林立波+李宏寧+曹鵬飛+馮潔

文章編號(hào)： 10055630(2014)03019404

收稿日期： 20131212

基金項(xiàng)目： 國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(60968001、61168003);云南省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(2009CD047、2011FZ079);云南省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目(201210681005、201310681004)

作者簡(jiǎn)介： 林立波(1987),男,碩士研究生,主要從事光譜成像技術(shù)方面的研究。

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。

摘要： 利用由液晶可調(diào)濾波器(liquid crystal tunable filter,LCTF)和單色CCD相機(jī)組成的光譜成像系統(tǒng)對(duì)甘藍(lán)正常葉片和遭受小菜蛾蟲(chóng)害甘藍(lán)葉片的光譜特征進(jìn)行分析,獲取了430～720 nm每隔5 nm波段的灰度值信息,并采用自適應(yīng)波段選擇方法提取出了兩種葉片的特征波段,通過(guò)歐氏距離聚類(lèi)方法對(duì)所提取的特征波段進(jìn)行聚類(lèi)分析。結(jié)果表明甘藍(lán)正常葉片在545 nm、645 nm、650 nm、655 nm波段具有較大光譜信息量,而蟲(chóng)害葉片在550 nm、555 nm、575 nm、585 nm、715 nm波段有較大光譜信息量。因此,可以利用LCTF快速地檢測(cè)出植物是否遭受蟲(chóng)害,為農(nóng)業(yè)蟲(chóng)害檢測(cè)提供了一種新方法。

關(guān)鍵詞： 液晶可調(diào)濾波器; 自適應(yīng)波段選擇; 特征波段; 甘藍(lán)葉片; 小菜蛾

中圖分類(lèi)號(hào)： TH 744文獻(xiàn)標(biāo)志碼： Adoi： 10.3969/j.issn.10055630.2014.03.002

Extract feature bands of cabbage leaves damaged by

diamondback moth pests using LCTF spectroscopy technology

LIN Libo, LI Hongning, CAO Pengfei, FENG Jie

Abstract： Using liquid crystal tunable filter (LCTF) and monochrome CCD camera 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 leaves 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 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 agriculture.

Key words： liquid crystal tunable filter; adaptive band selection; feature bands; cabbage leaves; diamondback moth

引言甘藍(lán)是我國(guó)有著大面積種植的蔬菜,但是病蟲(chóng)害卻影響著甘藍(lán)的產(chǎn)量和質(zhì)量,其中尤以蟲(chóng)害最為嚴(yán)重。小菜蛾是危害甘藍(lán)生長(zhǎng)的主要害蟲(chóng)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［1］。目前對(duì)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(lái)光譜成像技術(shù)在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用越來(lái)越多［36］,因此提出一種安全的由液晶可調(diào)諧濾波器(liquid crystal tunable filter,LCTF)［7］組成光譜成像系統(tǒng)對(duì)農(nóng)作物植株進(jìn)行蟲(chóng)害檢測(cè),以達(dá)到預(yù)防甘藍(lán)蟲(chóng)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(shí)具有波長(zhǎng)選擇靈活、調(diào)諧時(shí)間短、體積小等特點(diǎn),可方便實(shí)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(duì)的準(zhǔn)確性就會(huì)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(duì)甘藍(lán)健康和蟲(chóng)害的葉片分別進(jìn)行特征波段提取,通過(guò)提取的特征波段來(lái)對(duì)甘藍(lán)小菜蛾蟲(chóng)害進(jìn)行檢測(cè)。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(shí)驗(yàn)部分

1.1實(shí)驗(yàn)最佳波段選擇方法本文采用自適應(yīng)波段選擇(adaptive band selection,ABS)［10］的方法來(lái)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:Indexi=σi(Ri－1,i+Ri,i+1)/2(1)其中,Indexi是第i幅圖像的指數(shù)大小。σi為第i個(gè)波段的標(biāo)準(zhǔn)差,Ri－1,i是第i個(gè)波段與前一個(gè)波段的相關(guān)系數(shù),Ri,i+1是第i個(gè)波段與后一個(gè)波段的相關(guān)系數(shù),相關(guān)系數(shù)越小,兩個(gè)波段數(shù)據(jù)之間的獨(dú)立性越高。式(1)中的標(biāo)準(zhǔn)差σi可以表示為:σi=1M×N∑Mx=1∑Ny=1fi(x,y)－μi212(2)其中,M、N分別是圖像的行、列像素,fi是第i幅圖像,μi是第i幅圖像的像素平均值。式(1)中的相關(guān)系數(shù)Ri,j可以表示為:Ri,j=E{(fi－μi)(fj－μj)}E{(fi－μi)}2?E{(fj－μj)}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(chóng)害葉片特征波段

