多源圖像融合技術在棉花病蟲害診斷中的應用

摘要：針對棉花作物病蟲害特征，結合光譜技術和計算機技術，研究棉花在不同病蟲害條件下的反射光譜特性及變化規律，以探明其光譜敏感波段和特征表現；基于多傳感信息融合的病蟲害識別診斷方法，以構建棉花病蟲害智能識別系統，為精確棉花病蟲害管理和機械化變量施藥技術提供理論基礎。

關鍵詞：多源圖像；融合技術；棉花；病蟲害；識別診斷

中圖分類號：TP391.43；S435.6 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2013）11-2555-03

隨著城市化進程不斷加快，從事農業勞作的勞動力總數急劇減少，農業生產與加工的逐步自動化是社會發展和進步的需求。特別是對于農作物病蟲害監測從傳統的根據農業部發布的病蟲害監測調查規范進行調查，通過人工調查、人工記錄，到微小昆蟲自動計數技術、昆蟲誘捕自動記錄裝置來對農作物病蟲害進行監測，這些信息收集和數據管理都存在勞動量大、效率低、數據誤差大的問題。隨著計算機技術和傳感器技術的快速發展，圖像融合技術在軍事、氣象、醫學、土地資源管理等方面得到了廣泛的應用，而如何將圖像融合技術應用在農作物病蟲害中是極具有研究價值的課題。

1 棉花病蟲害診斷技術研究意義及發展趨勢

棉花作為主要的經濟作物一直在中國和湖北省農業生產中占有重要地位，但由于品種、栽培制度、生態環境等變化及棉花生長環境日益惡化，病蟲害有不斷加重趨勢。危害棉花的主要病害有炭疽病、黑斑病、枯萎病、黃萎病等，炭疽病在長江流域棉區的發生尤為嚴重，一般苗期發病率為20%～70%，嚴重時可達90%；黑斑病在陰濕多雨年份往往猖獗流行，給棉花生產造成毀滅性災害；而枯萎病在棉區一直發生較多，死苗嚴重，造成的危害主要表現在產量降低，品質變劣方面；自上世紀80年代末枯萎病得到控制后，黃萎病上升為棉花第一病害。目前黃萎病發病面積達到全國棉田面積的50%以上，發病后棉苗減產30%～70%，有的甚至絕產，而且嚴重影響棉花品質。采用先進技術提高棉花病蟲害有效防治及控制已迫在眉睫。

1.1 棉花病蟲害診斷技術的研究意義

在進行植物保護和防治農作物病蟲害的各類方法中，化學防治是投入少、見效快、收效大的有效方法，特別是針對在大生態區域內可能暴發成災的重要病蟲草害，化學防治迄今仍是最快速而有效的方法，一般可以挽回15%～30%的農作物產量損失。使用農藥（各種殺菌劑、除草劑等）進行化學防治在世界各國一直占主導地位，它投入較少，防治迅速，特別是當大面積、暴發性病害發生時，只有化學防治才能取得較好的防治效果。同樣，在棉花病蟲害綜合防治中，化學防治仍然是及時有效地控制病蟲對棉花危害的最后一道把關防治措施。但長期大量使用農藥不僅污染環境，而且這些農藥會通過空氣、水等途徑進入人體，對人類的身體健康構成危害；又由于棉花病蟲害癥狀的復雜性和模糊性，農業生產者受個體素質和人為主觀因素的影響，往往不能正確合理地判斷病情，導致濫用農藥、化肥等引起更大的危害；此外，由于中國正步入老齡化社會，從事農業勞動的人口在減少，由勞動力不足帶來的農業減產問題已日趨嚴重。所以，精確作物病蟲害管理和機械化變量施藥技術的研究和應用勢在必行。為實現精確的棉花病蟲害管理和變量施藥，首先要能夠準確地識別棉花病蟲害種類及其危害程度。傳統的方法主要依靠生產者或專家經驗來判斷病蟲害原因及其危害程度，由于個體素質的差異以及其他因素的影響，往往很難做到對病蟲害做出精確定量分析和判斷，因而容易造成不合理的病蟲害防治，也對生產管理者的農技水平要求較高。一些智能決策支持系統雖然能識別診斷棉花病蟲害，但是過程復雜，不能進行實時處理。隨著信息技術、光譜技術和計算機視覺技術的發展使基于生物信息的作物病蟲害智能識別診斷成為可能。通過多源圖像融合技術快速準確地獲取棉花病蟲害信息，對已發生病蟲害的棉花區域根據病蟲害程度實行定量噴施農藥。這樣既可大量節省農藥，提高效率，降低成本，降低對勞動力的依賴，同時大幅度減輕農藥對農業生態環境的污染，提高棉花病蟲害防治水平。研究多源圖像融合技術對農作物病蟲害診斷具有重要的學術意義和經濟價值。

