高光谱成像的甜瓜嫁接愈合状态早期分类检测.pdf

第 null nullnull 卷 第 null期 nullnullnullnullnullnullnull 光 谱 学 与 光 谱 分 析 nullnullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull年 null月 nullnullnullnullnullnull null nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnullnullnull null 高光谱成像的甜瓜嫁接愈合状态早期分类检测 杨杰锴 null 郭志强 null 黄 null 远 null nullnull 高宏盛 null 金 null 科 null 吴香帅 null 杨 null 杰 null nullnull武汉理工大学信息工程学院 宽带无线通信与传感器网络湖北省重点实验室 湖北 武汉 nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnull华中农业大学园艺林学学院 园艺植物生物学教育部重点实验室 湖北 武汉 nullnullnullnullnullnullnull nullnull中国农业科学院深圳农业基因组研究所 岭南现代农业科学与技术广东省实验室深圳分中心 广东 深圳 nullnullnullnullnullnullnull 摘 null 要 null 嫁接的目的是为了提高植物抗土传病害和非生物逆境的能力 甜瓜嫁接愈合状态的早检测是当前 育苗厂工业化发展的重要需求 在标准正态变量变换 nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull 平滑 null 二阶导数 nullnullnull nullnullnullnullnullnull 预处理基 础上提出了融合嫁接差异信息的竞争性自适应重加权算法 null 连续投影法 nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull 特征提取算法 并 建立了基于网格寻优径向基核函数支持向量机 nullnull nullnullnullnullnullnullnullnull 分类模型 实现了基于高光谱成像的甜瓜嫁 接愈合状态早期分类检测 首先采集以南瓜为砧木 甜瓜为接穗的嫁接成活苗和非成活苗愈合期 null nullnullnull 内 的高光谱图像 分别采用 null种光谱预处理方法 null种特征提取算法和 null种优化算法 null种核函数支持向量机 nullnullnull 分类模型进行分析 结果显示 nullnullnullnullnullnullnullnullnull光谱预处理 nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull特征提取和 nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull 分类模型效果最好 利用该模型进一步分析 在同一天不同类型二分类中 愈合期 null nullnullnull 内任何一天的分 类准确率均能达到 nullnullnull以上 在不同天嫁接成活苗二分类中可达 nullnullnullnullnullnull以上 在不同天嫁接非成活苗二 分类中可达 nullnullnullnullnullnull以上 在不同天不同类型十四分类中可达到 nullnullnullnullnullnull 比未融合嫁接差异信息的 nullnullnullnull null nullnullnull特征提取方法准确率提高了 nullnullnullnullnull 比只预处理未特征提取方法提高了 nullnullnullnullnull 结果表明 所提出的 方法不仅能实现同一天不同类型二分类 还能实现不同天同一类型的二分类 不同天不同类型的多分类 在 实际应用中 可将分类时间点提前到嫁接后第 null天 肉眼观察第 null nullnull 天 机器视觉技术第 null nullnull 天 同时第 null天均是嫁接成活苗和非成活苗的差异突变天数 嫁接成活苗状态可分为弱 中 强三个阶段 非成活苗状 态可分为弱 更弱两个阶段 该结论能为甜瓜嫁接苗生产提供有效指导 具有一定的理论和实践价值 关键词 null 高光谱成像 甜瓜嫁接 光谱预处理 特征提取 分类识别模型 中图分类号 nullnullnullnull nullnull 文献标识码 null nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull null 收稿日期 nullnullnullnull nullnullnullnullnullnull 修订日期 nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull null 基金项目 国家重点研发计划项目 nullnullnullnullnullnullnullnullnull 国家自然科学基金项目 nullnullnullnull 华中农业大学 null 中国农业科学院深圳基因组研究 所合作基金项目 nullnullnullnullnullnullnullnullnull 资助 null 作者简介 杨杰锴 nullnullnullnull年生 武汉理工大学信息工程学院硕士研究生 nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull null 通讯作者 nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull 引 null 言 nullnull 甜瓜是重要的园艺作物 生产上由于连作导致的土传病 害严重 影响了甜瓜的果实产量和品质 嫁接不仅可以提高 甜瓜抗土传病害能力 在产量提升方面也有积极作用 甜瓜 嫁接栽培已经在生产上得到大面积应用 null 嫁接愈合是嫁接 苗生产的重要阶段 愈合阶段种苗质量的评价有利于进行环 境的优化管理 然而 目前对于嫁接苗愈合状态的判断主要 凭肉眼观察接穗真叶是否出现和破坏性取样测定 不仅耗时 耗力 还会错过愈合补救的最佳时机 null 因此亟需研究出快 速判别嫁接苗实际愈合状态的无损方法 提高甜瓜嫁接苗生 产愈合阶段的智慧化管理水平和种苗质量 如何实现高效 精准的嫁接苗愈合状态分类成为人们关 注的问题 尤其是嫁接后的 null nullnullnull 是嫁接苗愈合的关键时 