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高光谱图像蔬菜和农药点光谱特性分析

高光谱图像蔬菜和农药点光谱特性分析



引言

当前,蔬菜中含有农药残留的可能性越来越大,而相对成熟的农药残留检测技术如气相色谱法等存在费时费力,破坏性大等明显缺点,因此,急需一种快速无损的蔬菜农药残留检测技术。高光谱成像技术能够区分地物光谱的微小差别,已有研究人员将其应用于食品安全监测领域,并且取得了一定的研究成果,在蔬菜农药残留检测方面具有较大的潜力。

异常检测是高光谱遥感最常见的应用之一,已经在军事目标识别、伪装目标区分等方面取得了较好的成果。鉴于异常检测在高光谱遥感领域目标识别中的有效性,本文将其应用于高光谱图像,试图探究其检测蔬菜叶片上的农药点的可行性。

在本文中,我们首先搭建了一个高光谱成像平台,获取了包含农药点的菠菜叶片的高光谱图像数据,对菠菜叶片的光谱特性和不同形态表现的农药点的光谱特性进行了分析,确定了农药点光谱的特征波长。


一、蔬菜农药点检测的高光谱数据采集

1.1 蔬菜农业点检测的高光谱成像系统

面向蔬菜农药点检测的高光谱成像系统由软件和硬件两部分组成。软件部分主要是处理高光谱数据的软件,常见的有ENVI、MATLAB等。硬件部分一般包括光源、分光器、相机、图像采集系统和计算机等。根据成像方式的不同,目前在硬件设备搭建方面主要有两种类型:一种是使用推扫成像方式实现,另一种是利用液晶可调滤光片加数码相机拍照实现。

推扫成像方式中硬件设备主要包括光源、推扫的高光谱成像系统、镜头、传送装置和计算机等。光源一般采用卤素灯或者LED灯,能够产生可见光到红外光的连续光。推扫的高光谱成像系统用来记录物体一个扫描线上的多个波段的入射光辐射能量,通常由前端的光谱仪和后端的光电传感器两部分组成。镜头用来调整光的范围。传送装置用来输送样品,并实现在空间维度的扫描。计算机则用来存储三维高光谱“立方体”数据,并实现数据的实时处理。图1是该类设备的典型案例的示意图。


图 1  推扫型高光谱成像系统结构原理图


基于液晶可调滤光片(Liquid Crystal Tunable Filter, LCTF)实现的高光谱成像系统,不使用传送带,而是相机与样品相对固定,利用LCTF和数码相机,直接对样品进行拍照,通过连续采集一系列波长下的二维图像,得到三维高光谱数据,其结构原理如图2。该类系统其他构成部件还包括光源、相机、计算机等。在文献中,研究人员还利用这样思路构建了一个手持式的高光谱成像设备,实现对食品工厂食品设备的探测。

图 2  基于液晶可调滤光片型高光谱成像系统示意图

1.2 高光谱图像获取

获取含有农药点的蔬菜高光谱图像数据,首先需要确定蔬菜的种类和农药点的类型。

菠菜是一种一年生或二年生的草本植物,富含维生素A、C 及矿物质,尤其是维生素A、C 和铁的含量是所有蔬菜中最高的,对于胃肠障碍、痛风、神经类疾病、便秘、皮肤病和贫血有特殊食疗效果,营养价值丰富。随着生长环境的恶化,菠菜的病虫害也越来越严重,绝大多数菠菜都需要多次喷洒农药后才能成熟上市,因此,一般菠菜叶上都含有农药残留。考虑到菠菜春、秋、冬三季均可生长,获取相对容易,我们选择了菠菜作为研究样品。

毒死蜱,又名氯吡硫磷、氯蜱硫磷,,化学名称为O,O-二乙基-O-(3,5,6-三氯-2-吡啶基)硫代磷酸,为白色结晶,是一种有机磷农药,对蔬菜、果树、小麦中的多种咀嚼式和刺吸式口器害虫防治效果较好,易与土壤中的有机质结合,对土壤中的害虫有特效。有机磷农药在人体内易与胆碱酯酶发生化学反应产生磷酰化胆碱酯酶,从而使胆碱酯酶丧失分解乙酰胆碱的作用,引发毒蕈碱样等神经类疾病。鉴于毒死蜱对较多害虫具有较好的防治效果及对人体有较大的危害,我们在实验中选择毒死蜱作为研究对象。

为了获取含有农药的蔬菜高光谱图像,我们搭建了一个简易的获取高光谱图像数据的实验平台,主要的实验设备及材料如下:

