基于圖像的植物病害無損診斷方法研究進(jìn)展

馬曉丹 祁廣云 關(guān)海鷗 金寶石 李偉凱 陳爭光 譚峰

摘 ?要：植物病害無損智能診斷一直是農(nóng)業(yè)科研工作者研究的熱點(diǎn)問題之一，通過獲取染病植株圖像開展病害診斷方法研究是一個(gè)重要的研究手段，因此，文章綜述了基于圖像的植物病害無損診斷方法的研究進(jìn)展。

關(guān)鍵詞：植物病害;圖像;無損診斷

雖然經(jīng)過農(nóng)業(yè)科技工作者的多年努力，植物病害監(jiān)測、管理、防治等方面研究取得了顯著成效，但還存在著諸多問題。植物保護(hù)專家雖然具有病害診斷、預(yù)測的豐富經(jīng)驗(yàn)，但不能及時(shí)親臨生產(chǎn)一線實(shí)時(shí)診斷病情。同時(shí)，由于很難用精確和定量的數(shù)學(xué)對植物病害癥狀的外觀表癥進(jìn)行描述，所以在對病害癥狀診斷的時(shí)往往出現(xiàn)偏差。把植物病害自動(dòng)檢測看作是一個(gè)聚類或分類問題，這樣對植物病害進(jìn)行識(shí)別時(shí)就可以利用圖像處理和模糊診斷模型技術(shù)，并對植物的安全生產(chǎn)全過程進(jìn)行決策支持。

文章主要對近幾年來基于圖像的植物病害無損診斷方法的研究成果以及在這一領(lǐng)域中出現(xiàn)的新思路、新方法做了一個(gè)必要的回顧。

在棉花病害的識(shí)別研究中，毛罕平[1]等為提高作物病害區(qū)域圖像的提取效果，提出了一種基于模糊C均值聚類算法的病害圖像自適應(yīng)分割方法，且正確率達(dá)到95%以上。張建華等[2]基于粗糙集和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)了棉花常見病害的識(shí)別，對于四種棉花病害的識(shí)別正確率達(dá)到92.72%。

在馬鈴薯等病害的識(shí)別研究中，馬曉丹等[3-7]在研究植物病斑區(qū)域分割及病害等級預(yù)測過程中，利用了支持向量機(jī)及RGB顏色空間中病斑R分量明顯高于健康部分R分量的特點(diǎn)，選取R分量作為分割閾值，并利用統(tǒng)計(jì)驗(yàn)證的方法有效地提取了病斑區(qū)域。該作者又將量子計(jì)算的態(tài)疊加方法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算的自適應(yīng)性結(jié)合，提出了將量子神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)作為馬鈴薯早疫病診斷模型的思想，診斷正確率達(dá)到96.5%。在后續(xù)研究中，又開發(fā)了用于植物葉片病害智能分析系統(tǒng)及基于物聯(lián)網(wǎng)的大豆病害遠(yuǎn)程智能診斷系統(tǒng)。

在水稻病害的識(shí)別研究中，路陽等[8]研究了水稻圖像的預(yù)處理方法，王遠(yuǎn)等[9]在此基礎(chǔ)上利用數(shù)碼相機(jī)獲取水稻冠層圖像，根據(jù)圖像的綠色通道及紅色通道差值所設(shè)定的閾值實(shí)現(xiàn)了水稻冠層圖像與土壤背景的分割，劉濤[10]利用支持向量機(jī)實(shí)現(xiàn)了水稻十五種主要病害的識(shí)別，鄭姣等[11]開發(fā)了基于Android的水稻病害圖像識(shí)別系統(tǒng)。

在玉米病害的識(shí)別研究中，邵喬林等[12]采用基于鄰域直方圖的方法實(shí)現(xiàn)了玉米田綠色植物圖像分割方法，夏政偉[13]應(yīng)用多重分形理論提取了玉米病害圖像的特征，張善文等[14]提出了一種基于局部判別映射的玉米病害識(shí)別方法，達(dá)到了達(dá)94.4%的識(shí)別精度。

在大豆病害的識(shí)別研究中，關(guān)海鷗等[15-17]利用T-S模型的模糊規(guī)則后件是輸入語言變量的函數(shù)特性，提出了線性清晰化的自適應(yīng)五層模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)作為農(nóng)作物病害圖像模式分類的決策系統(tǒng)，并結(jié)合量子遺傳算法對模型的可調(diào)整參數(shù)初始值進(jìn)行優(yōu)化。該模型對馬鈴薯早疫病圖像的病斑區(qū)域分割精確達(dá)到100%。為提高模型的魯棒性，在后續(xù)的研究中，針對病害專家系統(tǒng)中特征條件的復(fù)雜性和不確定性等弊端，將病害證據(jù)可信度和不確定性推理的傳遞算法有機(jī)結(jié)合，提出了一種基于證據(jù)可信度不確定推理的大豆病害診斷方法。

在對蔬菜病害的識(shí)別研究中，李明等[18]，孫敏等[19]，魏清鳳等[20]通過收集設(shè)施果菜病害診斷知識(shí)，依據(jù)糊數(shù)學(xué)的思想及評估學(xué)中多比例法量化診斷知識(shí)，實(shí)現(xiàn)了病害診斷知識(shí)的有效表達(dá)，建立了蔬菜病害模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)診斷模型及溫室蔬菜病害預(yù)警體系。

綜上所述，基于圖像進(jìn)行植株病害診斷是信息技術(shù)在作物病害領(lǐng)域應(yīng)用的重要發(fā)展方向，具有效率高、應(yīng)用前景廣闊等優(yōu)勢。與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、“3S”技術(shù)相結(jié)合是農(nóng)業(yè)信息化領(lǐng)域的發(fā)展趨勢。

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