间 关系着嫁接苗的愈合质量 null 前人利用机器视觉技术虽 能有效弥补人为误差上的缺陷 但仅能从图像层面对嫁接苗 愈合状态进行区分 当愈合状态近似时识别准确率将有所下 降 null 近年来 基于图像和光谱的分类检测逐渐兴起 高光 谱成像 nullnullnull 技术结合了机器视觉 空间信息 和连续光谱 光谱信息 的优势 具有快速 准确 分类精度高等特点 能在图像分析的基础上 通过光谱分析进一步探寻深层信 息 被广泛应用于分类检测 null 目前基于 nullnullnull的瓜类分类检 测多用于研究病虫害感染情况 暂无针对嫁接愈合状态研 究 本工作通过对以南瓜为砧木 甜瓜为接穗的嫁接成活苗 和非成活苗在愈合期 null nullnullnull 内连续采集高光谱图像 在最佳 预处理方法 nullnullnull nullnullnullnullnullnull 上 提出一种融合嫁接差异信息的 特征提取算法 nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull 通过构建 nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull模 型 实现对甜瓜嫁接苗愈合期 null nullnullnull 内嫁接状态的早期无损 检测 nullnull 实验部分 nullnullnullnull实验设计 选用下胚轴粗度一致 子叶完全展开的南瓜砧木与甜瓜 接穗苗 材料培养在华中农业大学园艺林学学院园艺植物生 物学教育部重点实验室进行 采用贴接法嫁接 null 设置嫁接 成活和非成活两个处理 嫁接成活处理按照常规嫁接方法进 行 对于非成活处理 将接穗切口与砧木切口未完全贴合 中间留有空隙 甜瓜嫁接苗共计 nullnullnull株 嫁接成活和未成活处理各 nullnullnull 株 嫁接完成后迅速置于透明塑料盖中 再放入专用嫁接愈 合室中进行培养 嫁接后愈合期间环境管理为第 null nullnull 天白 天温度 nullnullnull 夜间温度 nullnullnull 第 null nullnull 天白天温度 nullnullnull 夜间温度 nullnullnull 空气湿度第 null nullnull 天 nullnullnull 第 null nullnull 天 nullnullnull 光照强度第 null nullnull 天为 nullnull null nullnullnull null nullnull null nullnull 第 nullnullnull天为 nullnullnull null nullnullnull null nullnull null nullnull 从嫁接后第 null天开始每天定时打开塑 料盖子进行通风 避免湿度过高引起病害 nullnullnullnull高光谱图像采集 采用比利时 nullnullnullnull公司制造的便携式高光谱成像仪 工 作波段 nullnullnull nullnullnullnullnullnull 光谱波段数 nullnullnull个 拍摄范围最大分 辨率 nullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull 像素 光照由一个 nullnullnullnull的卤素光纤线光 源提供 拍摄时 根据嫁接苗大小 选择 null nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull 的像 素分辨率 让实时画面获得充分的曝光 为了避免环境光的 干扰 整个系统放置在一个黑色的光照箱内 此外 一台电 脑 nullnullnullnullnull null nullnullnullnull nullnull nullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull 配有 nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull软件用来获取高光谱数据 高光谱图像采集时 先进行校正 调焦 再将白板放置在镜 头下方 使白板充满整个画面 直接扫描白板 最后将甜瓜 嫁接苗放在镜头正下方直接扫描 如图 null所示 图 null null 高光谱图像采集 nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnull总体实验方案 二分类样本和十四分类样本均按照训练集 null测试集 null nullnullnull进行划分 并通过测试集的分类精确率 null作为模型评价 指标 分类精确率计算为 nullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull null 图 null null 总体研究方案 nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnull 第 null期 nullnullnullnullnull nullnull nullnullnullnull 杨杰锴等 高光谱成像的甜瓜嫁接愈合状态早期分类检测 式 null 中 null nullnullnullnull 为检测正确嫁接成活苗和非成活苗样本数 nullnullnullnullnullnull为实际输入样本数 实验方案由三部分组成 nullnullnull预处理 特征波段选取和 分类模型建模分析 实验中需要验证不同预处理方法 不同 特征提取方法 不同组合类型的 nullnullnull 分类模型对甜瓜嫁接 状态早期分类检测的影响 总体研究方案如图 null所示 nullnull 结果与讨论 nullnullnullnullnullnullnull预处理 利用配套 nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull 采集软件对采集的甜瓜嫁接苗 nullnullnull数据进行黑白标定去噪 因甜瓜嫁接愈合期内的主要变 化来自于新长出的真叶区域变化 故选择真叶区域作为感兴 趣区域 由图 null null 和 null 可知 感兴趣区域的光谱曲线 红色 曲线 和背景区域的光谱曲线 绿色曲线 在 nullnullnull nullnullnullnullnullnull 范 围内存在明显差异 用 nullnullnullnull软件手动圈出感兴趣区域后设 置二进制掩码 感兴趣区域内每个像素为 null 背景区域为 null 如图 null