高光谱成像仪:iSpecField-NIR/WNIR 便携式地物光谱仪。

样品:就近市场购买的新鲜菠菜,有效成分为45%的毒死蜱农药。

光源:两盏功率为90W 的白炽灯,一盏功率为90W 的荧光灯。由于我们所搭建的实验平台比较简易,而专业的光源获取又相对困难,荧光灯在可见光波段的辐射能量较强,白炽灯在近红外波段的辐射能量较强,这两种类型的光源比较容易获取,因此,我们在实验中选用的光源为白炽灯和荧光灯。

将便携式地物高光谱仪安装在仪器自配的三角架上,将滴有10 至16 滴未经稀疏的毒死蜱农药的新鲜菠菜叶经风干处理后,放置在事先铺好的黑布上,菠菜叶旁边放置相对反射率接近99%标准反射白板(由聚四氟乙烯制成),光谱仪正对菠菜叶和白板拍摄。两盏白炽灯分别旋转在黑布的左右两边斜对样品进行照射,一盏荧光灯放置在高光谱仪的对面斜对样品进行照射。


图 3 菠菜叶上滴农药

二、蔬菜和农药光谱特性分析

2.1 实验数据选择

在实验获取的每幅图像上,利用ENVI 4.7 软件人工选取一块合适大小的感兴趣区域(ROI),其选择过程如图4所示。左边是反射率接近99%的标准漫反射白板,右边是滴有毒死蜱的菠菜叶,其他部分是全黑的黑布。

图4 人工选择ROI 区域示意图

实验中,我们用Matlab 2014a 版本软件读取高光谱图像数据,发现农药点在高光谱图像数据中的表现有3种形式,分别是全亮点、全暗点和部分亮部分暗点,如图5所示,红框显示的是全亮农药点,黄框显示的是全暗农药点,绿框显示的是部分亮部分暗农药点。农药点之所以会显示出这3 种形态,是因为毒死蜱农药是一种乳油状的农药,风干后,滴有农药的地方会在菠菜叶片上留下一个很小的油膜,而实验过程中使用了3盏灯,分别放置在蔬菜样品的不同方位上,这样位于样品正上方的高光谱仪镜头接收到的油膜反射的三盏灯的光照强度也不一样,根据高光谱仪镜头接收到的光的多少,就分别形成全亮、全暗和部分亮部分暗三种农药点。虽然有3种状态类型的农药,但是总结起来就是两类,亮农药点和暗农药点。

图5 三种不同形态表现的农药点

三、相对反射率的计算

为了提高样品光谱的稳定性,更好的分析不同表现形态农药点的光谱特性,我们挑选了亮、暗高光谱农药点图像各25幅进行数据分析,对每类农药点取平均光谱作为该类农药点的光谱;取50幅高光谱菠菜图像的菠菜叶背景的平均光谱作为菠菜叶光谱。图6显示的是亮、暗农药点和菠菜叶的平均DN曲线。红色线表示亮农药点的光谱DN曲线,绿色线表示暗农药点的光谱DN曲线,蓝色线表示菠菜叶的光谱DN曲线。由图可知样品的原始光谱DN 值曲线在406.1nm、518.5nm和583.1nm处具有非常明显的反射峰,需要说明的是这3个反射峰并不是样品的光谱特性,而是因为实验中所使用的光源中有一盏是荧光灯,荧光灯在上述3个波长处的辐射强度非常强,造成样品的原始光谱DN值曲线在这3个波长处有特别明显的反射峰。除了这3个反射峰,样品的原始光谱DN值曲线仍然有明显的大小差异和波动,说明样品的光谱受到入射光强度的影响和噪声的影响很大。在此我们采用公式(2.1)对样品的原始光谱进行反射率计算,以减少入射光强度变化对样本的影响。

式(2.1)中, R 表示样品的相对反射率, S I 表示样品的原始DN 值, DI表示系统的暗电流强度, WI表示标准反射白板的DN 值。

在数据处理中,可以把黑布的DN 值看成是系统的暗电流,这样我们就得到了样品的相对反射率曲线,如图2.9 所示。红线表示亮农药点的相对反射率曲线,绿线表示暗农药点的光谱相对反射率曲线,蓝线表示菠菜叶的相对反射率曲线。

对样品的反射率进行较正后,光谱曲线的波动明显减少。400nm 之前和940nm 之后的光谱数据受噪声干扰严重,在实际数据处理中,将这两段数据剔除,这样,用数据为400-940nm 合计226 个波段。

