可见光光谱和机器学习的温室黄瓜霜霉病严重度定量估算

温室黄瓜霜霉病严重度的准确估算是科学防治霜霉病的前提条件,对于减少农药使用量、提升温室黄瓜品质和农民经济效益具有重要意义。机器学习在植物病害诊断领域的应用越来越广泛,已经取得了丰富的研究成果,病害严重程度的估算萌发了新的思路。利用霜霉病可见光图像并结合机器学习方法,开展温室黄瓜霜霉病严重度快速准确定量估算研究。利用数码相机采集温室黄瓜霜霉病叶片图像并进行预处理,剔除病害图像的背景。以黄瓜霜霉病叶片图像为输入,构建基于卷积神经网络(CNN)的估算模型。利用可见光光谱颜色特征(CVCF)结合支持向量机进行温室黄瓜霜霉病病斑图像分割,采用SURF(speeded up robust features)特征及形态学操作对分割结果进行优化。在获取黄瓜霜霉病病斑分割图像后,提取病斑图像RGB, HSV, L~*a~*b~*, YCbCr和HSI共5个颜色空间15个颜色分量的平均值和标准差2个颜色特征,以及在此基础上结合灰度共生矩阵提取各颜色分量的对比度、相关性、熵和平稳度4个纹理特征,共计90个特征;利用Pearson相关性分析进行特征优选,采用与温室黄瓜霜霉病严重程度实际值相关性高的图像特征构建浅层机器学习估算模型,包括支持基于向量机回归(SVR)的估算模型和基于BP神经网络(BPNN)的估算模型。基于以上3种估算模型开展黄瓜霜霉病严重度定量估算,采用决定系数(R^2)和归一化均方根误差(NRMSE)对估算模型准确率进行定量评价。结果表明,模型估算的温室黄瓜霜霉病严重度与实际值之间具有良好的线性关系,其中,基于CNN的估算模型准确率最高,模型的R^2为0.919 0, NRMSE为23.33%,其次是基于BPNN的估算模型,其R^2为0.890 8, NRMSE为24.64%,基于SVR的估算模型的准确率最低,其R^2为0.8901, NRMSE为31.08%。研究结果表明,利用黄瓜霜霉病可见光图像数据,结合卷积神经网络估算模型,实现了温室黄瓜霜霉病严重度的准确估算,能够为温室黄瓜霜霉病的科学防治提供参考,提高病害防治效率,减少农药使用。     

基于可见光谱和支持向量机的黄瓜叶部病害识别方法研究

以黄瓜叶部病害作为研究对象,基于可见光谱反射率差异识别黄瓜叶部病害,研究基于SVM的黄瓜叶部病害识别预测模型。采用小波变换进行数据预处理;选取Otsu、边缘分割法和K均值聚类三类分割方法进行病斑分割,比较错分率和运行时间,K均值聚类方法更适合黄瓜叶部病斑分割;提取纹理、颜色和形状特征参数,共15个特征参数;通过交叉验证选择最优参数c和g,对核函数参数进行优化处理,并通过比较线性核、多项式核、RBF核等不同核函数情况下SVM的正确识别率,确定RBF核SVM模式识别方法能够更精准地识别黄瓜叶部病害。并将基于SVM与另外两种常见的黄瓜叶部病害识别方法,BP神经网络和模糊聚类进行比较,结果表明,基于SVM的识别模型对霜霉病的正确识别率为95%,白粉病和褐斑病的正确识别率均为90%,平均诊断正确率为92%;该模式识别方法识别效果最佳,运行时间最短,为基于可见光谱的黄瓜病害识别模型提供参考。     

基于可见光光谱和随机森林算法的冬小麦冠层图像分割

数字图像分析技术因其高效、快速等特点,已被广泛应用于作物长势和氮素营养状况的无损监测领域。获取作物冠层覆盖度及可见光光谱亮度值及其衍生的色彩指数,需要从作物冠层图像中准确分割出作物图像。研究以冬小麦与背景(土壤)在可见光波段反射率的差异为依据,利用基于CIEL*a*b*色彩空间a*分量的最大类间方差法和基于sRGB和CIEL*a*b*两个色彩空间的随机森林算法对冬小麦冠层图像进行了分割,并比较了图像分割精度。结果表明,三种方法均具有较高的分割精度,其中基于随机森林算法的图像分割效果明显好于最大类间方差法,而基于sRGB和CIEL*a*b*两个色彩空间的随机森林算法的图像分割效果差异较小。研究结果表明,随机森林算法可直接利用冠层图像可见光波段的三个色彩分量(R,G和B)分割冬小麦冠层图像。     