null 所示 根据掩码图像中感兴趣区域和背景区域不一致 将感兴 趣区域对应的高光谱图像区域切割成 nullnullnullnullnull的块 并返回 每个块的平均光谱再叠加 就可切分得到每一天的所有样本 光谱值 称为原始全波段光谱数据 另一方面 为了消除光 谱数据的无关信息 提高数据和模型的鲁棒性和准确率 选 择常见的光谱预处理方法 如 nullnull平滑 一阶导数 nullnull 二 阶导数 nullnull 标准正态变换 nullnullnull 多元散射校正 nullnullnull 等 null 与无预处理的原始光谱进行比较对比 选取最优的预 处理方法 图 null null 分割示意图 null 感兴趣区域和背景区域分割 null 感兴趣区域和背景区域光谱曲线 null 掩码 nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull null nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull null nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull null nullnullnullnull nullnull 基于不同预处理分别对愈合期 null nullnullnull 内的甜瓜嫁接成 活苗和非成活苗样本按照训练集 null测试集 nullnullnullnull的划分原 则构建 nullnullnull模型 选择 nullnullnull为核函数 nullnull为寻优方式 结 果如表 null所示 因为 nullnullnull预处理后能减少基线漂移及光散 射引起的光谱冗余数据 使光谱更集中 同时 nullnull平滑可有 效去除背景噪声 而 nullnull预处理可明显反映出波峰与波谷 显示有效光谱 故将三者结合的 nullnullnull nullnullnullnullnullnull 效果最好 在 甜瓜嫁接愈合期 null nullnull 天内的分类准确率均能达到 nullnullnull以 上 从而将甜瓜嫁接愈合状态的早期分类检测时间提前到嫁 接后第 null天 肉眼观察第 null nullnull 天 null 机器视觉技术第 nullnullnull 天 null 表 null null 基于不同预处理构建 nullnullnull的同一天嫁接成活苗和非成活苗二分类结果 nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull null nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull null nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull 天数 null null 无 nullnull null nullnullnull nullnullnull nullnullnullnull nullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnull 本方法还可对不同天嫁接成活苗或非成活苗的二分类进 行研究 选择 nullnullnull nullnullnullnullnullnull 预处理方法 根据多组数据组合 实验 取每组实验结果平均值作为该组结果 筛选部分标志 结果如表 null所示 对表中标号进行说明 令变量 nullnull null 由 nullnull nullnullnullnull 光谱学与光谱分析 nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull 第 nullnull卷 null null null null nullnull nullnull null null null null null null nullnull nullnull null null null null nullnull nullnull null null null null null null null null null null null表示 null 数字代表天 null若变量 nullnull null 只有一个字母 null则表示在所选字母 集合范围内任选两天进行二分类 null若表示为 null nullnull null则从 null集 合中任选一天 nullnull集合中任选一天进行二分类 null其余同理 null 结果如表 null所示 null在愈合期内甜瓜嫁接成活苗在第 null nullnull 天 nullnull nullnull 天和 null nullnull 天二分类准确率有明显差异 null其中第 null null null天的准确率偏低 null nullnullnullnullnullnull nullnull说明愈合初期甜瓜嫁接愈合部 伤口还未修复 null其愈合速度较为缓慢 null第 null nullnull 天准确率有了 明显上升 nullnullnullnullnullnullnullnullnull说明愈合中期甜瓜嫁接愈合部伤口已 经逐渐修复 null呈正常愈合状态 null第 null nullnull 天的准确率进一步提 升达到 nullnullnullnullnullnullnull说明愈合后期甜瓜嫁接愈合部伤口已经快 速修复 null呈快速愈合状态 null因此可认为甜瓜嫁接成活苗在愈 合期 null nullnullnull 内愈合状态可分成弱 null中 null强三个阶段 null第 null天 是明显差异时间 null 在愈合期内甜瓜嫁接非成活苗在不同天的分类准确率均 能达到 nullnullnull以上 null其中第 null nullnull 天的准确率相较于第 null天后 偏低 null说明在愈合初期 null非正常嫁接虽有影响 null但程度不是 很大 null而第 null天后任选两天或第 null nullnull 天中选一天 null第 null天后 选一天准确率均为 nullnullnullnullnull以上 null说明非正常嫁接加速了变坏 的过程 null成为影响二分类结果的直接因素 null因此可以认为甜 瓜嫁接非成活苗在愈合期 null nullnullnull 内愈合状态可分为弱 null更 弱两个阶段 null第 null天是明显差异时间 null 表 null null 基于 nullnullnull