林立波+李宏寧+曹鵬飛+馮潔

文章編號： 10055630(2014)03019404

收稿日期： 20131212

基金項目： 國家自然科學基金資助項目(60968001、61168003);云南省自然科學基金項目(2009CD047、2011FZ079);云南省大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目(201210681005、201310681004)

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

通訊作者： 馮潔(1975),女,副教授,博士,主要從事光譜成像技術和顏色科學與技術方面的研究。

摘要： 利用由液晶可調濾波器(liquid crystal tunable filter,LCTF)和單色CCD相機組成的光譜成像系統(tǒng)對甘藍正常葉片和遭受小菜蛾蟲害甘藍葉片的光譜特征進行分析,獲取了430～720 nm每隔5 nm波段的灰度值信息,并采用自適應波段選擇方法提取出了兩種葉片的特征波段,通過歐氏距離聚類方法對所提取的特征波段進行聚類分析。結果表明甘藍正常葉片在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快速地檢測出植物是否遭受蟲害,為農業(yè)蟲害檢測提供了一種新方法。

關鍵詞： 液晶可調濾波器; 自適應波段選擇; 特征波段; 甘藍葉片; 小菜蛾

中圖分類號： TH 744文獻標志碼： 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

引言甘藍是我國有著大面積種植的蔬菜,但是病蟲害卻影響著甘藍的產量和質量,其中尤以蟲害最為嚴重。小菜蛾是危害甘藍生長的主要害蟲之一,全球每年用于防止小菜蛾的的費用及其損失達10億美元［1］。目前對甘藍小菜蛾的防治主要依靠化學方法,但這樣容易產生農藥的殘留超標［2］情況,而近年來光譜成像技術在農業(yè)中的應用越來越多［36］,因此提出一種安全的由液晶可調諧濾波器(liquid crystal tunable filter,LCTF)［7］組成光譜成像系統(tǒng)對農作物植株進行蟲害檢測,以達到預防甘藍蟲害擴大的目的。LCTF具有較高的空間分辨率和光譜分辨率［8］,同時具有波長選擇靈活、調諧時間短、體積小等特點,可方便實現多光譜圖像的采集工作［9］。但是由于LCTF的波段通道較多,使得數據的冗余量大,后期的數據處理工作比較麻煩,相對的準確性就會降低。本文提出了基于LCTF光譜成像系統(tǒng)的自適應波段選擇方法,對甘藍健康和蟲害的葉片分別進行特征波段提取,通過提取的特征波段來對甘藍小菜蛾蟲害進行檢測。這種方法縮小了數據處理量,是一種安全有效的方法。1實驗部分

1.1實驗最佳波段選擇方法本文采用自適應波段選擇(adaptive band selection,ABS)［10］的方法來提取甘藍的特征波段,在該算法的數學模型中Indexi指數表示為:Indexi=σi(Ri－1,i+Ri,i+1)/2(1)其中,Indexi是第i幅圖像的指數大小。σi為第i個波段的標準差,Ri－1,i是第i個波段與前一個波段的相關系數,Ri,i+1是第i個波段與后一個波段的相關系數,相關系數越小,兩個波段數據之間的獨立性越高。式(1)中的標準差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)中的相關系數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{}為數學期望。ABS方法獲得的指數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,相應圖像的信息量就越大,越具有代表性。

光學儀器第36卷

第3期林立波，等：用LCTF光譜技術提取甘藍小菜蛾蟲害葉片特征波段

1.2實驗儀器本實驗中使用美國CRi公司生產的VariSpecTM液晶可調濾波器與單色CCD相機［11］和計算機控制軟件組成的光譜儀,其采集波段為430～720 nm,每間隔5 nm進行一次掃描。使用Omnic8.0、MATLAB軟件進行數據處理。

1.3實驗樣本使用云南農業(yè)科學院培育的“京豐一號”系列甘藍作為實驗樣本,其中,健康甘藍生長時間為40 d,外葉6～10片,其葉長約17 cm,寬約24 cm,背面灰綠,葉色深綠,生長狀況良好。侵害甘藍葉片的小菜蛾處于幼年期,甘藍葉片正常舒展,具有少量孔洞,故甘藍處于蟲害初期階段。采集環(huán)境為溫室大棚內,光照充足且均勻,平均溫度為21.4 ℃。2實驗結果及分析

