基於成像光譜技術識別罌粟種植區域的可行性試驗研究

基於成像光譜技術識別罌粟種植區域的可行性試驗研究

0 前沿

    tiaozhajieguoxianshi，shijiefanweidedupinfanzuifanlan，chengweizuiyanzhongdeshehuiwenti
，jidadiweihaishehuideandingherenmendejiankang，dajidupinfanzui，xucongdupinzhongzhiyuantouzhuaqi。zhongguominjiancunzaidaliangtoutouzhongzhidefeifayingsuyuan，tamenlingxingdifenbuzaishanqu、林區以及人跡罕至的地方，或隱秘地套種在莊稼地裏

，這給尋找和摧毀罌粟非法種植帶來困難。從2005年開始，國家禁毒辦開展了“天目行動”，利用衛星遙感監測技術檢測毒品種植重點區域，通過飛機航測和“天目-10”衛星遙感結合，使用高科技手段及時發現種毒隱患，從源頭上打擊毒品犯罪活動。

    近年來，一些國家利用以GPS為基礎的影像測繪技術
，來監控罌粟種植的可疑地區，提高罌粟根除行動的準確性

、anquanxingheyouxiaoxing。qifangfashigenjuweixingyingxiangfanyingchulaideguangpuhehuanjingqingjing，duiqianzaideyingsuzhongzhiqujinxingshibie。danshi
，zhiwudeguangpuxinhaofeichangxiangsi，duiguangpujianbienengliyaoqiugao。

    muqian
，duiyufeifazhongzhiyingsudepaizha，jidurenyuancaiyongdefangfajibenweizaiyingsuzhongzhiqihuoshengchangqi，shenrusheduzhongdiancuntundeshantou，linyuandidaijinxingshidijiankong、踏(ta)查(zha)等(deng)方(fang)式(shi)來(lai)檢(jian)查(zha)，人(ren)力(li)和(he)物(wu)力(li)的(de)投(tou)入(ru)極(ji)大(da)。受(shou)益(yi)於(yu)光(guang)譜(pu)成(cheng)像(xiang)技(ji)術(shu)和(he)無(wu)人(ren)機(ji)技(ji)術(shu)在(zai)近(jin)些(xie)年(nian)不(bu)斷(duan)的(de)發(fa)展(zhan)

，通(tong)過(guo)無(wu)人(ren)機(ji)搭(da)載(zai)小(xiao)型(xing)光(guang)譜(pu)成(cheng)像(xiang)儀(yi)來(lai)檢(jian)測(ce)是(shi)否(fou)存(cun)在(zai)非(fei)法(fa)罌(ying)粟(su)種(zhong)植(zhi)地(di)的(de)項(xiang)目(mu)被(bei)提(ti)上(shang)了(le)一(yi)線(xian)技(ji)術(shu)偵(zhen)查(zha)人(ren)員(yuan)的(de)議(yi)程(cheng)。

本實驗利用反射光譜成像技術


，進行檢測是否存在非法罌粟種植地的可行性實驗研究。

1 材料與分析

1.1 試驗樣品製作

采摘罌粟及其周圍環境生長的五種不同植物的葉子若幹，製作樣品。如圖1所示，第一列是罌粟葉子共4片葉子
，第二列是植物1的葉子標記為葉片1，共3片葉子，同樣方法
，第三列是葉片2共4片葉子，第四列是葉片3共4片葉子
，第五列是葉片4共4片葉子，第六列是葉片5共4片葉子。葉片1, 2, 3, 4, 5分別采摘於罌粟周圍環境生長的其他五種植物。葉片用雙麵膠固定在泡沫板上。   

圖1  樣品分布

1.2 試驗方法與數據處理

采用成像高光譜係統GaiaField-V10
，CCD的曝光時間為自動曝光，焦距為自動調焦，掃描速度為自動匹配，增益設置為1
，所拍圖像分別以Raw形式進行保存。

對采集的高光譜數據做黑白校正得到光譜反射率數據（具體方法可關注微信訂閱號遙感技術及應用服務）。打開反射率光譜影像數據，通過多邊形矢量(感興趣區域)如圖2所示。選擇工具分別對不同植物葉片進行采樣，選擇的ROI。