1.2實(shí)驗(yàn)儀器本實(shí)驗(yàn)中使用美國(guó)CRi公司生產(chǎn)的VariSpecTM液晶可調(diào)濾波器與單色CCD相機(jī)［11］和計(jì)算機(jī)控制軟件組成的光譜儀,其采集波段為430～720 nm,每間隔5 nm進(jìn)行一次掃描。使用Omnic8.0、MATLAB軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

1.3實(shí)驗(yàn)樣本使用云南農(nóng)業(yè)科學(xué)院培育的“京豐一號(hào)”系列甘藍(lán)作為實(shí)驗(yàn)樣本,其中,健康甘藍(lán)生長(zhǎng)時(shí)間為40 d,外葉6～10片,其葉長(zhǎng)約17 cm,寬約24 cm,背面灰綠,葉色深綠,生長(zhǎng)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(chóng)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21.4 ℃。2實(shí)驗(yàn)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(duì)光線的吸收和反射形成的,在可見(jiàn)光范圍內(nèi),植物葉片的光譜曲線在450 nm、550 nm和650 nm存在兩個(gè)吸收谷和一個(gè)反射峰。圖1為甘藍(lán)葉片在430~720 nm范圍內(nèi)的反射比曲線。從圖1健康甘藍(lán)葉片的反射比曲線

Fig.1Reflectance curve of healthy

cabbage leaves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(shì)圖,故實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)滿足實(shí)驗(yàn)分析要求。根據(jù)自適應(yīng)波段選擇方法求出從實(shí)驗(yàn)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450 nm處的相關(guān)系數(shù)相對(duì)于545 nm、650 nm、655 nm處的相關(guān)系數(shù)較小,而在波段715 nm的時(shí)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)正常葉片不同波段的部分相關(guān)系數(shù)

Tab.1Partial correlation coefficients of normal

cabbage leaves at different wavelengths

波長(zhǎng)/

nm相關(guān)系數(shù)650 nm655 nm660 nm665 nm670 nm675 nm4500.470.510.460.450.470.475450.650.920.920.890.760.906501.000.840.770.840.980.836550.841.000.991.000.931.00715-0.08-0.19-0.26-0.25-0.13-0.24

圖2甘藍(lán)健康葉片的Index指數(shù)桿狀圖

Fig.2Index pole diagram of

healthy cabbage leaves

在得出不同波段的相關(guān)系數(shù)后,利用式(1)～式(3)計(jì)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645 nm、650 nm、655 nm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645 nm、650 nm、655 nm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550 nm處存在一個(gè)反射峰,植物葉片在該波段附近信息相對(duì)較豐富,且從圖2中看到545 nm處的Index指數(shù)與附近其他波段相比較大,所以也可以選擇545 nm作為甘藍(lán)葉片的特征波段。綜上所述,545 nm、645 nm、650 nm、655 nm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(chóng)害葉片的反射比曲線圖

Fig.3Reflectance curve of cabbage

leaves damaged by pests圖4甘藍(lán)蟲(chóng)害葉片Index指數(shù)圖

Fig.4Index pole diagram of cabbage

leaves damaged by pests2.2甘藍(lán)蟲(chóng)害葉片的特征波段對(duì)甘藍(lán)蟲(chóng)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Macbeths 24色卡白色色塊的灰度值,得到蟲(chóng)害葉片的光譜反射比曲線。圖3為甘藍(lán)蟲(chóng)害葉片的反射比曲線圖,從圖中看出,在450 nm處有一個(gè)吸收谷,在550 nm處有一個(gè)反射峰,通過(guò)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650 nm處反射比曲線趨于平滑,說(shuō)明了甘藍(lán)蟲(chóng)害葉片處于蟲(chóng)害初期。同健康甘藍(lán)葉片一樣,通過(guò)由LCTF組成的多光譜系統(tǒng)對(duì)甘藍(lán)蟲(chóng)害葉片采集數(shù)據(jù),使用MATLAB軟件計(jì)算出各個(gè)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(3)計(jì)算出蟲(chóng)害葉片的Index指數(shù),繪制出蟲(chóng)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550 nm、555 nm、575 nm、585 nm、715 nm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550 nm、555 nm、575 nm、585 nm、715 nm波段作為本實(shí)驗(yàn)中甘藍(lán)蟲(chóng)害葉片的整體最優(yōu)特征波段。