2.1甘藍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光線的吸收和反射形成的,在可見光范圍內,植物葉片的光譜曲線在450 nm、550 nm和650 nm存在兩個吸收谷和一個反射峰。圖1為甘藍葉片在430~720 nm范圍內的反射比曲線。從圖1健康甘藍葉片的反射比曲線

Fig.1Reflectance curve of healthy

cabbage leaves圖中可以得出所采集的光譜數據符合一般綠色植物的曲線走勢圖,故實驗數據滿足實驗分析要求。根據自適應波段選擇方法求出從實驗中獲取的不同葉片灰度值的標準差和不同波段之間的光譜相關系數［12］,波段相關系數是指各波段之間的關聯程度,故求出各波段之間的相關系數可以看到各波段之間的相關性程度。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系數。從表中看出,在波段450 nm處的相關系數相對于545 nm、650 nm、655 nm處的相關系數較小,而在波段715 nm的時候與其他波段的相關系數達到了負值。

表1甘藍正常葉片不同波段的部分相關系數

Tab.1Partial correlation coefficients of normal

cabbage leaves at different wavelengths

波長/

nm相關系數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甘藍健康葉片的Index指數桿狀圖

Fig.2Index pole diagram of

healthy cabbage leaves

在得出不同波段的相關系數后,利用式(1)～式(3)計算出甘藍葉片不同波段的Index值,得到如圖2所示的Index指數桿狀圖。從圖2可以看出甘藍葉片在645 nm、650 nm、655 nm附近波段Index指數較大,根據自適應波段選擇方法,指數越大的波段所含得光譜信息量越大,故選擇645 nm、650 nm、655 nm作為甘藍葉片的特征波段。又根據植物光譜特征,在波段550 nm處存在一個反射峰,植物葉片在該波段附近信息相對較豐富,且從圖2中看到545 nm處的Index指數與附近其他波段相比較大,所以也可以選擇545 nm作為甘藍葉片的特征波段。綜上所述,545 nm、645 nm、650 nm、655 nm是可以獲得甘藍健康葉片的最優(yōu)特征波段。

圖3甘藍蟲害葉片的反射比曲線圖

Fig.3Reflectance curve of cabbage

leaves damaged by pests圖4甘藍蟲害葉片Index指數圖

Fig.4Index pole diagram of cabbage

leaves damaged by pests2.2甘藍蟲害葉片的特征波段對甘藍蟲害葉片樣本采集多條灰度值曲線,進行拼接校準后,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,得到蟲害葉片的光譜反射比曲線。圖3為甘藍蟲害葉片的反射比曲線圖,從圖中看出,在450 nm處有一個吸收谷,在550 nm處有一個反射峰,通過此兩處的反射比特征可以得出,該甘藍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,說明了甘藍蟲害葉片處于蟲害初期。同健康甘藍葉片一樣,通過由LCTF組成的多光譜系統(tǒng)對甘藍蟲害葉片采集數據,使用MATLAB軟件計算出各個波段的標準差和相關系數,利用自適應波段選擇方法的式(1)～式(3)計算出蟲害葉片的Index指數,繪制出蟲害葉片的Index指數桿狀圖如圖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波段作為本實驗中甘藍蟲害葉片的整體最優(yōu)特征波段。

2.3聚類分析為了驗證該LCTF多光譜系統(tǒng)對甘藍健康與蟲害識別的有效性,必須對所提取的特征波段進行準確性驗證。故采用歐氏距離法對多光譜灰度值數據進行分類識別,把甘藍健康葉片與蟲害葉片的多光譜波段灰度值數據作為樣本集,提取出的特征波段的數據作為訓練集,計算出訓練集波段與樣本集波段的絕對距離,如果絕對距離越小則其可歸為健康或者蟲害的一類,其結果如表2所示。

