的光谱信息来建立预测苹果硬度的预测模型。在建立模型过程中,偏最小二乘（PLS）和支持向量回归（SVR）两种多变量校正方法被比较,结果表明在785.11～872.45 nm范围内,SVR模型的性能优于PLS模型,模型对硬度预测结果的相关系数为0.6808。试验结果表明高光谱图像技术可以被用来检测苹果的硬度。     

基于高光谱成像技术的水稻叶瘟病病害程度分级方法

为了快速、准确地对水稻叶瘟病病害程度进行分级评估,结合定性分析与定量估算,提出了一种基于高光谱成像技术的水稻叶瘟病病害程度分级方法。利用HyperSIS高光谱成像系统采集了受稻瘟病侵染后不同病害等级的水稻叶片高光谱图像,通过分析叶瘟病斑区域与正常叶片部位的光谱特征,对差异较大的550和680 nm波段进行二维散点图分析,提取只含病斑的高光谱图像;然后通过主成分分析（principal component analysis,PCA）方法得到利于褐色病斑和灰色病斑分割的第2主成分图像,采用最大类间方差法（Otsu）分割出灰色病斑;最后结合延伸率和受害率2个参数对水稻叶瘟病病害程度进行分级。试验结果表明：测试的166个不同稻叶瘟病害等级的叶片样本中,其中160个样本可被准确分级,分级准确率为96.39%。该研究为稻叶瘟病田间病害程度评估提供了基础,也为稻瘟病抗性鉴定方法提供了新思路。     

基于叶片光谱特性的玉米品种抗倒伏性预测

针对玉米叶片各区域光谱特性与玉米品种抗倒伏性能之间关系未知的问题,该研究探讨了叶脉区、正常反射区和整片叶的平均光谱对玉米品种抗倒伏性预测效果的影响。试验采集了2018年和2019年8个玉米品种的叶片高光谱图像,使用阈值分割和K-means聚类方法提取各叶片区域的平均光谱数据。用最大相关最小冗余（Max-Relevance and Min-Redundancy,MRMR）特征选择算法,提取各叶片区域平均光谱的抗倒伏和不抗倒伏品种分类特征。使用交叉验证的方式,对MRMR方法选择的特征数量进行优化,并使用支持向量机（Support Vector Machines,SVM）方法建立各叶片区域的抗倒伏性预测光谱模型,用网格搜索法对各模型参数进行优化。两年试验结果显示,各叶片区域约有35~50个可以反映品种抗倒伏性的光谱特征,其中非叶脉区光谱相比叶脉区光谱的抗倒伏特征更多,分类效果更好。参数优化训练后,整叶片、叶脉区和正常反射区的光谱模型对训练集数据的预测正确率达到98.46%、98.52%和100%,正常反射区的光谱模型对测试集数据的分类效果最好,2018年和2019年测试集数据的预测正确率分别达到了91.00%和94.34%。与基于整片叶平均光谱的预测模型相比,基于叶片各区域的光谱特征模型可以排除不平整叶面反射的干扰,有助于提高模型预测结果的稳定性。研究表明,基于正常反射区光谱的预测模型更适用于品种抗倒伏预测,研究结果可为基于玉米叶片光谱预测品种的抗倒伏能力提供借鉴。