基于色差向量场的彩色光学显微细胞图像分割

细胞图像分割是医学图像处理领域的研究热点之一。传统的细胞图像分割算法多是基于灰度图像的分割,图像中的颜色信息利用得不充分。在深入分析细胞图像颜色特征的基础上,提出了基于色差向量场分析细胞图像颜色变化规律的方法,相比于经典的彩色空间(HSV、YIQ、CIEL*a*b*),这种方法更能够突出图像中的主体细胞与非细胞区域的差异,而且针对大量图像的普适性更好。然后基于细胞图像的色差向量场,提出了一种循环匹配的分割方法,同时采用色差强度对分割结果进行了进一步的修正。通过对实际采集的彩色细胞图像样本的分割实验验证,该算法比RGVF Snake算法的分割结果更可靠,准确率可以达到95.2%,而且能够实现不同颜色重叠细胞图像的分割。     

基于颜色和纹理特征的黄瓜果实图像分割

温室黄瓜的识别是黄瓜采摘机器人研究的重要环节,要解决此问题首先必须对采集的黄瓜图像进行分割。提出了一种结合颜色特征和纹理特征进行分割的方法。根据CIE-XYZ颜色模型及其色度图,在RGB模型中先通过颜色滤去不相关物体,然后利用灰度共生矩阵提取纹理特征,得到可区分果实和背景的两大纹理特征,即熵和能量,有效地解决了果实和背景颜色相似的识别问题。     

基于语义分割和可见光谱图的作物叶部病斑分割方法

病害严重影响作物品质,并造成经济损失。病斑分割是病害定量诊断的重要过程,其分割结果可为后续的识别和严重度估算提供有效依据。由于病斑具有不规则性和复杂性,且自然环境下病斑可见光谱图像易受光照变化等影响,传统的图像处理方法对病斑图像分割存在准确率低、普适性低和鲁棒性不高等问题。该工作提出了基于语义分割和可见光谱图像的作物叶部病害病斑分割方法。首先,以花生褐斑病、烟草赤星病为研究对象,使用尼康D300s单反相机共采集到165张可见光谱图像。通过Matlab Image Labeler APP对病害可见光谱图像进行像素标记,分别标记出褐斑病病斑、赤星病病斑和背景区域。其次,对标记后的数据采用水平翻转、垂直翻转、改变亮度等图像扩充方式,获得1 850份增强后样本数据集。为了节约计算成本,将数据集的像素分辨率调整为300×300。最后,基于FCN, SegNet和U-Net 3种语义分割网络,构建4种作物叶部病害病斑分割模型,探索了数据增强、病害类别对病斑分割模型的影响,并采用4种分割指标评价模型效果。结果表明：仅对于病斑分割,图像增强能够提高模型的分割精度,增强后FCN模型的平均精度(MP)和平...     

基于形状特征的水声图像小目标识别方法

为了抑制背景噪声,提高目标识别准确率,该文提出一种基于形状特征的水声图像小目标识别方法.对含有目标的水声图像进行非局部均值去噪处理后,使用OTSU算法自适应选取阈值对去噪图像进行二值化分割,结合形态学处理获得分割后的目标区域;提取目标区域的矩形度、圆形度、几何不变矩等各项形状参数,将目标的特征向量输入随机森林分类器实现...     

改进GSO与二维OTSU融合的红外图像多阈值分割方法

针对二维最大累间方差（Nobuyuki OTSU,OTSU）图像分割算法在电气设备故障诊断与定位中,其红外图像的多阈值分割中存在的耗时多、分割精度低、误分割等不足,造成故障区域欠分割或者过分割的问题,提出一种改进的萤火虫算法（glowworm swarm optimization,GSO）与二维OTSU的融合算法来提高电气设备红外图像多阈值分割的实时性与准确度。寻优过程中,将局部寻优扩展到全局寻优,并引入非线性递减步长及新的移动策略对GSO进行优化改进。实验结果表明:该融合算法在分割结果上较二维OTSU及未改进GSO与二维OTSU融合算法更能准确分割运行电气设备图像异常区域,分割速度分别提高19倍、1.28倍,为红外图像早期故障的有效识别与定位奠定基础。     

