基于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四川雙利合譜科技有限公司的 GaiaSorter雙系統高光譜分選儀系統（V10E、N25E-SWIR）。該系統主要由高光譜成像儀、面陣列相機、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雙系統高光譜分選儀

表1   GaiaSorter 雙系統高光譜分選儀系統參數

在進行高光譜圖像采集時，需要設置相機曝光時間，平臺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。經過反復嘗試，物鏡高度設置為 31 cm，曝光時間設置為10ms，平臺移動速度分別設置為 6.0 mm/s（400-1000 nm）、16mm/s（1000-2500 nm）。圖像采集軟件采用四川雙利合譜科技有限公司提供的高光譜成像系統采集軟件完成。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，R_ref 是校正過的圖像，DN_raw 是原始圖像，DN_white為白板校正圖像，DN_dark 是黑板校正圖像。

2.  實驗目標

高光譜成像設備采集的實驗目標為棉花以及棉花中的各種地膜和異纖。實驗目的是為了將混在棉花中的各種地膜和異纖識別出來，提高棉花的品質。

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波長范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光譜范圍對棉花、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據庫，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，下圖為根據不同的光譜匹配角得出的結論。從圖中可知，光譜匹配角越小，匹配的結果越準確，然而會造成很多本是棉花的像元沒有匹配上，造成棉花產量的下降；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波長范圍內的光譜反射率曲線，從其反射率曲線來看，在短波紅外范圍內，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來看，除了異纖的光譜反射曲線變化趨勢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，而棉花則沒有，因此可以除了根據反射率值的高低區分棉花和地膜外，也可以根據這兩個吸收峰來辨別棉花和地膜；地膜1在短波紅外范圍內，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光譜范圍對棉花、地膜以及異纖的分類研究，從分類結果來看，不同的地膜之間有很好的區分度，能較好地區分出不同的地膜，棉花的辨別除了少量異常點以及邊緣的棉花可能受背景因素的干擾被錯分為異纖外大部分棉花可以正常判別，達到了較為理想的判別效果，而異纖則不存在被錯分為棉花。

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0.1的情況下，雖然大部分棉花被識別出來，但是更多的異纖則被錯誤的判為棉花。另外利用光譜角匹配算法判別棉花，四種不同的地膜沒有被判別為棉花，這是因為這四種地膜在短波紅外范圍內，其光譜曲線變化趨勢與棉花不同，但異纖的光譜曲線變化趨勢與棉花相近，由此可見光譜匹配角比較適合于不同種類的目標物的判別，則光譜曲線變化趨勢不能一致。

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）