病害特征在作物病害識(shí)別中的應(yīng)用研究綜述

刁智華 袁萬(wàn)賓 刁春迎 毋媛媛

摘要：病害特征指作物在感染上病害時(shí)，在生理、形態(tài)和結(jié)構(gòu)上發(fā)生病變特征，而病害識(shí)別則是利用提取出的作物病害特征來對(duì)作物進(jìn)行病害識(shí)別，通常在病害形狀、紋理和顏色作為識(shí)別特征的3個(gè)重要指標(biāo)。將圖像處理技術(shù)應(yīng)用到病害特征提取識(shí)別中的研究與發(fā)展，分別從形狀、顏色、紋理的特征提取出發(fā)，基于部分學(xué)習(xí)方法的病害識(shí)別，對(duì)近些年作物病害特征提取識(shí)別的應(yīng)用研究進(jìn)行綜述，分析幾種特征在病害識(shí)別研究中的優(yōu)勢(shì)與不足，并對(duì)病害特征在農(nóng)業(yè)檢測(cè)識(shí)別應(yīng)用的前景進(jìn)行展望。

關(guān)鍵詞：圖像處理;病害特征;特征提取;病害識(shí)別;優(yōu)勢(shì);不足

中圖分類號(hào)： TP391.4? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A? 文章編號(hào)：1002-1302（2019）05-0071-04

收稿日期：2017-12-18

基金項(xiàng)目：河南省科技廳科技攻關(guān)（編號(hào)：162102110118）;河南省高等學(xué)校青年骨干教師培養(yǎng)計(jì)劃（編號(hào)：2016GGJS-088）。

作者簡(jiǎn)介：刁智華（1982—），男，河南夏邑人，博士，副教授，主要從事農(nóng)作物病害識(shí)別及精準(zhǔn)噴藥技術(shù)有關(guān)研究。E-mail：diaozhua@163.com。

我國(guó)是一個(gè)農(nóng)業(yè)大國(guó)，擁有悠久的發(fā)展歷史，但農(nóng)業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)程度并不高。不能及時(shí)獲取作物生長(zhǎng)期間的信息，從而進(jìn)行有效的生產(chǎn)管理，這一直是困擾我國(guó)農(nóng)業(yè)發(fā)展水平低的一個(gè)重要原因。在傳統(tǒng)的獲取農(nóng)業(yè)信息中，農(nóng)業(yè)專家通過定期去田間觀察，依靠視覺對(duì)植物生長(zhǎng)進(jìn)行評(píng)估，通過長(zhǎng)期積累的經(jīng)驗(yàn)來對(duì)作物病害程度進(jìn)行判斷。這種方法雖然可以解決農(nóng)作物生長(zhǎng)中的一些問題，但對(duì)未來農(nóng)業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)并不適用，既需要大量農(nóng)業(yè)專家，又浪費(fèi)時(shí)間，而且還不能對(duì)作物生長(zhǎng)的實(shí)時(shí)信息作出正確的判斷。因此，迫切須要一種方法來解決該問題。數(shù)字圖像處理技術(shù)，簡(jiǎn)而言之就是利用計(jì)算機(jī)對(duì)圖像進(jìn)行處理，來達(dá)到所需要的效果。利用計(jì)算機(jī)將圖像信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)并加以處理，提高圖像效果是圖像處理的目的。隨著計(jì)算機(jī)的飛速發(fā)展，圖像處理技術(shù)發(fā)展也得到了很大的提高，在生活各個(gè)領(lǐng)域中均有應(yīng)用，如航空航天、軍事活動(dòng)、醫(yī)學(xué)研究、工業(yè)生產(chǎn)和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等。圖像處理技術(shù)尤其給農(nóng)業(yè)自動(dòng)化帶來質(zhì)的提升，其技術(shù)在農(nóng)作物種子分類、農(nóng)產(chǎn)品的質(zhì)量檢測(cè)、生長(zhǎng)階段的缺素識(shí)別檢測(cè)以及病害程度識(shí)別等均有應(yīng)用。作物病害會(huì)影響作物生長(zhǎng)，與正常植株產(chǎn)生一定的差異，利用圖像處理技術(shù)可以更好地觀察差異，及時(shí)有效地獲取作物生長(zhǎng)和病害程度信息，避免農(nóng)害對(duì)作物產(chǎn)量的影響?；趫D像處理的病害識(shí)別技術(shù)一般包括圖像預(yù)處理（圖像去噪、增強(qiáng)、平滑、銳化）、圖像分割、特征提取、圖像識(shí)別。圖像分割的效果影響著特征提取，而圖像特征提取是圖像處理技術(shù)的關(guān)鍵，特征提取決定著病害識(shí)別的結(jié)果，從而影響著對(duì)作物病害的控制。目前，圖像特征的提取沒有明確的定義，特征的提取種類各種各樣，提取的難易程度和效果也不相同。常用的病害特征有形狀特征、顏色特征、紋理特征。在處理作物病害圖像時(shí)，形狀特征、顏色特征、紋理特征具有不同的特征表現(xiàn)，不同的病害特征在病害識(shí)別中起不同的作用，既具有優(yōu)勢(shì)也擁有許多不足，造成病害特征提取困難。選擇一種合適的病害特征或者綜合病害特征，可以有效地對(duì)作物病害進(jìn)行診斷，從而更加高效地識(shí)別作物病害。因此，利用病害特征提取技術(shù)在農(nóng)業(yè)檢測(cè)識(shí)別方面的研究具有很大意義。

