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^[3,4,5,6],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。

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Index_i指数表示为:

本实验中使用美国CRi公司生产的VariSpec^TM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430～720 nm,每间隔5 nm进行一次扫描。使用Omnic8.0、MATLAB软件进行数据处理。

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40 d,外叶6～10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 ℃。

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430~720 nm范围内的反射比曲线。从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。

图 1

Fig. 1

图 1 健康甘蓝叶片的反射比曲线 Fig. 1 Reflectance curve of healthy cabbage leaves

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的时候与其他波段的相关系数达到了负值。

表 1(Table 1)

表 1 甘蓝正常叶片不同波段的部分相关系数 Tab.1 Partial correlation coefficients of normal cabbage leaves at different wavelengths 波长/nm 相关系数 650 nm 655 nm 660 nm 665 nm 670 nm 675 nm 450 0.47 0.51 0.46 0.45 0.47 0.47 545 0.65 0.92 0.92 0.89 0.76 0.90 650 1.00 0.84 0.77 0.84 0.98 0.83 655 0.84 1.00 0.99 1.00 0.93 1.00 715 -0.08 -0.19 -0.26 -0.25 -0.13 -0.24

表 1 甘蓝正常叶片不同波段的部分相关系数 Tab.1 Partial correlation coefficients of normal cabbage leaves at different wavelengths

图 2

Fig. 2

图 2 甘蓝健康叶片的Index指数杆状图 Fig. 2 Index pole diagram of healthy cabbage leaves

在得出不同波段的相关系数后,利用式(1)～式(3)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

Fig. 3

图 3 甘蓝虫害叶片的反射比曲线图 Fig. 3 Reflectance curve of cabbage leaves damaged by pests

图 4

Fig. 4

图 4 甘蓝虫害叶片Index指数图 Fig. 4 Index pole diagram of cabbage leaves damaged by pests

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软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(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。

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(Table 2)

表 2 特征值波段与健康和虫害波段间的欧氏距离 Tab.2 Euclidean distance between feature bands and healthy with pests bands 波长/nm 550 555 575 585 715 545 645 650 655 虫害叶片欧氏距离 0 1.62 9.64 8.49 5.90 14.19 0.49 14.52 1.63 健康叶片欧氏距离 16.08 10.15 14.49 13.00 15.31 6.48 0 11.69 0

表 2 特征值波段与健康和虫害波段间的欧氏距离 Tab.2 Euclidean distance between feature bands and healthy with pests bands

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545 nm、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545 nm、645 nm、650 nm、655 nm作为健康叶片的波段是可行的。

利用LCTF组成的光谱成像系统分析了甘蓝正常叶片和虫害叶片的光谱特征,并通过自适应波段选择方法选择了545 nm、645 nm、650 nm、655 nm波段作为甘蓝正常叶片和550 nm、555 nm、575 nm、585 nm、715 nm波段作为甘蓝虫害叶片的特征波段。实验结果显示,甘蓝正常叶片的特征波段与虫害叶片的大不相同,表明了LCTF在虫害检测方面具有简单、快捷、准确等优点,为农业虫害检测提供了一种新方法。