2.3聚類(lèi)分析為了驗(yàn)證該LCTF多光譜系統(tǒng)對(duì)甘藍(lán)健康與蟲(chóng)害識(shí)別的有效性,必須對(duì)所提取的特征波段進(jìn)行準(zhǔn)確性驗(yàn)證。故采用歐氏距離法對(duì)多光譜灰度值數(shù)據(jù)進(jìn)行分類(lèi)識(shí)別,把甘藍(lán)健康葉片與蟲(chóng)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(jì)算出訓(xùn)練集波段與樣本集波段的絕對(duì)距離,如果絕對(duì)距離越小則其可歸為健康或者蟲(chóng)害的一類(lèi),其結(jié)果如表2所示。

表2特征值波段與健康和蟲(chóng)害波段間的歐氏距離

Tab.2Euclidean distance between feature bands and healthy with pests bands

波長(zhǎng)/nm550555575585715545645650655蟲(chóng)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550 nm、555 nm、575 nm、585 nm、715 nm中蟲(chóng)害葉片波段相對(duì)于健康葉片波段距離較小,而545 nm、645 nm、650 nm、655 nm中蟲(chóng)害葉片波段相對(duì)于健康波段距離較大,故550 nm、555 nm、575 nm、585 nm、715 nm作為蟲(chóng)害葉片的特征波段是合理的。同理,也可以得出545 nm、645 nm、650 nm、655 nm作為健康葉片的波段是可行的。3結(jié)論利用LCTF組成的光譜成像系統(tǒng)分析了甘藍(lán)正常葉片和蟲(chóng)害葉片的光譜特征,并通過(guò)自適應(yīng)波段選擇方法選擇了545 nm、645 nm、650 nm、655 nm波段作為甘藍(lán)正常葉片和550 nm、555 nm、575 nm、585 nm、715 nm波段作為甘藍(lán)蟲(chóng)害葉片的特征波段。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,甘藍(lán)正常葉片的特征波段與蟲(chóng)害葉片的大不相同,表明了LCTF在蟲(chóng)害檢測(cè)方面具有簡(jiǎn)單、快捷、準(zhǔn)確等優(yōu)點(diǎn),為農(nóng)業(yè)蟲(chóng)害檢測(cè)提供了一種新方法。參考文獻(xiàn)：

［1］尤民生,魏輝.小菜蛾的研究［M］.北京:中國(guó)農(nóng)業(yè)出版社,2007:24.

［2］成燕清,符偉,魏娟,等.湖南地區(qū)秋甘藍(lán)小菜蛾綜合防治體系研究［J］.湖南農(nóng)業(yè)科學(xué),2011(11):9294.

［3］王坤,朱大洲,張東彥,等.成像光譜技術(shù)在農(nóng)作物信息診斷中的研究進(jìn)展［J］.光譜學(xué)與光譜分析,2011,31(3):589594.

［4］KIM M S,MCMURTREY J E,MULCHI C L,et al.Steadystate multispectral fluorescence imaging system for plant leaves［J］.Applied Optics,2001,40(1):157166.

［5］李映雪,朱艷,戴廷波,等.小麥葉面積指數(shù)與冠層反射光譜的定量關(guān)系［J］.應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào),2006,17(8):14431447.

［6］范世福.光譜技術(shù)和儀器的新發(fā)展［J］.光學(xué)儀器,2000,22(4):3540.

［7］杜麗麗,易維寧,張冬英,等.基于LCTF的多光譜面陣CCD相機(jī)的輻射定標(biāo)［J］.光譜學(xué)與光譜分析,2011,31(1):272276.

［8］童慶喜,張兵,鄭蘭芬.高光譜遙感——原理、技術(shù)與應(yīng)用［M］.北京:高等教育出版社,2006:4044.