一种基于图像特征和神经网络的苹果图像分割算法

苹果识别是开发苹果采摘机器人的关键环节,利用图像处理技术和神经网络分类器探索苹果图像分割算法.从苹果树图片中选取苹果图像样本和背景网像样本.分别计算这两类图像样本的颜色特征和纹理特征.颜色特征的计算基于RGB色彩模型,纹理特征的计算基于灰度共生矩阵.选取适当的颜色特征(R/B值)和纹理特征(对比度值和相关性值)作为输入节点,利用反向传播神经网络分类器建模,输出值是一个O～1之间的计算值.通过阈值将输出结果分类为苹果或背景.试验结果表明,该算法正确率大于87.6%,对光照的影响不敏感,是一利较为实用的苹果分割算法.     

基于U-net和可见光谱图像的黄瓜褐斑病分割

褐斑病是黄瓜主要真菌性病害之一,适宜条件下,特别是在昼夜温差大及饱和湿度条件下发病迅速,病情加重,导致黄瓜减产,造成经济损失。对黄瓜褐斑病进行病斑分割与提取,可以为后续的病害识别与诊断提供有效依据,具有重要意义。结合黄瓜褐斑病可见光谱图像,利用U-net深度学习网络构建黄瓜褐斑病语义分割模型,实现了病斑分割。首先在采集到的黄瓜褐斑病可见光谱图像中截取病斑较为突出的区域作为样本,共在40幅图像中截取到135个像素区域,区域的像素分辨率为200×200,利用Matlab的Image Labeler工具对样本进行像素标记,分别标记出感病区域和健康区域。然后构建U-net网络,该网络包含46层和48个连接,通过卷积层和线性整流层以及最大池化法来完成病斑特征提取,通过深度连接层以及上卷积层和上线性整流层完成上采样,通过跳层连接来完成复制和剪裁操作,并进行病斑特征融合。利用所构建的U-net网络进行学习训练得到语义分割模型,在135个样本中,随机选取其中96个作为训练样本,剩余的39个作为测试样本,设置迭代次数为240次,L2正则化系数为0.000 1,初始学习率为0.05,动量参数为0.9,梯度阈值为0.05,进行样本训练和测试。经过10次重复训练和测试,结果表明,基于U-net和可见光谱图像的黄瓜褐斑病语义分割模型执行时间平均为46.4 s,内存占用平均为6 665.8 MB,执行效率较高;模型准确率PA为96.23%~97.98%,MPA为97.28%~97.87%,MIoU为86.10%~91.59%,FWIoU为93.33%~96.19%,模型的稳定性较好、泛化能力较强。该研究方法利用较少的训练样本,获得了准确率较高的分割模型,为小样本机器学习提供了参考,同时为其他蔬菜的病斑分割、病害识别与诊断提供了方法依据。     

D介子衰变中的奇异轴矢介子(英文)

目前,奇异轴矢介子的性质并没有被很好地理解,而这类介子是可以在D介子衰变中得到更多的研究。将窄宽近似下的等式关系和强衰变中CP守恒应用到四体衰变D0 → K+K-π+π-中的D0 → K±K₁?（1270）（→ρK or K*π）的实验数据中,可以发现实验数据与理论存在矛盾,然而,当考虑更多K₁（1270）的衰变过程后,可以发现,B（D0 → K-K₁+（1270）（→ K*0π+））的实验数据很可能被高估了一个量级。考虑共振态K₁（1400）的贡献,利用因子化方法计算相应的衰变过程的分支比,可以发现,B（D0 → K-K₁+（1400）（→ K*0π+））的分支比与使用等式关系得到的B（D0 → K-K₁+（1270）（→ K*0π+））的分支比在量级上是相同的。另外,对于含有奇异轴矢介子的D介子衰变实验数据的合理性,实验可以通过测量K₁（1270）→ ρK和K*π分支比的比值来检验,或者通过验证D介子衰变中的等式关系来检验。     