图6 菠菜叶和毒死蜱农药的原始DN 值曲线图

剔除噪声较大的波段后,光谱相对反射率曲线仍然受到明显的噪声干扰,表现为相对反射率曲线起伏比较明显,曲线不够平滑,仍需对光谱数据进行预处理以降低噪声。


、Savitzky-Golay(SG)滤波处理

目前,常见的光谱图像数据预处理技术包括标准化(normalization)、平滑滤波(smoothing)、微分技术(derivative)、多元散射校正(MSC)、标准正态变量变换(SNV)、小波变换(WT)等,但是除平滑滤波外,大部分预处理方法都会改变光谱的形状或者光谱的位置,不利于进行光谱分析。

为了尽可能多的保持光谱曲线的原始特征,更好的进行光谱特性分析,我们采用对光谱原始信息保留较好的平滑滤波方法对光谱曲线进行降噪处理。平滑滤波法中比较常见的有滑动平均滤波法、Savitzky-Golay(SG)滤波法等方法。


图7 菠菜叶和毒死蜱农药的相对反射率曲线图

滑动平均滤波法是一种最简单的滤波方式,其表达式为


式(2.2)中,m 为滤波带宽,2m+1 为滑动窗口大小。在实际操作中,应慎重选择参数m,m 过小,则滤波效果不明显,m 过大,否则会造成信号失真。

SG 滤波法是一种基于多项式拟合的平滑方法,又称多项式平滑,波长k 处光谱数值经平滑后的平均值为:


式(2.3)中, hi为平滑系数, H 为归一化系数,每一测量的光谱数值乘以平滑系数 是为了尽量减少平滑对有用信息的影响。SG 滤波法在时域内利用最小二乘原理实现最佳拟合,在滤除噪声的同时,还保持信号的形状、宽度不变,在实际操作中应用广泛。

SG 滤波法与滑动平均滤波法的基本思想相似,只是SG 滤波法是通过多项式来对滑动窗口内的数据进行多项式最小二乘拟合,而不是简单的平均,SG 滤波实质上是一种加权平均法,更强调中心点的中心作用。在实际操作中,经过多次比较,我们选择9 点SG 滤波方法对光谱曲线进行降噪处理,其处理结果如图8所示。

图8 经SG平滑处理的菠菜叶和毒死蜱农药的光谱曲线图

对比图7和图8可知,经过SG滤波处理后,菠菜叶和毒死蜱农药的光谱曲线得到明显光滑,并且保持了原始光谱曲线的形状,这说明SG滤波处理去掉了很大一部分噪声,有利于下步进行光谱特性分析。


五、农药点与叶片背景的光谱分析

由图8可以看出,菠菜叶片的光谱特性是典型的植被光谱特性。在可见光波段内,叶绿素、叶黄素等色素是影响菠菜叶片光谱响应的主要因素,尤其是叶绿素。在中心波长分别为450nm的蓝光波段和650nm的红光波段,叶绿素吸收大部分入射能量,而位于这两个叶绿素吸收带之间,由于吸收作用较小,在520nm的绿光波段附近形成了一个反射峰,因此,新鲜的菠菜叶看起来是绿色的。在可见光与近红外波段之间,大约在680nm附近,反射率急剧上升,形成“红边”效应,这也是植被曲线最明显的特征。

由于亮农药点的光谱受光照条件影响太大,不能代表农药的光谱曲线,而暗农药点的光谱则受光照条件的影响相对较小,可以代表农药的光谱曲线。毒死蜱农药的有效成分为45%,滴在菠菜叶片上的毒死蜱农药光谱曲线表现为菠菜叶和农药的混合光谱,其光谱曲线形状与菠菜叶的光谱曲线形状类似,但是与菠菜叶片的光谱曲线相比,仍然有一些明显的区别。整体而言,毒死蜱农药的相对反射率比菠菜叶的低,尤其是在520nm和700-900nm之间,这种表现更为明显。而在660-680nm之间,两者的相对反射率最为接近。在520nm处,菠菜叶有一个比较明显的反射峰,而毒死蜱农药在此处的峰却相对平缓。在884.3nm和920.2nm处,毒死蜱农药各有一个小的吸收峰,菠菜叶在相应位置没有吸收峰。在571.1nm和870nm处,毒死蜱农药各有一个小的反射峰,菠菜叶则没有。

根据亮、暗农药点的光谱特性及它们与菠菜叶的光谱特性的区别,可以分别提取亮、暗农药点的特征波长。如图6所示,亮农药点的特征波长为408.5nm、418.1nm、449.1nm、461.1nm、475.5nm、518.5nm、540nm、554.4nm、573.5nm、583.1nm、597.4nm和831.7nm,共12个特征波长,暗农药点的特征波长为408.5nm、468.3nm、520.9nm、571.1nm、607nm、645.2nm、726.5nm、740.9nm、810.2nm、870nm、884.3nm和920.2nm,共12个特征波长。特征波长的提取为下步进行异常检测提供了数据支撑。

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