［9］李珂,張康偉,羅淼.基于LCTF的大幅面高分辨率多光譜儀光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.紅外與激光工程,2013,42(3):675679.

［10］劉春紅,趙春暉,張凌雁.一種新的高光譜遙感圖像降維方法［J］.中國(guó)圖象圖形學(xué)報(bào),2005,10(2):218222.

［11］郝學(xué)元,季鑫源,陳家勝.用線陣CCD實(shí)現(xiàn)光譜測(cè)試的虛擬儀器［J］.光學(xué)儀器,2001,23(3):36.

［12］趙春暉,陳萬(wàn)海,楊雷.高光譜遙感圖像最優(yōu)波段選擇方法的研究進(jìn)展與分析［J］.黑龍江大學(xué)自然科學(xué)學(xué)報(bào),2007,24(5):592602.第36卷第3期2014年6月光學(xué)儀器OPTICAL INSTRUMENTSVol.36, No.3June, 2014

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(duì)光線的吸收和反射形成的,在可見(jiàn)光范圍內(nèi),植物葉片的光譜曲線在450 nm、550 nm和650 nm存在兩個(gè)吸收谷和一個(gè)反射峰。圖1為甘藍(lán)葉片在430~720 nm范圍內(nèi)的反射比曲線。從圖1健康甘藍(lán)葉片的反射比曲線

Fig.1Reflectance curve of healthy

cabbage leaves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(shì)圖,故實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)滿足實(shí)驗(yàn)分析要求。根據(jù)自適應(yīng)波段選擇方法求出從實(shí)驗(yàn)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450 nm處的相關(guān)系數(shù)相對(duì)于545 nm、650 nm、655 nm處的相關(guān)系數(shù)較小,而在波段715 nm的時(shí)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)正常葉片不同波段的部分相關(guān)系數(shù)

Tab.1Partial correlation coefficients of normal

cabbage leaves at different wavelengths

波長(zhǎng)/

nm相關(guān)系數(shù)650 nm655 nm660 nm665 nm670 nm675 nm4500.470.510.460.450.470.475450.650.920.920.890.760.906501.000.840.770.840.980.836550.841.000.991.000.931.00715-0.08-0.19-0.26-0.25-0.13-0.24

圖2甘藍(lán)健康葉片的Index指數(shù)桿狀圖

Fig.2Index pole diagram of

healthy cabbage leaves

在得出不同波段的相關(guān)系數(shù)后,利用式(1)～式(3)計(jì)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645 nm、650 nm、655 nm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645 nm、650 nm、655 nm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550 nm處存在一個(gè)反射峰,植物葉片在該波段附近信息相對(duì)較豐富,且從圖2中看到545 nm處的Index指數(shù)與附近其他波段相比較大,所以也可以選擇545 nm作為甘藍(lán)葉片的特征波段。綜上所述,545 nm、645 nm、650 nm、655 nm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(chóng)害葉片的反射比曲線圖

Fig.3Reflectance curve of cabbage

leaves damaged by pests圖4甘藍(lán)蟲(chóng)害葉片Index指數(shù)圖

Fig.4Index pole diagram of cabbage

leaves damaged by pests2.2甘藍(lán)蟲(chóng)害葉片的特征波段對(duì)甘藍(lán)蟲(chóng)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Macbeths 24色卡白色色塊的灰度值,得到蟲(chóng)害葉片的光譜反射比曲線。圖3為甘藍(lán)蟲(chóng)害葉片的反射比曲線圖,從圖中看出,在450 nm處有一個(gè)吸收谷,在550 nm處有一個(gè)反射峰,通過(guò)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650 nm處反射比曲線趨于平滑,說(shuō)明了甘藍(lán)蟲(chóng)害葉片處于蟲(chóng)害初期。同健康甘藍(lán)葉片一樣,通過(guò)由LCTF組成的多光譜系統(tǒng)對(duì)甘藍(lán)蟲(chóng)害葉片采集數(shù)據(jù),使用MATLAB軟件計(jì)算出各個(gè)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(3)計(jì)算出蟲(chóng)害葉片的Index指數(shù),繪制出蟲(chóng)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550 nm、555 nm、575 nm、585 nm、715 nm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550 nm、555 nm、575 nm、585 nm、715 nm波段作為本實(shí)驗(yàn)中甘藍(lán)蟲(chóng)害葉片的整體最優(yōu)特征波段。