1 病害特征的分類應(yīng)用

特征選擇是病害圖像處理的關(guān)鍵，病害特征的選擇影響著病害識(shí)別。作物感染病害時(shí)，病害作物在形狀、顏色、紋理等與正常植株有著明顯的病理特征差異。近年來，大量研究人員利用形狀特征、顏色特征、紋理特征進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)研究，分析各病害特征的特點(diǎn)，并且取得了一定的研究成果。

1.1 基于形狀特征的應(yīng)用

形狀表示物體的存在和表現(xiàn)形式，形狀是描述圖像非常重要的一個(gè)特征，具有非常明顯的特征表現(xiàn)。相較于顏色和紋理特征，形狀特征的表達(dá)必須以對(duì)圖像中物體或區(qū)域的劃分為基礎(chǔ)。形狀特征提取方法通常以輪廓特征和區(qū)域特征來表示，輪廓特征利用了物體的邊界描述特征，而區(qū)域特征則描述了整個(gè)形狀區(qū)域。

在形狀特征方面，國(guó)內(nèi)外學(xué)者做了一些有益的探索，并取得了部分研究成果。史智興等將圖像處理技術(shù)應(yīng)用到玉米研究中，提取了玉米籽粒的白色部分與黃色部分的面積，定義了白色部分與黃色部分的面積比，發(fā)現(xiàn)該黃白比在進(jìn)行玉米識(shí)別中具有顯著作用[1]。胡維煒等對(duì)大豆作物的病害程度進(jìn)行評(píng)估，提出大豆葉面相對(duì)病斑面積法，結(jié)果表明，計(jì)算的大豆葉面相對(duì)病斑面積可以很好地對(duì)病害程度進(jìn)行評(píng)估[2]。刁智華相較于傳統(tǒng)的形狀參數(shù)特征，將不變矩引入到形狀特征中，用7個(gè)hu不變矩來作為病害診斷的形狀特征[3]。Zhu等從分割的葉片中提取了面積、周長(zhǎng)、矩形、圓形度和形狀復(fù)雜度等作為形狀特征參數(shù)，對(duì)30張玉米病害圖像進(jìn)行識(shí)別，識(shí)別率可達(dá)80%[4]。王雪等選取定義了位置和方向、偏心率等特征參數(shù)，結(jié)合一些其他特征參數(shù)進(jìn)行了黃瓜霜霉病自動(dòng)識(shí)別研究，該系統(tǒng)識(shí)別效果良好[5]。邵慶等利用圖像處理技術(shù)研究了小麥條銹病，計(jì)算了病斑的矩形度、圓形度、縱橫比、面積和周長(zhǎng)等5個(gè)特征量，作為病斑的形狀特征，為病害診斷系統(tǒng)提供了數(shù)據(jù)信息[6]。李先鋒等利用形狀特征對(duì)作物與雜草進(jìn)行了識(shí)別研究，選取了基本幾何特征，無(wú)量綱幾何特征、hu矩特征等參數(shù)[7]。結(jié)果表明，優(yōu)化后的混合特征可以精確地將作物與雜草識(shí)別出來，優(yōu)化了形狀特征在農(nóng)田雜草識(shí)別技術(shù)。杭騰等測(cè)定了番茄的莖粗、株高、果實(shí)的橫截面積等特征對(duì)番茄長(zhǎng)勢(shì)信息進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，更加詳細(xì)地描述了作物的生長(zhǎng)信息[8]。Jia等在黃瓜細(xì)菌角葉斑病和霜霉病研究中提取了形態(tài)特征，結(jié)果表明，基于形狀特征的黃瓜葉斑病識(shí)別方法的應(yīng)用性[9]。Yousefi等將旋轉(zhuǎn)不變小波描述子引入來描述形狀特征，與橢圓傅里葉描述葉形狀比較，該形態(tài)特征具有較好的分類表現(xiàn)[10]。

