基於可見近紅外技術的棉花、地膜快速識別研究

1. 可見、近紅外設備介紹

高光譜圖像數據采集采用江蘇雙利合譜科技有限公司的 GaiaSorter雙係統高光譜分選儀係統（V10E
、N25E-SWIR）。該係統主要由高光譜成像儀、麵陣列相機、鹵素燈光源、暗箱、計算機組成，如圖1。實驗儀器參數設置如表1。

圖1  GaiaSorter雙係統高光譜分選儀

表1   GaiaSorter 雙係統高光譜分選儀係統參數

在進行高光譜圖像采集時，需要設置相機曝光時間
，平台移動速度以及物鏡之間的距離。這 3 個參數相互影響
，圖像調節的目的是使采集的圖像大小合適，清晰
，不變形失真。經過反複嚐試
，物鏡高度設置為 31 cm，曝光時間設置為10ms，平台移動速度分別設置為 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係統采集軟件完成。圖像處理采用 ENVI5.3 軟件進行處理。在進行圖像處理之前，先要對采集的光譜圖像進行圖像校正，圖像校正公式如下：

              (1)

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

2.  實驗目標

高(gao)光(guang)譜(pu)成(cheng)像(xiang)設(she)備(bei)采(cai)集(ji)的(de)實(shi)驗(yan)目(mu)標(biao)為(wei)棉(mian)花(hua)以(yi)及(ji)棉(mian)花(hua)中(zhong)的(de)各(ge)種(zhong)地(di)膜(mo)和(he)異(yi)纖(xian)。實(shi)驗(yan)目(mu)的(de)是(shi)為(wei)了(le)將(jiang)混(hun)在(zai)棉(mian)花(hua)中(zhong)的(de)各(ge)種(zhong)地(di)膜(mo)和(he)異(yi)纖(xian)識(shi)別(bie)出(chu)來(lai)，提(ti)高(gao)棉(mian)花(hua)的(de)品(pin)質(zhi)。

圖2  需要高光譜設備采集的實驗目標

3.  實驗結果

3.1  可見、近紅外技術識別棉花及地膜

圖3為棉花與各種不同地膜在400-1000nm波長範圍內的光譜反射率曲線，從其反射率曲線來看，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程中
，棉花可能會存在錯分為地膜1、地膜2、地膜4以及異纖的可能。圖3下圖為利用400-1000nm光譜範圍對棉花、地膜和異纖的分類研究，從分類結果來看，邊緣部分棉花被錯分為地膜1，中間部分棉花有一些被錯分為異纖，而地膜2、地膜3和地膜4有較好的區分度。

圖 3 棉花與各種地膜在400-1000nm的光譜及分類

光譜角度匹配(SAM)又稱光譜角度填圖法,即以實驗室測量的標準光譜或從圖像上提取的已知點的平均光譜為參考,求算圖像中每個像元矢量(將像元n個波段的光譜響應作為n 維空間的矢量)與yu參can考kao光guang譜pu矢shi量liang之zhi間jian的de廣guang義yi夾jia角jiao。本ben文wen從cong圖tu像xiang中zhong選xuan取qu已yi知zhi棉mian花hua的de光guang譜pu建jian立li光guang譜pu數shu據ju庫ku


，用yong於yu快kuai速su辨bian別bie圖tu像xiang中zhong的de其qi他ta棉mian花hua
，光guang譜pu匹pi配pei角jiao度du越yue小xiao，則ze要yao求qiu棉mian花hua之zhi間jian的de光guang譜pu差cha異yi越yue小xiao
，匹pi配pei的de越yue精jing細xi
，下xia圖tu為wei根gen據ju不bu同tong的de光guang譜pu匹pi配pei角jiao得de出chu的de結jie論lun。從cong圖tu中zhong可ke知zhi
，光guang譜pu匹pi配pei角jiao越yue小xiao，匹pi配pei的de結jie果guo越yue準zhun確que，然ran而er會hui造zao成cheng很hen多duo本ben是shi棉mian花hua的de像xiang元yuan沒mei有you匹pi配pei上shang
，造zao成cheng棉mian花hua產chan量liang的de下xia降jiang；而光譜角越大，則會造成與棉花光譜相近的非棉花的地膜被判別為棉花，造成棉花品質的下降。

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

3.2  短波紅外技術識別棉花及地膜

     圖5為棉花以及地膜在短波紅外1000-2500nm波長範圍內的光譜反射率曲線，從其反射率曲線來看，在短波紅外範圍內，棉花的光譜反射率曲線高於地膜及異纖的光譜反射曲線；從(cong)光(guang)譜(pu)曲(qu)線(xian)變(bian)化(hua)趨(qu)勢(shi)來(lai)看(kan)，除(chu)了(le)異(yi)纖(xian)的(de)光(guang)譜(pu)反(fan)射(she)曲(qu)線(xian)變(bian)化(hua)趨(qu)勢(shi)與(yu)棉(mian)花(hua)的(de)光(guang)譜(pu)反(fan)射(she)曲(qu)線(xian)相(xiang)似(si)外(wai)
，其(qi)他(ta)地(di)膜(mo)的(de)光(guang)譜(pu)反(fan)射(she)曲(qu)線(xian)與(yu)棉(mian)花(hua)的(de)光(guang)譜(pu)反(fan)射(she)曲(qu)線(xian)相(xiang)差(cha)較(jiao)大(da)；地膜2、地膜3和地膜4在1700nm和2300nm附fu近jin有you較jiao為wei明ming顯xian的de吸xi收shou峰feng，而er棉mian花hua則ze沒mei有you，因yin此ci可ke以yi除chu了le根gen據ju反fan射she率lv值zhi的de高gao低di區qu分fen棉mian花hua和he地di膜mo外wai，也ye可ke以yi根gen據ju這zhe兩liang個ge吸xi收shou峰feng來lai辨bian別bie棉mian花hua和he地di膜mo；地膜1在短波紅外範圍內，其反射率值無顯著變化，基本上是一條很水平的直線。圖5下為利用1000-2500nm光譜範圍對棉花、dimoyijiyixiandefenleiyanjiu，congfenleijieguolaikan，butongdedimozhijianyouhenhaodequfendu
，nengjiaohaodiqufenchubutongdedimo，mianhuadebianbiechuleshaoliangyichangdianyijibianyuandemianhuakenengshoubeijingyinsudeganraobeicuofenweiyixianwaidabufenmianhuakeyizhengchangpanbie，dadaolejiaoweilixiangdepanbiexiaoguo，eryixianzebucunzaibeicuofenweimianhua。

圖5棉花及地膜在1000-2500nm的光譜及分類

同樣，我們運用光譜角匹配算法對圖像、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）。從判別效果來看，在匹配角為0.04的情況下存在少量的異纖被錯分為棉花，但很多棉花卻沒有被判別出來；在匹配角是0.08和0.1deqingkuangxia，suirandabufenmianhuabeishibiechulai，danshigengduodeyixianzebeicuowudepanweimianhua。lingwailiyongguangpujiaopipeisuanfapanbiemianhua，sizhongbutongdedimomeiyoubeipanbieweimianhua，zheshiyinweizhesizhongdimozaiduanbohongwaifanweinei，qiguangpuquxianbianhuaqushiyumianhuabutong，danyixiandeguangpuquxianbianhuaqushiyumianhuaxiangjin，youcikejianguangpupipeijiaobijiaoshiheyubutongzhongleidemubiaowudepanbie，zeguangpuquxianbianhuaqushibunengyizhi。

圖6  不同光譜匹配角下棉花匹配結果（依次是0.04
、0.08、0.1）