圖2 樣品高光譜RGB重構圖像及ROI

1.3 光譜匹配

    通過多邊形矢量選擇工具分別對不同植物葉片進行采樣

，所選的ROI（感興趣區域）如圖2
，采樣目標包括罌粟葉片
、其他植物葉片
、雙麵膠和泡沫板，將選取的ROI統計分析，保存其均值作為光譜數據庫。

基於保存的光譜數據庫，利用光譜角匹配方法對采集的高光譜影像進行光譜匹配
，匹配的結果以偽彩色顯示，如圖3所示。

圖3  光譜角匹配結果

由圖3可清晰看出由“紅色”標記的“罌粟”植物葉片
，可通過己知的“罌粟”葉片的光譜特征，經由光譜角匹配算法給標記出來，並以紅色的偽彩色顯示。

2  試驗模擬

上述實驗是把罌粟和其他樹葉分開擺放，平鋪在泡沫板上進行光譜成像的，是在己知罌粟及其他植物葉片的光譜特征情況下，通過“光譜分類”的(de)功(gong)能(neng)將(jiang)不(bu)同(tong)植(zhi)物(wu)葉(ye)片(pian)加(jia)以(yi)區(qu)分(fen)
，並(bing)以(yi)不(bu)同(tong)的(de)偽(wei)彩(cai)色(se)顯(xian)示(shi)。但(dan)在(zai)實(shi)際(ji)的(de)場(chang)景(jing)中(zhong)，罌(ying)粟(su)通(tong)常(chang)是(shi)種(zhong)植(zhi)在(zai)雜(za)草(cao)叢(cong)生(sheng)的(de)山(shan)地(di)裏(li)或(huo)套(tao)種(zhong)在(zai)莊(zhuang)稼(jia)地(di)裏(li)。實(shi)際(ji)上(shang)
，我(wo)們(men)難(nan)以(yi)獲(huo)得(de)所(suo)有(you)與(yu)罌(ying)粟(su)生(sheng)長(chang)環(huan)境(jing)相(xiang)同(tong)的(de)所(suo)有(you)植(zhi)物(wu)的(de)光(guang)譜(pu)特(te)征(zheng)，因(yin)而(er)我(wo)們(men)需(xu)要(yao)在(zai)實(shi)驗(yan)室(shi)下(xia)對(dui)真(zhen)實(shi)環(huan)境(jing)進(jin)行(xing)模(mo)擬(ni)實(shi)驗(yan):即罌粟葉片混雜在其他各種不同植物的葉片之中
，如圖4所示。

2.1  提取感興趣目標—罌粟

   在圖4的光譜成像圖像中每個像元並非像圖2的圖像中的像元是“純光譜”，而有可能是“混合光譜”，其混合光譜形成的機理有如下原因：

    (1) 在一個瞬時視場內


，有多種植物成分存在的空間混合；

    (2) 在一個瞬時視場內

，由於植物陰影引起的照度差異；

    (3) 不同像元之間的交叉輻射；

    (4) 儀器本身的混合效應(儀器空間分辯率越低
，意味著一個像元所對應的空間麵積越大，出現光譜混合的幾率就越大)。因此
，需要使用光譜混合分解技術使分析目標罌粟與圖像其它的內容區分開。

圖4罌粟葉片混雜在其他各種不同植物的葉片之中的高光譜RGB重構圖像

2.2  混合象元分解

本研究利用全局控製最小二乘法對圖4的兩景高光譜影像進行解混

，根據解混後的光譜通道影像特征，選擇三個光譜通道分別以偽彩色顯示(如圖5 )。

圖5   3個通道分別以偽彩色顯示

    進行光譜分解首先需要得到圖像中不同內容目標的“純光譜”，這個“純光譜”理解為圖像中沒有疊合現象的像元光譜，如果圖像中沒有這樣的光譜
，則以疊合現象不明顯的像元代替。接著
，利用得到的“純光譜”分析圖像，分離“純光譜”代表的圖像內容，然後作光譜混合分解。我們從圖5可以清晰地看到罌粟分布的情況。因此我們可以得到結論：