基于形狀特征在農(nóng)作物病害識(shí)別方面應(yīng)用廣泛，提取一些形狀特征明顯的病害識(shí)別效果良好，但面對(duì)一些非常復(fù)雜的形狀特征難以提取識(shí)別時(shí)，須要考慮病害形狀特征的識(shí)別效果，如形狀特征處理形變圖像的效果比較一般。另外，圖像分割的效果會(huì)直接影響形狀特征參數(shù)的提取，尋找合適的病斑分割方法是提取形狀特征的一個(gè)關(guān)鍵部分。

1.2 基于顏色特征的應(yīng)用

顏色特征是一種全局特征，顏色特征體現(xiàn)了物體的表面性質(zhì)，通常觀察葉部的顏色可以判斷一些農(nóng)作物的長(zhǎng)勢(shì)信息。相對(duì)于形狀特征，顏色特征提取更加高效，面對(duì)一些分割困難的圖像，可以用顏色特征來識(shí)別特征，而且顏色特征對(duì)圖像的方向和大小變化不敏感。因此，利用顏色特征提取識(shí)別，可以很好地判斷作物生長(zhǎng)情況。

在顏色特征方面，國(guó)內(nèi)外研究者投入了一定的精力，取得了可喜的科研成就。Zou等提取了17個(gè)顏色特征建立了基于公式表達(dá)樹的組織特征參數(shù)，最后實(shí)現(xiàn)了蘋果的自動(dòng)色彩分級(jí)[11]。王美麗等選取小麥常見葉部病害圖像，基于HSV[hue（色調(diào)）、saturation（飽和度）、value（明度）]顏色空間的H、S分量作為顏色特征，利用小麥白粉病和銹病的顏色差距將這2種病害分離識(shí)別[12]。毋媛媛針對(duì)RGB和HSI顏色空間，重新定義了RGB到HSI的轉(zhuǎn)換公式，并從中提取了顏色特征分量，作為小麥葉部病害智能識(shí)別系統(tǒng)中顏色特征[13]。謝澤奇提取了關(guān)于RGB和HSI分量的均值、方差、偏度、峰值等多個(gè)顏色特征，選擇出6個(gè)特征結(jié)合分類器對(duì)病害識(shí)別[14]。結(jié)果表明，利用RGB和HSI分量的顏色特征識(shí)別度很高，為黃瓜病害識(shí)別算法提供了方法。王若蘭以霉變玉米為研究對(duì)象，根據(jù)霉變程度顏色的變換，提取顏色特征來了解霉變的程度[15]。Stricker等提出了1種表示顏色特征的方法，稱為顏色矩，有一、二、三階矩等，顏色信息主要分布在一、二階矩等低階矩中[16]。夏永泉等將顏色矩應(yīng)用到RGB顏色空間中，分別提取了RGB空間各分量的一二階矩共6個(gè)顏色特征作為農(nóng)田小麥病害診斷的特征[17]。崔艷麗等將圖像特征提取技術(shù)應(yīng)用到黃瓜病害研究，分別提取了色調(diào)H、色調(diào)直方圖統(tǒng)計(jì)特征參數(shù)以及百分率直方圖等顏色特征。結(jié)果表明，百分率直方圖提取的顏色特征可以解決葉片形狀大小的影響，直方圖統(tǒng)計(jì)分析的色調(diào)H偏度顏色特征具有較好的效果[18]。胡敏等將模糊量化直方圖、顏色聚合度作為病害的顏色特征，結(jié)合利用顏色共生矩陣提取的特征對(duì)玉米病害識(shí)別研究[19]。