1.2 棉花病蟲害診斷技術發展趨勢

縱觀近幾年國內對作物病蟲害智能識別診斷的研究，目前對棉花作物病蟲害識別診斷主要集中在以專家系統為代表的智能化信息技術和光譜技術上，應用計算機視覺技術對棉花作物病蟲害識別的研究報道較少[1，2]，而結合光譜技術和計算機視覺技術進行研究的則未見報道。目標的高分辨率和高識別率是對獲取目標信息的基本要求，僅僅利用可見光范圍或在近紅外范圍的計算機視覺技術進行作物病蟲害識別診斷，其單一光譜不足以準確、全面反映作物病蟲害的差異，還需利用其他生物信息對其補充和加強，以達到全面地反映作物病蟲害的差異[3]。

為了實現對低探測性目標的探測和識別，必須大力發展先進的目標探測系統，而由多源傳感器組成的光電成像系統是最為常見的目標探測系統。圖像融合就是利用各種成像傳感器得到的同一目標或同一場景的圖像，綜合這些不同圖像的冗余信息和互補信息，以獲得更為全面準確的圖像描述。為此，針對湖北省主要經濟作物棉花，綜合利用光譜技術、計算機視覺技術及多源信息融合技術，基于多源圖像信息（可見光和近紅外視覺圖像信息）融合棉花病害（炭疽病和黑斑病）識別診斷技術。深入研究作物在不同病蟲害危害下的反射光譜特性及變化規律，確定光譜敏感波段及其特征表現，提取可以有效表征作物不同病蟲害條件、不同危害程度下的計算機視覺圖像的灰度、紋理、形態特征信息和近地光譜特征信息，探索基于多傳感信息融合的病蟲害識別診斷方法，構建病蟲害智能識別系統，為精確作物病蟲害管理和機械化變量施藥技術提供理論基礎。

2 多源圖像融合技術

圖像融合[4]是對多幅源自同一場景的圖像進行綜合，以獲得更好的視覺效果和易于機器識別為目的，產生比單一信息源更為精確、更完善、更可靠的圖像。多源傳感器圖像是由成像機理不同的多種傳感器獲得的圖像。由于每種成像傳感器都是為了適應某些特定的環境和使用范圍而設計的，具有不同成像機理的多種傳感器獲得的圖像之間存在信息的冗余性和互補性，通過對其進行融合，能夠提高系統可靠性和圖像信息的利用率。隨著科學發展和技術進步，采集圖像數據的手段不斷完善，出現了各種新圖像獲取技術。如今圖像融合技術廣泛應用于圖像處理、遙感、計算機視覺以及軍事等領域[5]。利用圖像融合技術可以準確地獲取檢測數據，如在醫學圖像分析中的超聲成像、核磁共振、計算機層析、血液細胞自動分類計數、癌細胞識別等極大地提高了準確率[6，7]；圖像融合技術在遙感雷達衛星的發展后，已成為遙感圖像處理和分析的重要研究熱點，應用于土地資源調查、環境監測、地形測繪等[8]。圖像融合技術應用在農業生產中，目前研究方向主要集中在對農產品的無損檢測和農作物生長態勢及產量評估方面。如采用互信息最佳閾值迭代優化分割法對可見光和近紅外圖像進行融合來對番茄成熟度進行無損檢測研究[9]；通過加權平均融合法對紅外和可見光圖像實現對蘋果進行無損檢測研究[10]；采用蟻群算法的模糊C均值聚類圖像分割算法的圖像融合技術對作物幾何參數進行測量。