表2特征值波段與健康和蟲害波段間的歐氏距離

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

波長/nm550555575585715545645650655蟲害葉片歐氏距離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中蟲害葉片波段相對于健康葉片波段距離較小,而545 nm、645 nm、650 nm、655 nm中蟲害葉片波段相對于健康波段距離較大,故550 nm、555 nm、575 nm、585 nm、715 nm作為蟲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結論利用LCTF組成的光譜成像系統(tǒng)分析了甘藍正常葉片和蟲害葉片的光譜特征,并通過自適應波段選擇方法選擇了545 nm、645 nm、650 nm、655 nm波段作為甘藍正常葉片和550 nm、555 nm、575 nm、585 nm、715 nm波段作為甘藍蟲害葉片的特征波段。實驗結果顯示,甘藍正常葉片的特征波段與蟲害葉片的大不相同,表明了LCTF在蟲害檢測方面具有簡單、快捷、準確等優(yōu)點,為農業(yè)蟲害檢測提供了一種新方法。參考文獻：

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

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

［3］王坤,朱大洲,張東彥,等.成像光譜技術在農作物信息診斷中的研究進展［J］.光譜學與光譜分析,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.小麥葉面積指數與冠層反射光譜的定量關系［J］.應用生態(tài)學報,2006,17(8):14431447.

［6］范世福.光譜技術和儀器的新發(fā)展［J］.光學儀器,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相機的輻射定標［J］.光譜學與光譜分析,2011,31(1):272276.

［8］童慶喜,張兵,鄭蘭芬.高光譜遙感——原理、技術與應用［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系統(tǒng)設計［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］.中國圖象圖形學報,2005,10(2):218222.

［11］郝學元,季鑫源,陳家勝.用線陣CCD實現光譜測試的虛擬儀器［J］.光學儀器,2001,23(3):36.

［12］趙春暉,陳萬海,楊雷.高光譜遙感圖像最優(yōu)波段選擇方法的研究進展與分析［J］.黑龍江大學自然科學學報,2007,24(5):592602.第36卷第3期2014年6月光學儀器OPTICAL INSTRUMENTSVol.36, No.3June, 2014

2.1甘藍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光線的吸收和反射形成的,在可見光范圍內,植物葉片的光譜曲線在450 nm、550 nm和650 nm存在兩個吸收谷和一個反射峰。圖1為甘藍葉片在430~720 nm范圍內的反射比曲線。從圖1健康甘藍葉片的反射比曲線

Fig.1Reflectance curve of healthy

cabbage leaves圖中可以得出所采集的光譜數據符合一般綠色植物的曲線走勢圖,故實驗數據滿足實驗分析要求。根據自適應波段選擇方法求出從實驗中獲取的不同葉片灰度值的標準差和不同波段之間的光譜相關系數［12］,波段相關系數是指各波段之間的關聯程度,故求出各波段之間的相關系數可以看到各波段之間的相關性程度。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系數。從表中看出,在波段450 nm處的相關系數相對于545 nm、650 nm、655 nm處的相關系數較小,而在波段715 nm的時候與其他波段的相關系數達到了負值。

表1甘藍正常葉片不同波段的部分相關系數

Tab.1Partial correlation coefficients of normal

cabbage leaves at different wavelengths

波長/

nm相關系數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甘藍健康葉片的Index指數桿狀圖

Fig.2Index pole diagram of

healthy cabbage leaves

在得出不同波段的相關系數后,利用式(1)～式(3)計算出甘藍葉片不同波段的Index值,得到如圖2所示的Index指數桿狀圖。從圖2可以看出甘藍葉片在645 nm、650 nm、655 nm附近波段Index指數較大,根據自適應波段選擇方法,指數越大的波段所含得光譜信息量越大,故選擇645 nm、650 nm、655 nm作為甘藍葉片的特征波段。又根據植物光譜特征,在波段550 nm處存在一個反射峰,植物葉片在該波段附近信息相對較豐富,且從圖2中看到545 nm處的Index指數與附近其他波段相比較大,所以也可以選擇545 nm作為甘藍葉片的特征波段。綜上所述,545 nm、645 nm、650 nm、655 nm是可以獲得甘藍健康葉片的最優(yōu)特征波段。