nullnullnullnullnullnull 预处理构建 nullnullnull的不同天嫁接成活苗 非成活苗二分类结果 nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull null nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull 类型 null null null nullnull nullnull nullnull nullnull nullnullnullnull nullnullnullnull nullnullnullnull nullnullnull 嫁接成活苗 nullnullnullnullnull null nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnull null nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnull null 嫁接非成活苗 nullnullnullnullnull null null nullnullnullnullnull null null null nullnullnullnullnull nullnullnullnull特征波段提取 nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull算法 以愈合期 null nullnullnull 内甜瓜嫁接成活苗和非成活苗十四分 类的特征波段提取为例 null由于 nullnullnullnull算法易将反射率波动差 异作为权重较大的变量提取为特征波段 null故使用 nullnullnull算法对 nullnullnullnull特征提取后的特征波段进行二次筛选 null查找含有冗余信 息最少的变量组 nullnullnull null图 null null null null中采用 nullnullnullnull算法筛选的波段数 在 nullnullnull nullnullnullnullnullnull 范围内较为密集 null其中 nullnullnull nullnullnullnull 和 nullnullnull nullnullnullnull nullnull处更为集中 null经过 nullnullnullnull筛选后可得到 nullnull个特征波段 null 使用 nullnullnull算法对 nullnullnullnull特征波段进行降维再提取 null如 图 nullnullnullnull所示 null筛选的特征波段数从 nullnull降到 nullnullnull特征波段普 遍位于 nullnullnull nullnullnullnull 和 nullnullnull nullnullnullnullnullnull null nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull算法 nullnullnullnullnullnullnullnull算法虽能进一步简化筛选 nullnullnullnull算法提取 的特征波段 null但由于 nullnullnullnull算法的随机性 null还是容易将反射 率波动差异作为权重较大的波段提取为特征波段 null文献 nullnullnull 通过包络线去除法提取棉花冠层的光谱差异波段 null构建估算 棉花冠层叶绿素含量的 nullnull神经网络模型 null结果发现 null去包 络后冠层反射率和叶绿素含量相关性在 nullnullnull nullnullnullnullnullnull 波段范 围内提高了 nullnullnullnullnullnull文献 nullnullnullnull通过包络线去除法对中国西南 丘陵地区的遥感影像阴影信息进行校正重建 null结果发现 null去 包络后有 阴 影 的 丘 陵 地 区 遥 感 影 像 自 动 分 类 精 度 提 高 了 nullnullnullnullnullnull null因此 null借鉴光谱差异分析思想 null提出 nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnull算法特征提取 null即在预处理后先进行嫁接差异信息的筛 选 null然后通过包络线去除法确定光谱吸收曲线 null再在光谱差 异波段的基础上进行 nullnullnullnull nullnullnullnull 算法特征提取 null使 nullnullnullnull null nullnullnull算法融合嫁接差异信息 null nullnull 在愈合期 null nullnullnull 内 null嫁接成活苗愈合状态呈现弱 null中 null 强三个阶段 null非成活苗愈合状态呈现弱 null更弱两个阶段 null因 此第 null天的嫁接成活苗和非成活苗平均光谱曲线差异最大 null 图 null nullnullnullnullnullnullnullnullnull 算法 null null nullnull nullnullnullnull算法提取的特征波段位置 null null null nullnull nullnullnullnullnullnullnullnull算法提取的特征波段位置 nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull null null nullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull null null null nullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnull 第 null期 nullnullnullnullnull nullnull nullnullnullnull 杨杰锴等 null高光谱成像的甜瓜嫁接愈合状态早期分类检测 图 null null 嫁接差异信息选择 null 第 null天嫁接成活苗和非成活苗的平均光谱曲线及包络线 null 第 null天嫁接成活苗和非成活苗的平均光谱吸收曲线 null nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull算法提取的特征波段位置 nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull