基于圖像特征識(shí)別的落葉松球蚜種群密度獲取

于鶴英+迮興業(yè)+劉佳妮

獲得落葉松球蚜種群密度對(duì)于落葉松林業(yè)保護(hù)有重要意義。為了減輕人工獲得落葉松球蚜種群密度的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確率，本文采用基于顏色直方圖篩選后，將篩選結(jié)果通過幾何圖形雙重確認(rèn)的方法來辨別區(qū)域中蟲卵的范圍，降低在識(shí)別落葉松球蚜種群數(shù)量過程中的難度，提高的準(zhǔn)確度，更好地服務(wù)生產(chǎn)實(shí)際問題。

落葉松球蚜屬于多態(tài)型昆蟲，包括多種不同形態(tài)的蟲型，主要可分為干母、癭蚜、偽干母及有性蚜等?，F(xiàn)有的落葉松林業(yè)保護(hù)和調(diào)查工作中，存在對(duì)落葉松球蚜受害程度人工統(tǒng)計(jì)困難、誤差較大等諸多問題。本文根據(jù)落葉松球蚜不同時(shí)期的不同形態(tài)特點(diǎn)，對(duì)蟲型的各種角度進(jìn)行圖像采集，利用圖像處理技術(shù)提高落葉松球蚜種群密度調(diào)查的精度和效率。

1 特征提取

通過樣本的采集，確定顏色特征與形狀特征用來作為判斷圖像中落葉松球蚜蟲卵和成蟲的主要特征依據(jù)。

首先構(gòu)建一個(gè)1-D的離散函數(shù)，即：

H（k）=nk/n，k=0，1，…，L-1 （1）

其中k表示圖像的特征取值，L表示特征的可取值個(gè)數(shù)，nk為圖像中具有特征值k的像素的個(gè)數(shù)，N表示圖像中總像素?cái)?shù)。

設(shè)HQ（k）和HD（k）分別為兩幅圖像某一特征的統(tǒng)計(jì)直方圖，則兩圖像之間的匹配值P（Q，D）可借助直方圖相交來實(shí)現(xiàn)，即：

P（Q，D）=■ （2）

基于顏色直方圖的檢索丟失了圖像中像素點(diǎn)的位置特征，可能會(huì)產(chǎn)生多張不同的圖像具備相同的顏色直方圖的情況。因此可能會(huì)產(chǎn)生將背景色中與蟲卵或成蟲顏色相近的顏色誤識(shí)別。將檢測結(jié)果加入幾何特征提取將會(huì)大大降低這種錯(cuò)誤。由于蟲卵或蟲癭等多為近似圓形狀態(tài)，因此可以將結(jié)果進(jìn)行類圓形檢測從圖像中提取出來的邊緣信息加以擬合，并對(duì)組合之后得到的多邊形進(jìn)行歸一化處理判別等處理 。

圖像二值化處理采用最常見的閾值法對(duì)圖像進(jìn)行分割。經(jīng)過圖像分割和邊緣提取后，可以得到一組有序的，用來描述物體邊緣的一組點(diǎn)的集合。需要將這些描述邊界的點(diǎn)擬合成為多邊形，以便于判斷多邊形是否與圓形近似。擬合的過程為：將邊緣點(diǎn)集中的第一點(diǎn)S（xs，ys）和最后一點(diǎn)E（xe，ye）作為一條線段的兩個(gè)端點(diǎn)，任取點(diǎn)集中其他任意一點(diǎn)K（xk，yk），計(jì)算K到線段的距離dK。

dk=|xk（ys-ye）+yk（xe-xs）+yexs-ysxe|/■2，k=2，3，…，n-1 （3）

其中，n為邊緣點(diǎn)個(gè)數(shù)。

當(dāng)dk小于既定的閾值dth，則將該線段定義為多邊形的一條邊；當(dāng)dmax=max（dk）不小于閾值dth，則令（xe，ye）←（xmax，ymax），繼續(xù)計(jì)算dmax，直到dmax

當(dāng)將全部的孤立點(diǎn)歸一化處理后，采用周長，平均極距離和面積作為判定特征進(jìn)行圓形判別。周長表示為：

L=■li=■■i=1，2，...M （4）

其中，li為特征點(diǎn)v'i與特征點(diǎn)v'i+1之間的歐氏距離。

平均極距離表示為：

d=1/M■di= 1/M■■ （5）

其中，di為特征點(diǎn)v'i與多邊形中心位置C間的歐式距離。

面積表示為：

A=■S△i=■■ i=1，2，...，M （6）

其中，s=（di+di+1+li）/2，S△i，為由特征點(diǎn)v'i與特征點(diǎn)v'i+1和多邊形中心C'所構(gòu)成的三角形面積。

由此進(jìn)一步得到周長比C1、距離比C2和面積比C3

C1=L/2πr， C2=d/r，C3=A/πr2 （7）

設(shè)定三個(gè)門限閾值T1，T2，T3，當(dāng)且僅當(dāng)T1

2 對(duì)比分析

我們采用直方圖相交法將采集來的現(xiàn)場圖片轉(zhuǎn)換成為的顏色直方圖與基準(zhǔn)庫中的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，根據(jù)其顏色直方圖的相似程度得到該采集點(diǎn)所處位置的樹種遭受落葉松球蚜蟲害的程度。

假設(shè)M，N是兩個(gè)含有K個(gè)BIN的直方圖，它們的分量分別為M（i），N（i），其中，i=1，2，...K，則兩個(gè)直方圖的相交距離為：

D（M，N）=■min（M（i），N（i）） （8）

將通過顏色特性對(duì)比后得到的結(jié)果，結(jié)合幾何特性對(duì)比結(jié)果，可以得到某一點(diǎn)當(dāng)前收到落葉松球蚜侵害情況，將此結(jié)果連同時(shí)間戳和地理位置信息一同記錄入數(shù)據(jù)庫中作為基礎(chǔ)分析數(shù)據(jù)。

3 結(jié)果及分析

試驗(yàn)中令dth=2，T1=0.7，T2=0.7，T3=0.7。由實(shí)驗(yàn)可知，在葉片上的若干簇類似圓形的蟲卵均被系統(tǒng)所識(shí)別；而背景圖案中，與蟲卵類似顏色但顏色不符合類似圓形幾何特征的圖形均被系統(tǒng)所丟棄。實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本滿足設(shè)定需求。

（作者單位：130118 吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)）