基于可见光光谱分析的黄瓜白粉病识别研究

白粉病是黄瓜常见病害之一,传播速度极快,严重时可造成黄瓜大量减产,对其进行快速准确识别,对黄瓜白粉病诊断和防治具有重要意义,应用可见光谱技术,结合主成分分析和支持向量机算法,实现对黄瓜白粉病的快速识别。配制白粉病菌孢子悬浮液,并人工接种于科研温室内的黄瓜叶片上,以诱发黄瓜白粉病,待白粉病有一定面积暴发后,利用海洋光学USB2000+型便携式光谱仪对黄瓜叶片光谱信息进行采集,利用五点取样法采集样本,在5个检查点,每点选取2株黄瓜进行调查,每株选取4枚感病叶片,每枚叶片随机选取5个感病区域进行光谱采集,共计采集200个感病叶片光谱样本,同样采集200个健康叶片样本作为对照。通过Ocean Optics Spectra-Suite软件采集漫反射标准白板信息和光谱仪暗电流实现光谱仪校正,调节积分时间、扫描次数以及平滑度等参数来实现光谱曲线平滑处理,以有效抑制光谱噪声,对光谱特征进行分类识别,去掉首尾噪声较大的波段,保留光谱的可见光波段进行研究,最终选取450~780 nm波段范围作为研究对象。利用主成分分析对所研究波段范围内的高维光谱数据（947维）进行降维处理,根据主成分的累计贡献率,选取前5个主成分作为分类模型的输入,以白粉病和健康叶片的判别结果作为输出,利用支持向量机算法,通过对样本的分类学习训练构建黄瓜白粉病和健康叶片的分类识别模型,随机选取120个样本作为训练集用于分类模型构建,其余80个样本作为测试集用于模型检验,并通过选取不同的核函数来获得最优模型。利用混淆矩阵对分类识别模型的准确率进行评价,当选取径向基核函数时,分类识别模型对黄瓜健康叶片和白粉病叶片的识别准确率最高,分别为100%和96.25%,总准确率为98.125%,具有较高的准确率。结果表明,利用可见光光谱信息并结合主成分分析和支持向量机算法,可以实现对黄瓜白粉病的快速准确识别,为黄瓜病害诊断提供了方法和参考依据。     

基于叶绿素荧光光谱分析的黄瓜霜霉病害预测模型

为了实现对黄瓜病害的快速无损准确预测,基于激光诱导叶绿素荧光光谱分析技术,建立了温室黄瓜霜霉病害的预测模型.通过测定健康叶片、病菌接种3d叶片和接种6d叶片的光谱曲线,采用一阶导数光谱预处理方法,结合主成分分析数据降维方法对三组光谱数据进行特征信息提取后,建立主成分得分散点图,依据累积贡献率选取10个主成分代替导数光谱...     

高光谱成像技术的三文鱼多品质指标的预测与分布可视化研究

采用颜色、剪切力和K值评价冰鲜与冻融三文鱼的品质,利用高光谱成像技术结合化学计量学方法对三个品质指标进行预测,并讨论了不同波长选择算法所建模型的预测效果。准备不同冻融次数三文鱼样本,进行高光谱数据采集和品质指标真实值的测定。采用六种预处理方法减少光谱数据中暗电流以及噪声的干扰,采用竞争性自适应重加权算法（CARS）、区间变量迭代空间收缩法(iVISSA), iVISSA-CARS筛选出与待测指标相关的变量,通过比较三种波长选择算法筛选的特征变量所建偏最小二乘(PLS)模型的预测结果,优选出三个品质指标最佳的变量选择方法。结果表明1st Der-CARS-PLS模型对颜色中的a*预测效果最好,筛选出的51个变量建立模型的R_c和R_p分别为0.931 6和0.929 7,RMSECV和RMSEP分别为0.716和0.735;2nd Der-CARS-PLS模型对剪切力的预测效果最好,筛选出的61个特征变量建立模型的R_c和R_p分别为0.892 1和0.887 3,RMSECV和RMSEP分别为0.67 N和0.80 N;模型N-CARS-PLS取得了K值最好的预测效果,筛选出的51个特征变量所建模型的R_c,R_p,RMSECV和RMSEP分别为0.951 4, 0.950 0, 1.33, 1.53。说明CARS变量筛选方法能够有效提取与特征指标相关的变量,提高模型的预测性能。除此之外,特征变量筛选联合算法iVISSA-CARS-PLS对三个指标的预测也取得了较好的结果,对三个指标测试集的R_p分别为CARS-PLS预测模型的97.48%,97.02%,98.98%,而所用变量数仅为CARS-PLS的60.78%,62.29%,60.78%,说明变量筛选组合算法极大的减少了建立模型所用的数据量。三个指标的CARS-PLS以及iVISSA-CARS-PLS模型取得的预测效果均高于iVISSA-PLS,说明对于三文鱼三个品质指标的预测,CARS波长点筛选策略优于iVISSA波段选择策略。将优选出来的PLS模型分别用于构建三个品质指标的可视化分布图,清楚的展示了不同冻融次数三个品质指标的大小以及空间分布。因此,高光谱成像技术结合化学计量学方法可以较好的表征三文鱼的品质指标,为三文鱼多品质指标的同时快速检测提供了部分理论参考。     