多源傳感器圖像融合系統一般有3種類型：像素級融合、特征級融合和決策級融合。

2.1 像素級圖像融合

像素級圖像融合是通過對源圖像進行預處理和空間配準，對處理后的圖像采取適當的算法進行融合，得到融合圖像后再進行顯示和后續處理。簡單的像素級融合方法主要有：像素灰度值平均或加權平均，像素灰度值選大，像素灰度值選小。簡單的像素級融合方法結構簡單、易于實現，但應用范圍有限，融合結果不理想。故現在的融合方法多采用基于對源圖像的多尺度分解。這種分解方法是一種多尺度、多分辨率的圖像融合方法，是在不同尺度、不同空間分辨率、不同分解層上分別進行融合。這種融合方法能明顯改進融合效果[11]。

2.2 特征級圖像融合

特征級圖像融合是從不同的成像傳感器所獲得的同一對象圖像中提取一些特征，產生特征矢量，然后對這些特征矢量進行融合。特征級圖像融合是中間層的圖像融合，精度一般。其融合方法有基于假設前提及統計分析的方法和基于知識的方法。

2.3 決策級圖像融合

決策級圖像融合是最高層次的融合，是首先依據每一個成像傳感器所獲得的同一對象圖像各自進行預處理、特征提取、識別和判決后，做出獨立的決策，然后將這些獨立的決策綜合起來，給出最終決策。決策級圖像融合適合于多類不同傳感器圖像的融合，但融合結果精度較差。其融合方法有多重邏輯推理方法、統計方法、信息論方法等都可用于決策層的圖像融合。

特征級圖像融合和決策級圖像融合方法通常應用于某些特殊場合，像素級圖像融合的應用更普及，融合所得圖像更有利于人眼的判讀、欣賞和機器識別。對于已經配準好的圖像，像素級圖像融合方法不需要顯式地提取圖像特征，在速度和魯棒性上有明顯優勢。為此采取像素級圖像融合方法對農作物病蟲害的可見光和近紅外圖像進行融合處理，使其符合人類視覺特征，融合結果更有利于對圖像作進一步分析、理解和識別。

3 多源圖像融合技術對棉花病蟲害診斷的方法

1）在特定栽培條件下，培育不同棉花病蟲害的試驗樣本及正常的對比樣本。

2）對棉花病蟲害樣品的葉片和冠層進行光譜分析。利用便捷式光譜儀測量葉片和冠層的光譜，尋找棉花病蟲害種類的敏感光譜波段及其反射率特征，分析不同病蟲害種類和病蟲害程度的敏感光譜波段反射率特征的變化規律。

3）根據光譜分析結果，構建多源圖像計算機視覺采集系統，采集棉花作物樣本多光譜圖像，用VC或MATLAB編寫計算機圖像處理軟件對圖像進行處理和特征提取。

4）對所獲取的特征應用模糊特征優選、主成分分析（PCA）和獨立分量分析（ICA）進行優化組合和篩選，通過各種統計方法尋求作物病癥與特征對應關系。建立圖像特征與病種、病蟲害程度的關系模型，利用模式識別方法進行棉花病蟲害種類及程度的模式識別檢測試驗[12]。

4 展望

棉花是中國和湖北省主要的經濟作物，長期以來棉田病蟲害對棉花生產帶來極大危害，因此，對棉花病蟲害防治方法與技術的研究至關重要。對棉花作物病蟲害防治的各種方法中，傳統的方法是依靠人們的經驗確認病蟲害的發生時間、區域、種類和發生程度等，且是進行手工或機械噴灑農藥，這不僅勞動效率低，勞動成本高，而且常規施藥技術會帶來農藥利用率低下、水資源浪費、環境污染、農藥在作物及其產品中的殘留導致對人類的危害等。所以，結合光譜技術和計算機技術開展棉花病蟲害的識別診斷研究具有重要的學術意義和經濟價值。

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