2.3聚類(lèi)分析為了驗(yàn)證該LCTF多光譜系統(tǒng)對(duì)甘藍(lán)健康與蟲(chóng)害識(shí)別的有效性,必須對(duì)所提取的特征波段進(jìn)行準(zhǔn)確性驗(yàn)證。故采用歐氏距離法對(duì)多光譜灰度值數(shù)據(jù)進(jìn)行分類(lèi)識(shí)別,把甘藍(lán)健康葉片與蟲(chóng)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(jì)算出訓(xùn)練集波段與樣本集波段的絕對(duì)距離,如果絕對(duì)距離越小則其可歸為健康或者蟲(chóng)害的一類(lèi),其結(jié)果如表2所示。

表2特征值波段與健康和蟲(chóng)害波段間的歐氏距離

Tab.2Euclidean distance between feature bands and healthy with pests bands

波長(zhǎng)/nm550555575585715545645650655蟲(chóng)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550 nm、555 nm、575 nm、585 nm、715 nm中蟲(chóng)害葉片波段相對(duì)于健康葉片波段距離較小,而545 nm、645 nm、650 nm、655 nm中蟲(chóng)害葉片波段相對(duì)于健康波段距離較大,故550 nm、555 nm、575 nm、585 nm、715 nm作為蟲(chóng)害葉片的特征波段是合理的。同理,也可以得出545 nm、645 nm、650 nm、655 nm作為健康葉片的波段是可行的。3結(jié)論利用LCTF組成的光譜成像系統(tǒng)分析了甘藍(lán)正常葉片和蟲(chóng)害葉片的光譜特征,并通過(guò)自適應(yīng)波段選擇方法選擇了545 nm、645 nm、650 nm、655 nm波段作為甘藍(lán)正常葉片和550 nm、555 nm、575 nm、585 nm、715 nm波段作為甘藍(lán)蟲(chóng)害葉片的特征波段。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,甘藍(lán)正常葉片的特征波段與蟲(chóng)害葉片的大不相同,表明了LCTF在蟲(chóng)害檢測(cè)方面具有簡(jiǎn)單、快捷、準(zhǔn)確等優(yōu)點(diǎn),為農(nóng)業(yè)蟲(chóng)害檢測(cè)提供了一種新方法。參考文獻(xiàn)：

［1］尤民生,魏輝.小菜蛾的研究［M］.北京:中國(guó)農(nóng)業(yè)出版社,2007:24.

［2］成燕清,符偉,魏娟,等.湖南地區(qū)秋甘藍(lán)小菜蛾綜合防治體系研究［J］.湖南農(nóng)業(yè)科學(xué),2011(11):9294.

［3］王坤,朱大洲,張東彥,等.成像光譜技術(shù)在農(nóng)作物信息診斷中的研究進(jìn)展［J］.光譜學(xué)與光譜分析,2011,31(3):589594.

［4］KIM M S,MCMURTREY J E,MULCHI C L,et al.Steadystate multispectral fluorescence imaging system for plant leaves［J］.Applied Optics,2001,40(1):157166.

［5］李映雪,朱艷,戴廷波,等.小麥葉面積指數(shù)與冠層反射光譜的定量關(guān)系［J］.應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào),2006,17(8):14431447.

［6］范世福.光譜技術(shù)和儀器的新發(fā)展［J］.光學(xué)儀器,2000,22(4):3540.

［7］杜麗麗,易維寧,張冬英,等.基于LCTF的多光譜面陣CCD相機(jī)的輻射定標(biāo)［J］.光譜學(xué)與光譜分析,2011,31(1):272276.

［8］童慶喜,張兵,鄭蘭芬.高光譜遙感——原理、技術(shù)與應(yīng)用［M］.北京:高等教育出版社,2006:4044.

［9］李珂,張康偉,羅淼.基于LCTF的大幅面高分辨率多光譜儀光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.紅外與激光工程,2013,42(3):675679.

［10］劉春紅,趙春暉,張凌雁.一種新的高光譜遙感圖像降維方法［J］.中國(guó)圖象圖形學(xué)報(bào),2005,10(2):218222.

［11］郝學(xué)元,季鑫源,陳家勝.用線陣CCD實(shí)現(xiàn)光譜測(cè)試的虛擬儀器［J］.光學(xué)儀器,2001,23(3):36.