顏色特征對(duì)農(nóng)作物病害識(shí)別具有重要的參考價(jià)值，作物病害在顏色種類和程度上最為直接明顯，因此廣泛地應(yīng)用于病害診斷和程度鑒定。目前，一般顏色特征是圖像區(qū)域內(nèi)所有的像素點(diǎn)的統(tǒng)計(jì)，不能很好地表示圖像的局部特征，造成識(shí)別顏色相近的病害效果較差。而且圖像清晰度影響著基于顏色特征的提取，容易受到環(huán)境的干擾。因此，基于顏色特征的提取須要進(jìn)一步的研究。

1.3 基于紋理特征的應(yīng)用

紋理是圖像的基本屬性之一，它具有一定規(guī)律的排列表達(dá)，是物體表面特征體現(xiàn)的重要部分。紋理通過像素和某一空間的灰度分布表達(dá)了顏色和灰度的變化，是一種不依賴于顏色或亮度的視覺特征[20]。紋理作為視覺的感知形式的重要組成部分，具有非常明顯的優(yōu)勢(shì)。因此，可以通過提取紋理特征來分析作物病害。

研究人員對(duì)紋理特征進(jìn)行了研究，并取得了一定的研究成果。田有文基于國(guó)際照明委員會(huì)（Commission Internationale de LEclairage，簡(jiǎn)稱CIE）XYZ顏色空間的上提出了表達(dá)色度圖和色度值的二維分布的色度矩，在以此為特征向量對(duì)葡萄病害進(jìn)行識(shí)別，可以作為葡萄病害識(shí)別參考方法[21]。陳兵旗等將每一個(gè)像素作為目標(biāo)像素計(jì)算其局部二值模式（local binary pattern，簡(jiǎn)稱LBP），并得到紋理矩陣圖像進(jìn)行圖像分割，分割效果良好[22]。楊倩等利用改進(jìn)的LBP算子均勻模式進(jìn)行紋理特征提取，該方法降低了特征向量的維數(shù)，提高了識(shí)別分類的準(zhǔn)確度[23]。王樹文等從灰度梯度共生矩陣中提取了能量、相關(guān)性、同次性和差異性4個(gè)紋理特征參數(shù)，作為黃瓜病害識(shí)別系統(tǒng)的特征參數(shù)[24]。張靜等利用灰度共生矩陣提取出多個(gè)特征參數(shù)，并用直方圖篩選出最優(yōu)特征參數(shù)。結(jié)果表明，提取出的慣性值紋理特征可以診斷斑疹病和角斑病[25]。毛罕平等在葉片番茄缺素的研究中，分別利用差分算子、傅里葉變換、小波包提取了紋理在時(shí)域、頻域、時(shí)頻域的特征，結(jié)合遺傳算法進(jìn)行優(yōu)化選擇，選擇出了優(yōu)化組合，識(shí)別率較高[26]。Bakhshipour等利用小波變換構(gòu)建了同現(xiàn)矩陣，從而定義了小波紋理特征。結(jié)果表明，基于小波紋理特征的雜草識(shí)別精度高[27]。王懷宇等提取了綜合灰度共生矩陣和統(tǒng)計(jì)矩的紋理特征，對(duì)玉米苗期的田間雜草識(shí)別，該系統(tǒng)可以滿足雜草識(shí)別要求[28]。Rojas利用灰度共生矩陣結(jié)合主成分分析法選取了10個(gè)紋理特征參數(shù)，作為蔬菜和雜草分類系統(tǒng)的特征參數(shù)，具有很好的效果[29]。

