基于图像分析的辅助检测系统

谭丽娟,陈德勇,谢保闯,郑嘉莹,刘子瑜

摘要：作物病害表型监测对于作物的抗性育种和栽培管理具有重要意义。目前传统的病害调查主要通过人工田间进行,这种方式费时费力且主观性较强,工作效率低下。本研究针对上述出现的问题,针对叶面型病害和茎秆型病害两类病害,以金银花白粉病为例,基于成像高光谱数据研究这两种病害的光谱响应特点和差异,并基于不同类型的病害提出不同的分析思路以及方法,通过图谱分析进行病虫害识别。

关键词：金银花，高光谱成像，检测系统，金银花白粉病

1引言

农业在我国发展中起着重要作用，目前田间的生产劳动过程中，病虫害的监测以及预防是极为重要的方面，其中，由频繁爆发的农业灾害所带来的影响己经日趋明显，其中农作物的生长发育过程中，己造成农作物的大面积减产，植物的生长发育过程受到极大的影响。在当前的农业生产活动中，人们通常依靠长期农业生产活动经验，采用肉眼来对田间病虫害种类的方式进行判断，进而通过打药等方式进行预防。传统的病害表型测量与调查主要依靠人工，主观性强，准确性高但效率较低，适用性弱，无法适应目前对大量育种材料的筛选。因为需发展新的技术来进行高通量下病害表型的监测。

近年来随着遥感技术的飞速发展，基于遥感技术对植物的病害表型监测逐渐成为植物表型监测的重要手段。目前，遥感技术己被应用于如小麦，玉米等病虫害的监测上。并在对多种病虫害的监测上表现出很大的优势和潜力。近年来，光谱成像技术的成熟也为植物病虫害在成像高光谱上的监测提供了契机，成像高光谱数据既在获取光谱数据的同时可以捕捉到目标物的具体图像信息，而如何有效应用成像光谱遥感技术手段对植物病害表型进行有效监测是目前植物遥感研究和应用领域面临的重大问题。

2 技术与突破

随着遥感技术和新型传感器的快速发展，一些新型传感器(如具有高分辨率的成像光谱仪等)在遥感技术中的应用越来越多，在植物病害表型监测中日益发挥重大作用，而如何通过这些仪器获得数据并通过数据对病虫害进行监测越来越受到研究者的关注。

目前植物胁迫遥感监测和诊断主要针对植物在受到不同的胁迫作用下比如病虫害等影响下会出现特异性的光谱响应。这种光谱响应往往由植物色素浓度，其它生物化学成分、含水量以及其他植株生化参数的改变而产生f4-gl。植被反射率是受到叶片，冠层等所处环境等多种因素下共同影响而出现的结果。在可见光区域，光谱反射率较低，而在近红外区域，反射率较高。同时在短波红外区域反射率较低.在植物受到特定病害的侵染时，根据病害的特征会在植物的不同部位出现特定的表现形式，比如叶面型病害会在叶片上形成特定的病斑，坏死或者枯萎的区域。从而导致叶片中水分，色素含量的变化，进而导致光谱反射率的变化，在可见光区域光谱反射率增加，在特定情况下会出现红边蓝移的情况。在冠层尺度上，由于病害导致的冠层结构变化，比如叶倾角变化等情况，会引起近红外波段和短波红外波段反射率改变。

金银花白粉病叶部病斑特征提取，本研究中，为了研究金银花白粉病光谱的特征并进行后续的光谱敏感性分析，需要预先确定感兴趣区域(ROI来提取光谱信息。在450-950 nm高光谱图像中，从每片叶片的病斑和正常区域提取ROIs，作为一组样本ROI-disease和ROI-normal。考虑到正常样品和病害样品的背景差异相同，便于后期光谱对比分析，且ROI的维数应保持一致，对于每个叶片样品，ROI-disease和ROI-normal均为306像元。提取每个ROI中306个像元的光谱反射率值，并计算均值作为样本。

研究通过光谱敏感性分析，进行金银花白粉病敏感波段的筛选，从而基于敏感波段构建能够区分金银花白粉病染病叶片和健康叶片的植被特征。光谱比值分析的方法用于考察相对差异，不但可以消除叶片、辐射、样本批次等差异，还可以增强健康样本和病害样本之间的差异，提供任何单一波段光谱无法获得的特定信息，具有明显优势。光谱比率即计算在450-950nm波段处，所有病害与健康样本ROI的反射率平均值的比值，反映了受白粉病侵染样本的光谱响应。各波段反射率变化的方向(增加或减少)和幅度可以理解为金银花白粉病的光谱特征。因此，作为一种有效的特征筛选方法，光谱比值曲线被应用于高光谱图像分析的波段选择中，而曲线峰值对应的波段即为敏感波段。此外，对金银花白粉病和健康样本进行独立样本T检验(independent t-test，分析两组样本在每个波段上的响应情况，以p-value<0.001为条件筛选对两组样本表现出显著差异的波段。最终，那些对金银花白粉病敏感且通过t检验分析对染病和健康样本表现出显著差异的波段，即为最终选择的敏感波段。

金银花白粉病优选特征集构建，除新构建的两个指数外，光谱特征可经过互相之间的变换，形成新的特征，对病害的监测有的重要作用。本研究在系统归纳常用于植物胁迫和作物病害识别、监测的光谱特征基础上，选取包括一阶微分变换光谱特征、连续统变换光谱特征(能够捕捉一些经典的植物吸收特性，如蓝边、黄边和红边)，和经典窄波段高光谱植被指数(这些指数与植物的绿度、色素和水分变化、植物胁迫以及纤维素和木质素等生物化学性质有关)三类不同形式的光谱特征共24个，形成一个供筛选的光谱特征集采用比值分析和t检验对经典特征进行敏感性分析，选取ratio > 2且能够通过显著性检验的特征。

3结语

针对叶面型病害(以金银花白粉病为例)和茎秆型病害为例，各提出一套相应的分析思路进行分析，并达到较高的分类精度，为巫需的高通量病害表型监测提供方法。本论文的主要研究如下:

（1）系统获取植物光谱及配套地面数据

为了获取高质量的光谱数据，规范了田间成像高光谱数据的获取方法，并且提出地面配套数据调查方法。于中国水稻研究所进行水稻纹枯病数据的采集，UHD 185成像光谱仪经过黑白标定后在距离目标作物侧面病斑20-30cm处进行拍摄，得到成像高光谱数据。共拍摄60幅成像光谱数据(病斑30幅，正常30幅)。

（2）基于的叶面型病斑提取算法研究

金银花白粉病是金银花中一种重要而典型的叶面病害，严重威胁着金银花的产量和品质。高光谱成像技术与常用的目视判断和检测方法相比，能够无创、客观地检测植物生理病原菌引起的变化，在病害预防、检测和育种表型诊断方面具有很大的潜力。对金银花基地进行了叶片取样和高光谱成像光谱试验。基于高光谱成像数据，进行特征构建和优选分析，将独立t检验分析和比值分析相结合，筛选出位于542nm, 686nm和754nm的病害敏感波段;在此基础上，分别采用比值和归一化结构，构建了两种病害指标。

参考文献：

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作者简介：谭丽娟 (2003.03-)，女，山东泰安，数字媒体技术2021级

指导老师：王晓燕（1982.09-），女，山东烟台，副教授，研究方向：数据分析