基于可见近红外技术的棉花、地膜快速识别研究

1. 可见、近红外设备介绍

高光谱图像数据采集采用四川双利合谱科技有限公司的 GaiaSorter双系统高光谱分选仪系统（V10E、N25E-SWIR）。该系统主要由高光谱成像仪、面阵列相机、卤素灯光源、暗箱、计算机组成，如图1。实验仪器参数设置如表1。

图1  GaiaSorter双系统高光谱分选仪

表1   GaiaSorter 双系统高光谱分选仪系统参数

在进行高光谱图像采集时，需要设置相机曝光时间，平台移动速度以及物镜之间的距离。这 3 个参数相互影响，图像调节的目的是使采集的图像大小合适，清晰，不变形失真。经过反复尝试，物镜高度设置为 31 cm，曝光时间设置为10ms，平台移动速度分别设置为 6.0 mm/s（400-1000 nm）、16mm/s（1000-2500 nm）。图像采集软件采用四川双利合谱科技有限公司提供的高光谱成像系统采集软件完成。图像处理采用 ENVI5.3 软件进行处理。在进行图像处理之前，先要对采集的光谱图像进行图像校正，图像校正公式如下：

              (1)

式中，R_ref 是校正过的图像，DN_raw 是原始图像，DN_white为白板校正图像，DN_dark 是黑板校正图像。

2.  实验目标

高光谱成像设备采集的实验目标为棉花以及棉花中的各种地膜和异纤。实验目的是为了将混在棉花中的各种地膜和异纤识别出来，提高棉花的品质。

图2  需要高光谱设备采集的实验目标

3.  实验结果

3.1  可见、近红外技术识别棉花及地膜

图3为棉花与各种不同地膜在400-1000nm波长范围内的光谱反射率曲线，从其反射率曲线来看，棉花的光谱反射率高，其他依次是异纤、地膜2、地膜4、地膜1或地膜3。棉花的光谱反射率与地膜1、地膜2、地膜4和异纤的光谱反射率变化趋势相似，地膜3在400-550nm之间与棉花的光谱反射率相差较大。因此在光谱判别的过程中，棉花可能会存在错分为地膜1、地膜2、地膜4以及异纤的可能。图3下图为利用400-1000nm光谱范围对棉花、地膜和异纤的分类研究，从分类结果来看，边缘部分棉花被错分为地膜1，中间部分棉花有一些被错分为异纤，而地膜2、地膜3和地膜4有较好的区分度。

图 3 棉花与各种地膜在400-1000nm的光谱及分类

光谱角度匹配(SAM)又称光谱角度填图法,即以实验室测量的标准光谱或从图像上提取的已知点的平均光谱为参考,求算图像中每个像元矢量(将像元n个波段的光谱响应作为n 维空间的矢量)与参考光谱矢量之间的广义夹角。本文从图像中选取已知棉花的光谱建立光谱数据库，用于快速辨别图像中的其他棉花，光谱匹配角度越小，则要求棉花之间的光谱差异越小，匹配的越精细，下图为根据不同的光谱匹配角得出的结论。从图中可知，光谱匹配角越小，匹配的结果越准确，然而会造成很多本是棉花的像元没有匹配上，造成棉花产量的下降；而光谱角越大，则会造成与棉花光谱相近的非棉花的地膜被判别为棉花，造成棉花品质的下降。

图4 不同光谱匹配角下棉花匹配结果（依次是0.03、0.05、0.07、0.1、0.15）

3.2  短波红外技术识别棉花及地膜

     图5为棉花以及地膜在短波红外1000-2500nm波长范围内的光谱反射率曲线，从其反射率曲线来看，在短波红外范围内，棉花的光谱反射率曲线高于地膜及异纤的光谱反射曲线；从光谱曲线变化趋势来看，除了异纤的光谱反射曲线变化趋势与棉花的光谱反射曲线相似外，其他地膜的光谱反射曲线与棉花的光谱反射曲线相差较大；地膜2、地膜3和地膜4在1700nm和2300nm附近有较为明显的吸收峰，而棉花则没有，因此可以除了根据反射率值的高低区分棉花和地膜外，也可以根据这两个吸收峰来辨别棉花和地膜；地膜1在短波红外范围内，其反射率值无显著变化，基本上是一条很水平的直线。图5下为利用1000-2500nm光谱范围对棉花、地膜以及异纤的分类研究，从分类结果来看，不同的地膜之间有很好的区分度，能较好地区分出不同的地膜，棉花的辨别除了少量异常点以及边缘的棉花可能受背景因素的干扰被错分为异纤外大部分棉花可以正常判别，达到了较为理想的判别效果，而异纤则不存在被错分为棉花。

图5棉花及地膜在1000-2500nm的光谱及分类

同样，我们运用光谱角匹配算法对图像、的棉花快速判别，下图为不同光谱匹配角下棉花的判别效果图（从左到右匹配角分别是0.04、0.08、0.1）。从判别效果来看，在匹配角为0.04的情况下存在少量的异纤被错分为棉花，但很多棉花却没有被判别出来；在匹配角是0.08和0.1的情况下，虽然大部分棉花被识别出来，但是更多的异纤则被错误的判为棉花。另外利用光谱角匹配算法判别棉花，四种不同的地膜没有被判别为棉花，这是因为这四种地膜在短波红外范围内，其光谱曲线变化趋势与棉花不同，但异纤的光谱曲线变化趋势与棉花相近，由此可见光谱匹配角比较适合于不同种类的目标物的判别，则光谱曲线变化趋势不能一致。

图6  不同光谱匹配角下棉花匹配结果（依次是0.04、0.08、0.1）