圖3甘藍蟲害葉片的反射比曲線圖

Fig.3Reflectance curve of cabbage

leaves damaged by pests圖4甘藍蟲害葉片Index指數圖

Fig.4Index pole diagram of cabbage

leaves damaged by pests2.2甘藍蟲害葉片的特征波段對甘藍蟲害葉片樣本采集多條灰度值曲線,進行拼接校準后,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,得到蟲害葉片的光譜反射比曲線。圖3為甘藍蟲害葉片的反射比曲線圖,從圖中看出,在450 nm處有一個吸收谷,在550 nm處有一個反射峰,通過此兩處的反射比特征可以得出,該甘藍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,說明了甘藍蟲害葉片處于蟲害初期。同健康甘藍葉片一樣,通過由LCTF組成的多光譜系統(tǒng)對甘藍蟲害葉片采集數據,使用MATLAB軟件計算出各個波段的標準差和相關系數,利用自適應波段選擇方法的式(1)～式(3)計算出蟲害葉片的Index指數,繪制出蟲害葉片的Index指數桿狀圖如圖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波段作為本實驗中甘藍蟲害葉片的整體最優(yōu)特征波段。

2.3聚類分析為了驗證該LCTF多光譜系統(tǒng)對甘藍健康與蟲害識別的有效性,必須對所提取的特征波段進行準確性驗證。故采用歐氏距離法對多光譜灰度值數據進行分類識別,把甘藍健康葉片與蟲害葉片的多光譜波段灰度值數據作為樣本集,提取出的特征波段的數據作為訓練集,計算出訓練集波段與樣本集波段的絕對距離,如果絕對距離越小則其可歸為健康或者蟲害的一類,其結果如表2所示。

表2特征值波段與健康和蟲害波段間的歐氏距離

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

波長/nm550555575585715545645650655蟲害葉片歐氏距離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中蟲害葉片波段相對于健康葉片波段距離較小,而545 nm、645 nm、650 nm、655 nm中蟲害葉片波段相對于健康波段距離較大,故550 nm、555 nm、575 nm、585 nm、715 nm作為蟲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結論利用LCTF組成的光譜成像系統(tǒng)分析了甘藍正常葉片和蟲害葉片的光譜特征,并通過自適應波段選擇方法選擇了545 nm、645 nm、650 nm、655 nm波段作為甘藍正常葉片和550 nm、555 nm、575 nm、585 nm、715 nm波段作為甘藍蟲害葉片的特征波段。實驗結果顯示,甘藍正常葉片的特征波段與蟲害葉片的大不相同,表明了LCTF在蟲害檢測方面具有簡單、快捷、準確等優(yōu)點,為農業(yè)蟲害檢測提供了一種新方法。參考文獻：

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［3］王坤,朱大洲,張東彥,等.成像光譜技術在農作物信息診斷中的研究進展［J］.光譜學與光譜分析,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.

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［6］范世福.光譜技術和儀器的新發(fā)展［J］.光學儀器,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相機的輻射定標［J］.光譜學與光譜分析,2011,31(1):272276.

［8］童慶喜,張兵,鄭蘭芬.高光譜遙感——原理、技術與應用［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系統(tǒng)設計［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］.中國圖象圖形學報,2005,10(2):218222.

［11］郝學元,季鑫源,陳家勝.用線陣CCD實現光譜測試的虛擬儀器［J］.光學儀器,2001,23(3):36.

［12］趙春暉,陳萬海,楊雷.高光譜遙感圖像最優(yōu)波段選擇方法的研究進展與分析［J］.黑龍江大學自然科學學報,2007,24(5):592602.第36卷第3期2014年6月光學儀器OPTICAL INSTRUMENTSVol.36, No.3June, 2014

2.1甘藍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光線的吸收和反射形成的,在可見光范圍內,植物葉片的光譜曲線在450 nm、550 nm和650 nm存在兩個吸收谷和一個反射峰。圖1為甘藍葉片在430~720 nm范圍內的反射比曲線。從圖1健康甘藍葉片的反射比曲線