叶绿素荧光成像技术的葡萄霜霉病早期检测

葡萄霜霉病对葡萄生产构成严重威胁,尽早防治是治理霜霉病的关键.为了对该病进行早期检测,以PCR检测获取的霜霉病相对生物量作为霜霉病侵染的依据,从暗适应—光适应—暗弛豫3个光合生理状态连续变化过程中,采集80个人工接种霜霉菌叶片和80个健康对照叶片连续6 d的叶绿素荧光图像.对比健康和接种叶片叶绿素荧光动力学曲线、参数图...     

Sr2-x-yAl2SiO7:x％Sm3+,y％Li+荧光粉的合成与发光特性研究

硅铝酸盐由于其化学性质稳定、原材料易得，是发光材料的一种有效基质，所以受到广泛关注。其中，硅铝酸锶(Sr₂Al₂SiO₇)属于四方晶系，具有稳定的晶体学结构。Sm3+作为一种常用的激活剂，其特征峰在波段300~750 nm内都有分布，有些特征激发峰位于近紫外光区，在近紫外区有强的吸收。因此，以Sr₂Al₂SiO₇为基质、Sm3+为激活剂可以制备出符合LED要求的红色荧光粉。本工作采用高温固相法合成一系列Sr_2-x-yAl₂SiO₇∶x%Sm3+, y%Li+荧光粉。通过X射线衍射(XRD)、光致荧光光谱(PL)、绝对量子效率测量系统对样品的晶体结构、发光特性以及内量子效率进行表征和测量，并且对样品的XRD进行精修，色纯度计算。结果表明：合成样品均为单相Sr₂Al₂SiO₇，掺杂Sm3+和电荷补偿剂Li+后，没有引起相变。相对于其他阳离子Sm3+(r=1.079 Å)、Li+(r=0.920 Å)的半径与Sr2+(r=1.260 Å)半径最为相近，因此更容易替代Sr2+的格位，并且两种离子半径比Sr2+小而使得样品晶体结构参数a，b，c和v逐渐减小。样品的最佳激发峰在403 nm处，相比于Ca₃Y₂(Si₃O₉)₂∶Sm3+的激发峰出现了3 nm蓝移，表明样品在近紫外光下有较强的吸收，这种长紫外波长的光有利于在照明领域的应用。在403 nm近紫外光激发下，可以看出，在500～750 nm范围内，Sm3+的发射峰位于564 nm(4G_5/2→6H_5/2)，601 nm(4G_5/2→6H_7/2)，648 nm(4G_5/2→6H_9/2)和713 nm(4G_5/2→6H_11/2)，其中601 nm发射峰强度最大，使样品呈现强烈的橙红色光。发射峰在607与618 nm处出现劈裂现象，是因为晶体场的相互作用引起了能级劈裂。单掺Sm3+的发射光谱强度随着浓度的增加先增大后减小，当掺杂浓度为2%时发光强度最大。利用Blasse提出的能量传递临界距离公式，计算得出临界距离R_C≈19.734 Å，从而说明了浓度猝灭原因是Sm3+之间的多级相互作用。根据Dexter理论，计算出多极相互作用函数θ≈6，表明Sr_2-xAl₂SiO₇∶x%Sm3+的浓度猝灭机理是电偶极-电偶极(d-d)相互作用。为进一步提高发光强度，掺杂了电荷补偿剂Li+，使晶体内部电荷达到平衡。实验结果表明，Li+最佳掺杂浓度为2%，与未加入电荷补偿剂相比，发光强度提高了2倍并测试其内量子效率为43.6%。荧光粉色坐标均在(0.60，0.39)附近，位于橙红色区域，具有较高色纯度(约92.2%)。该荧光粉在三基色白光LED中的红色成分有应用潜力。