［12］趙春暉,陳萬(wàn)海,楊雷.高光譜遙感圖像最優(yōu)波段選擇方法的研究進(jìn)展與分析［J］.黑龍江大學(xué)自然科學(xué)學(xué)報(bào),2007,24(5):592602.第36卷第3期2014年6月光學(xué)儀器OPTICAL INSTRUMENTSVol.36, No.3June, 2014

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(duì)光線的吸收和反射形成的,在可見(jiàn)光范圍內(nèi),植物葉片的光譜曲線在450 nm、550 nm和650 nm存在兩個(gè)吸收谷和一個(gè)反射峰。圖1為甘藍(lán)葉片在430~720 nm范圍內(nèi)的反射比曲線。從圖1健康甘藍(lán)葉片的反射比曲線

Fig.1Reflectance curve of healthy

cabbage leaves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(shì)圖,故實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)滿足實(shí)驗(yàn)分析要求。根據(jù)自適應(yīng)波段選擇方法求出從實(shí)驗(yàn)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450 nm處的相關(guān)系數(shù)相對(duì)于545 nm、650 nm、655 nm處的相關(guān)系數(shù)較小,而在波段715 nm的時(shí)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)正常葉片不同波段的部分相關(guān)系數(shù)

Tab.1Partial correlation coefficients of normal

cabbage leaves at different wavelengths

波長(zhǎng)/

nm相關(guān)系數(shù)650 nm655 nm660 nm665 nm670 nm675 nm4500.470.510.460.450.470.475450.650.920.920.890.760.906501.000.840.770.840.980.836550.841.000.991.000.931.00715-0.08-0.19-0.26-0.25-0.13-0.24

圖2甘藍(lán)健康葉片的Index指數(shù)桿狀圖

Fig.2Index pole diagram of

healthy cabbage leaves

在得出不同波段的相關(guān)系數(shù)后,利用式(1)～式(3)計(jì)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645 nm、650 nm、655 nm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645 nm、650 nm、655 nm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550 nm處存在一個(gè)反射峰,植物葉片在該波段附近信息相對(duì)較豐富,且從圖2中看到545 nm處的Index指數(shù)與附近其他波段相比較大,所以也可以選擇545 nm作為甘藍(lán)葉片的特征波段。綜上所述,545 nm、645 nm、650 nm、655 nm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(chóng)害葉片的反射比曲線圖

Fig.3Reflectance curve of cabbage

leaves damaged by pests圖4甘藍(lán)蟲(chóng)害葉片Index指數(shù)圖

Fig.4Index pole diagram of cabbage

leaves damaged by pests2.2甘藍(lán)蟲(chóng)害葉片的特征波段對(duì)甘藍(lán)蟲(chóng)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Macbeths 24色卡白色色塊的灰度值,得到蟲(chóng)害葉片的光譜反射比曲線。圖3為甘藍(lán)蟲(chóng)害葉片的反射比曲線圖,從圖中看出,在450 nm處有一個(gè)吸收谷,在550 nm處有一個(gè)反射峰,通過(guò)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650 nm處反射比曲線趨于平滑,說(shuō)明了甘藍(lán)蟲(chóng)害葉片處于蟲(chóng)害初期。同健康甘藍(lán)葉片一樣,通過(guò)由LCTF組成的多光譜系統(tǒng)對(duì)甘藍(lán)蟲(chóng)害葉片采集數(shù)據(jù),使用MATLAB軟件計(jì)算出各個(gè)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(3)計(jì)算出蟲(chóng)害葉片的Index指數(shù),繪制出蟲(chóng)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550 nm、555 nm、575 nm、585 nm、715 nm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550 nm、555 nm、575 nm、585 nm、715 nm波段作為本實(shí)驗(yàn)中甘藍(lán)蟲(chóng)害葉片的整體最優(yōu)特征波段。

2.3聚類(lèi)分析為了驗(yàn)證該LCTF多光譜系統(tǒng)對(duì)甘藍(lán)健康與蟲(chóng)害識(shí)別的有效性,必須對(duì)所提取的特征波段進(jìn)行準(zhǔn)確性驗(yàn)證。故采用歐氏距離法對(duì)多光譜灰度值數(shù)據(jù)進(jìn)行分類(lèi)識(shí)別,把甘藍(lán)健康葉片與蟲(chóng)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(jì)算出訓(xùn)練集波段與樣本集波段的絕對(duì)距離,如果絕對(duì)距離越小則其可歸為健康或者蟲(chóng)害的一類(lèi),其結(jié)果如表2所示。