Fig.1Reflectance curve of healthy

cabbage leaves圖中可以得出所采集的光譜數據符合一般綠色植物的曲線走勢圖,故實驗數據滿足實驗分析要求。根據自適應波段選擇方法求出從實驗中獲取的不同葉片灰度值的標準差和不同波段之間的光譜相關系數［12］,波段相關系數是指各波段之間的關聯程度,故求出各波段之間的相關系數可以看到各波段之間的相關性程度。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系數。從表中看出,在波段450 nm處的相關系數相對于545 nm、650 nm、655 nm處的相關系數較小,而在波段715 nm的時候與其他波段的相關系數達到了負值。

表1甘藍正常葉片不同波段的部分相關系數

Tab.1Partial correlation coefficients of normal

cabbage leaves at different wavelengths

波長/

nm相關系數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甘藍健康葉片的Index指數桿狀圖

Fig.2Index pole diagram of

healthy cabbage leaves

在得出不同波段的相關系數后,利用式(1)～式(3)計算出甘藍葉片不同波段的Index值,得到如圖2所示的Index指數桿狀圖。從圖2可以看出甘藍葉片在645 nm、650 nm、655 nm附近波段Index指數較大,根據自適應波段選擇方法,指數越大的波段所含得光譜信息量越大,故選擇645 nm、650 nm、655 nm作為甘藍葉片的特征波段。又根據植物光譜特征,在波段550 nm處存在一個反射峰,植物葉片在該波段附近信息相對較豐富,且從圖2中看到545 nm處的Index指數與附近其他波段相比較大,所以也可以選擇545 nm作為甘藍葉片的特征波段。綜上所述,545 nm、645 nm、650 nm、655 nm是可以獲得甘藍健康葉片的最優(yōu)特征波段。

圖3甘藍蟲害葉片的反射比曲線圖

Fig.3Reflectance curve of cabbage

leaves damaged by pests圖4甘藍蟲害葉片Index指數圖

Fig.4Index pole diagram of cabbage

leaves damaged by pests2.2甘藍蟲害葉片的特征波段對甘藍蟲害葉片樣本采集多條灰度值曲線,進行拼接校準后,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,得到蟲害葉片的光譜反射比曲線。圖3為甘藍蟲害葉片的反射比曲線圖,從圖中看出,在450 nm處有一個吸收谷,在550 nm處有一個反射峰,通過此兩處的反射比特征可以得出,該甘藍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,說明了甘藍蟲害葉片處于蟲害初期。同健康甘藍葉片一樣,通過由LCTF組成的多光譜系統(tǒng)對甘藍蟲害葉片采集數據,使用MATLAB軟件計算出各個波段的標準差和相關系數,利用自適應波段選擇方法的式(1)～式(3)計算出蟲害葉片的Index指數,繪制出蟲害葉片的Index指數桿狀圖如圖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波段作為本實驗中甘藍蟲害葉片的整體最優(yōu)特征波段。

2.3聚類分析為了驗證該LCTF多光譜系統(tǒng)對甘藍健康與蟲害識別的有效性,必須對所提取的特征波段進行準確性驗證。故采用歐氏距離法對多光譜灰度值數據進行分類識別,把甘藍健康葉片與蟲害葉片的多光譜波段灰度值數據作為樣本集,提取出的特征波段的數據作為訓練集,計算出訓練集波段與樣本集波段的絕對距離,如果絕對距離越小則其可歸為健康或者蟲害的一類,其結果如表2所示。

表2特征值波段與健康和蟲害波段間的歐氏距離

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

波長/nm550555575585715545645650655蟲害葉片歐氏距離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中蟲害葉片波段相對于健康葉片波段距離較小,而545 nm、645 nm、650 nm、655 nm中蟲害葉片波段相對于健康波段距離較大,故550 nm、555 nm、575 nm、585 nm、715 nm作為蟲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結論利用LCTF組成的光譜成像系統(tǒng)分析了甘藍正常葉片和蟲害葉片的光譜特征,并通過自適應波段選擇方法選擇了545 nm、645 nm、650 nm、655 nm波段作為甘藍正常葉片和550 nm、555 nm、575 nm、585 nm、715 nm波段作為甘藍蟲害葉片的特征波段。實驗結果顯示,甘藍正常葉片的特征波段與蟲害葉片的大不相同,表明了LCTF在蟲害檢測方面具有簡單、快捷、準確等優(yōu)點,為農業(yè)蟲害檢測提供了一種新方法。參考文獻：

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