    (1) 根據以上結果可知，在己知罌粟光譜特征情況下，對其他植物的混合光譜進行取樣，可通過“光譜混合分解”的方法，將罌粟通道從中提取出來。從而也進一步證實了通過光譜成像的技術手段來檢測是否存在罌粟種植區域具備實驗基礎。

    (2) fenxiruanjiantigongleqiangdadeguangpujisuangongneng，zhenduichuantongguangputuxiangzhongnanyijiangmubiaoyufuzabeijingjinxingfenlidejishuwenti
，tigonglezhenduigaoguangpuyingxiangdeguangpufenjiefangan，chenggongshixianlemubiaoyufuzabeijingdeyouxiaofenli
，jidaditigaolemubiaotiqudexiaolvhezhunquexing，ganxingqumubiaoduibibeijingyimingliangxianshi，jiejuemubiaodingweiwenti。

   (3) 分fen析xi軟ruan件jian針zhen對dui混hun雜za的de多duo種zhong光guang譜pu信xin號hao提ti供gong了le光guang譜pu運yun算suan功gong能neng，得de到dao各ge個ge獨du立li的de純chun光guang譜pu信xin號hao成cheng分fen，並bing將jiang處chu理li結jie果guo以yi偽wei彩cai色se顯xian示shi方fang式shi輸shu出chu
，從cong而er可ke以yi清qing晰xi地di了le解jie目mu標biao的de分fen布bu情qing況kuang。

2.3  罌粟種植麵積估算

    liyongfenleitongjidegongneng，fenbietongjiyingsudexiangyuanshuhezhengjingtuxiangdexiangyuanshu，yongyingsudexiangyuanshuchuyizhengjingtuxiangdexiangyuanshujikededaoyingsudezhongzhibili，ruguoxuyaodedaozhongzhimianji，yongyingsuzhongzhibilichengyizhengjingtuxiangdaibiaodimiandeshijimianjijike。

3 總結

    本章利用光譜成像技術，進行檢測是否存在非法罌粟種植地的可行性實驗yanjiu。tongguoshiyan，yingsuyezikeliyonggaoguangpuchengxiangjishudeguangpupipeifenleijishu
，jinxingxingzhijianding，yuqizhouweihuanjingzhongdeshuyequbiefenbianchulai，jiejueyingsuzhongzhididingxingwenti
；利用光譜分類統計技術，估算目標監測地罌粟種植比例，解決罌粟種植地罌粟種植麵積定量問題；運yun用yong分fen析xi軟ruan件jian的de光guang譜pu計ji算suan功gong能neng，針zhen對dui混hun雜za的de多duo種zhong光guang譜pu信xin號hao進jin行xing光guang譜pu分fen解jie，通tong過guo多duo重zhong光guang譜pu運yun算suan與yu解jie混hun合he，得de到dao罌ying粟su的de純chun光guang譜pu信xin號hao成cheng分fen
，並bing將jiang處chu理li結jie果guo以yi偽wei彩cai色se顯xian示shi方fang式shi輸shu出chu
，增zeng強qiang了le罌ying粟su的de提ti取qu結jie果guo
，解jie決jue罌ying粟su在zai複fu雜za環huan境jing中zhong進jin行xing目mu標biao定ding位wei問wen題ti。研yan究jiu表biao明ming利li用yong光guang譜pu成cheng像xiang的de技ji術shu手shou段duan來lai檢jian查zha是shi否fou存cun在zai罌ying粟su種zhong植zhi區qu域yu，具ju備bei實shi驗yan基ji礎chu
，下xia一yi步bu可ke通tong過guo現xian場chang的de實shi地di實shi驗yan，來lai進jin一yi步bu檢jian測ce在zai實shi際ji操cao作zuo中zhong的de可ke行xing性xing。本ben研yan究jiu對dui使shi用yong高gao光guang譜pu成cheng像xiang技ji術shu手shou段duan及ji時shi發fa現xian種zhong毒du隱yin患huan

，從cong源yuan頭tou上shang打da擊ji毒du品pin犯fan罪zui活huo動dong有you積ji極ji的de意yi義yi。