表2特征值波段與健康和蟲(chóng)害波段間的歐氏距離

Tab.2Euclidean distance between feature bands and healthy with pests bands

波長(zhǎng)/nm550555575585715545645650655蟲(chóng)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550 nm、555 nm、575 nm、585 nm、715 nm中蟲(chóng)害葉片波段相對(duì)于健康葉片波段距離較小,而545 nm、645 nm、650 nm、655 nm中蟲(chóng)害葉片波段相對(duì)于健康波段距離較大,故550 nm、555 nm、575 nm、585 nm、715 nm作為蟲(chóng)害葉片的特征波段是合理的。同理,也可以得出545 nm、645 nm、650 nm、655 nm作為健康葉片的波段是可行的。3結(jié)論利用LCTF組成的光譜成像系統(tǒng)分析了甘藍(lán)正常葉片和蟲(chóng)害葉片的光譜特征,并通過(guò)自適應(yīng)波段選擇方法選擇了545 nm、645 nm、650 nm、655 nm波段作為甘藍(lán)正常葉片和550 nm、555 nm、575 nm、585 nm、715 nm波段作為甘藍(lán)蟲(chóng)害葉片的特征波段。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,甘藍(lán)正常葉片的特征波段與蟲(chóng)害葉片的大不相同,表明了LCTF在蟲(chóng)害檢測(cè)方面具有簡(jiǎn)單、快捷、準(zhǔn)確等優(yōu)點(diǎn),為農(nóng)業(yè)蟲(chóng)害檢測(cè)提供了一種新方法。參考文獻(xiàn)：

［1］尤民生,魏輝.小菜蛾的研究［M］.北京:中國(guó)農(nóng)業(yè)出版社,2007:24.

［2］成燕清,符偉,魏娟,等.湖南地區(qū)秋甘藍(lán)小菜蛾綜合防治體系研究［J］.湖南農(nóng)業(yè)科學(xué),2011(11):9294.

［3］王坤,朱大洲,張東彥,等.成像光譜技術(shù)在農(nóng)作物信息診斷中的研究進(jìn)展［J］.光譜學(xué)與光譜分析,2011,31(3):589594.

［4］KIM M S,MCMURTREY J E,MULCHI C L,et al.Steadystate multispectral fluorescence imaging system for plant leaves［J］.Applied Optics,2001,40(1):157166.

［5］李映雪,朱艷,戴廷波,等.小麥葉面積指數(shù)與冠層反射光譜的定量關(guān)系［J］.應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào),2006,17(8):14431447.

［6］范世福.光譜技術(shù)和儀器的新發(fā)展［J］.光學(xué)儀器,2000,22(4):3540.

［7］杜麗麗,易維寧,張冬英,等.基于LCTF的多光譜面陣CCD相機(jī)的輻射定標(biāo)［J］.光譜學(xué)與光譜分析,2011,31(1):272276.

［8］童慶喜,張兵,鄭蘭芬.高光譜遙感——原理、技術(shù)與應(yīng)用［M］.北京:高等教育出版社,2006:4044.

［9］李珂,張康偉,羅淼.基于LCTF的大幅面高分辨率多光譜儀光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.紅外與激光工程,2013,42(3):675679.

［10］劉春紅,趙春暉,張凌雁.一種新的高光譜遙感圖像降維方法［J］.中國(guó)圖象圖形學(xué)報(bào),2005,10(2):218222.

［11］郝學(xué)元,季鑫源,陳家勝.用線陣CCD實(shí)現(xiàn)光譜測(cè)試的虛擬儀器［J］.光學(xué)儀器,2001,23(3):36.

［12］趙春暉,陳萬(wàn)海,楊雷.高光譜遙感圖像最優(yōu)波段選擇方法的研究進(jìn)展與分析［J］.黑龍江大學(xué)自然科學(xué)學(xué)報(bào),2007,24(5):592602.第36卷第3期2014年6月光學(xué)儀器OPTICAL INSTRUMENTSVol.36, No.3June, 2014