基于可見(jiàn)近紅外技術(shù)的棉花、地膜快速識(shí)別研究

1. 可見(jiàn)、近紅外設(shè)備介紹

高光譜圖像數(shù)據(jù)采集采用江蘇雙利合譜科技有限公司的 GaiaSorter雙系統(tǒng)高光譜分選儀系統(tǒng)（V10E、N25E-SWIR）。該系統(tǒng)主要由高光譜成像儀、面陣列相機(jī)、鹵素?zé)艄庠?、暗箱、?jì)算機(jī)組成，如圖1。實(shí)驗(yàn)儀器參數(shù)設(shè)置如表1。

圖1  GaiaSorter雙系統(tǒng)高光譜分選儀

表1   GaiaSorter 雙系統(tǒng)高光譜分選儀系統(tǒng)參數(shù)

在進(jìn)行高光譜圖像采集時(shí)，需要設(shè)置相機(jī)曝光時(shí)間，平臺(tái)移動(dòng)速度以及物鏡之間的距離。這 3 個(gè)參數(shù)相互影響，圖像調(diào)節(jié)的目的是使采集的圖像大小合適，清晰，不變形失真。經(jīng)過(guò)反復(fù)嘗試，物鏡高度設(shè)置為 31 cm，曝光時(shí)間設(shè)置為10ms，平臺(tái)移動(dòng)速度分別設(shè)置為 6.0 mm/s（400-1000 nm）、16mm/s（1000-2500 nm）。圖像采集軟件采用江蘇雙利合譜科技有限公司提供的高光譜成像系統(tǒng)采集軟件完成。圖像處理采用 ENVI5.3 軟件進(jìn)行處理。在進(jìn)行圖像處理之前，先要對(duì)采集的光譜圖像進(jìn)行圖像校正，圖像校正公式如下：

              (1)

式中，Rref 是校正過(guò)的圖像，DNraw 是原始圖像，DNwhite為白板校正圖像，DNdark 是黑板校正圖像。

2.  實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)

高光譜成像設(shè)備采集的實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)為棉花以及棉花中的各種地膜和異纖。實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖菫榱藢⒒煸诿藁ㄖ械母鞣N地膜和異纖識(shí)別出來(lái)，提高棉花的品質(zhì)。

圖2  需要高光譜設(shè)備采集的實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)

3.  實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.1  可見(jiàn)、近紅外技術(shù)識(shí)別棉花及地膜

圖3為棉花與各種不同地膜在400-1000nm波長(zhǎng)范圍內(nèi)的光譜反射率曲線，從其反射率曲線來(lái)看，棉花的光譜反射率最高，其他依次是異纖、地膜2、地膜4、地膜1或地膜3。棉花的光譜反射率與地膜1、地膜2、地膜4和異纖的光譜反射率變化趨勢(shì)相似，地膜3在400-550nm之間與棉花的光譜反射率相差較大。因此在光譜判別的過(guò)程中，棉花可能會(huì)存在錯(cuò)分為地膜1、地膜2、地膜4以及異纖的可能。圖3下圖為利用400-1000nm光譜范圍對(duì)棉花、地膜和異纖的分類(lèi)研究，從分類(lèi)結(jié)果來(lái)看，邊緣部分棉花被錯(cuò)分為地膜1，中間部分棉花有一些被錯(cuò)分為異纖，而地膜2、地膜3和地膜4有較好的區(qū)分度。

圖 3 棉花與各種地膜在400-1000nm的光譜及分類(lèi)

光譜角度匹配(SAM)又稱(chēng)光譜角度填圖法,即以實(shí)驗(yàn)室測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)光譜或從圖像上提取的已知點(diǎn)的平均光譜為參考,求算圖像中每個(gè)像元矢量(將像元n個(gè)波段的光譜響應(yīng)作為n 維空間的矢量)與參考光譜矢量之間的廣義夾角。本文從圖像中選取已知棉花的光譜建立光譜數(shù)據(jù)庫(kù)，用于快速辨別圖像中的其他棉花，光譜匹配角度越小，則要求棉花之間的光譜差異越小，匹配的越精細(xì)，下圖為根據(jù)不同的光譜匹配角得出的結(jié)論。從圖中可知，光譜匹配角越小，匹配的結(jié)果越準(zhǔn)確，然而會(huì)造成很多本是棉花的像元沒(méi)有匹配上，造成棉花產(chǎn)量的下降；而光譜角越大，則會(huì)造成與棉花光譜相近的非棉花的地膜被判別為棉花，造成棉花品質(zhì)的下降。

圖4 不同光譜匹配角下棉花匹配結(jié)果（依次是0.03、0.05、0.07、0.1、0.15）

3.2  短波紅外技術(shù)識(shí)別棉花及地膜

     圖5為棉花以及地膜在短波紅外1000-2500nm波長(zhǎng)范圍內(nèi)的光譜反射率曲線，從其反射率曲線來(lái)看，在短波紅外范圍內(nèi)，棉花的光譜反射率曲線高于地膜及異纖的光譜反射曲線；從光譜曲線變化趨勢(shì)來(lái)看，除了異纖的光譜反射曲線變化趨勢(shì)與棉花的光譜反射曲線相似外，其他地膜的光譜反射曲線與棉花的光譜反射曲線相差較大；地膜2、地膜3和地膜4在1700nm和2300nm附近有較為明顯的吸收峰，而棉花則沒(méi)有，因此可以除了根據(jù)反射率值的高低區(qū)分棉花和地膜外，也可以根據(jù)這兩個(gè)吸收峰來(lái)辨別棉花和地膜；地膜1在短波紅外范圍內(nèi)，其反射率值無(wú)顯著變化，基本上是一條很水平的直線。圖5下為利用1000-2500nm光譜范圍對(duì)棉花、地膜以及異纖的分類(lèi)研究，從分類(lèi)結(jié)果來(lái)看，不同的地膜之間有很好的區(qū)分度，能較好地區(qū)分出不同的地膜，棉花的辨別除了少量異常點(diǎn)以及邊緣的棉花可能受背景因素的干擾被錯(cuò)分為異纖外大部分棉花可以正常判別，達(dá)到了較為理想的判別效果，而異纖則不存在被錯(cuò)分為棉花。

圖5棉花及地膜在1000-2500nm的光譜及分類(lèi)

同樣，我們運(yùn)用光譜角匹配算法對(duì)圖像、的棉花快速判別，下圖為不同光譜匹配角下棉花的判別效果圖（從左到右匹配角分別是0.04、0.08、0.1）。從判別效果來(lái)看，在匹配角為0.04的情況下存在少量的異纖被錯(cuò)分為棉花，但很多棉花卻沒(méi)有被判別出來(lái)；在匹配角是0.08和0.1的情況下，雖然大部分棉花被識(shí)別出來(lái)，但是更多的異纖則被錯(cuò)誤的判為棉花。另外利用光譜角匹配算法判別棉花，四種不同的地膜沒(méi)有被判別為棉花，這是因?yàn)檫@四種地膜在短波紅外范圍內(nèi)，其光譜曲線變化趨勢(shì)與棉花不同，但異纖的光譜曲線變化趨勢(shì)與棉花相近，由此可見(jiàn)光譜匹配角比較適合于不同種類(lèi)的目標(biāo)物的判別，則光譜曲線變化趨勢(shì)不能一致。

圖6  不同光譜匹配角下棉花匹配結(jié)果（依次是0.04、0.08、0.1）