基于紋理特征的病害研究，在病害、雜草識(shí)別等應(yīng)用中具有廣闊的應(yīng)用市場(chǎng)。與顏色特征一樣，紋理特征提取會(huì)受環(huán)境影響，光照、反射和圖像清晰度等因素會(huì)造成紋理特征計(jì)算誤差。但紋理特征體現(xiàn)了物體表面規(guī)律性屬性，當(dāng)提取圖像紋理信息清晰時(shí)，紋理特征提取識(shí)別非常的高效有用?；诩y理特征的提取識(shí)別需要更多的研究。

1.4 基于混合特征的應(yīng)用

混合特征是將形狀特征、顏色特征、紋理特征結(jié)合到一起，充分利用各個(gè)特征的特點(diǎn)，更加完整詳細(xì)地描述病害信息?；旌咸卣飨啾扔趩我惶卣?，彌補(bǔ)了單個(gè)特征的描述不足，從而更加高效地對(duì)作物病害進(jìn)行管理。

許多學(xué)者對(duì)基于形狀、顏色、紋理等綜合特征提取的作物病害圖像處理進(jìn)行了大量的研究和分析?；谛螤睢㈩伾?、紋理等特征在農(nóng)作物檢測(cè)管理中使用廣泛，但單一的特征參數(shù)已經(jīng)不能滿足一些復(fù)雜的農(nóng)情情況，利用形狀、顏色、紋理等綜合特征結(jié)合一些學(xué)習(xí)算法，可以更好地診斷病害，提高精確度。師韻等通過病斑分割提取了綜合特征，分析并降低了特征維數(shù)，識(shí)別了蘋果落葉病、花葉病、銹病等3種常見疾病[30]。劉君等從病斑特征中提取了多個(gè)混合特征向量，對(duì)葉部病害進(jìn)行診斷。該系統(tǒng)適用于黃瓜、番茄等園藝性作物病害診斷[31]。鄧?yán)^忠等結(jié)合形狀和紋理特征對(duì)小麥網(wǎng)腥、印度腥、矮腥3種病害進(jìn)行分類識(shí)別研究。試驗(yàn)表明，結(jié)合支持向量機(jī)的識(shí)別系統(tǒng)具有較高的識(shí)別率[32]。秦豐等在病斑圖像中提取了狀形、顏色、紋理等綜合特征參數(shù)，識(shí)別苜蓿4種病害，為苜蓿葉部病害識(shí)別提供了特征參數(shù)[33]。田凱等分析了病斑的形狀、顏色、紋理等特征，并通過方差和主成分分析法優(yōu)選了20個(gè)特征參數(shù)作為特征向量，結(jié)合Fisher判別函數(shù)對(duì)茄子褐紋病病害進(jìn)行識(shí)別。試驗(yàn)表明，該識(shí)別方法可以對(duì)茄子褐紋病進(jìn)行診斷，減少褐紋病對(duì)茄子的影響[34]。Zhang等在黃瓜的病害識(shí)別中，從病害圖像中提取了關(guān)于形狀和顏色的特征參數(shù)，利用稀疏表示的稀疏特性降低了計(jì)算量，提高了對(duì)黃瓜病害的識(shí)別[35]。馬浚誠(chéng)等同樣提取了混合特征對(duì)黃瓜霜霉病進(jìn)行識(shí)別研究，采用粗糙集方法優(yōu)化特征參數(shù)，加快了對(duì)病害識(shí)別的速率，滿足蔬菜葉部病害診斷的需求[36]。劉濤等在形狀、紋理和顏色特征的基礎(chǔ)上又提出病健交界特征，豐富了混合特征，彌補(bǔ)了相似病斑的區(qū)分度不足的缺陷[37]。Dewi等對(duì)甘蔗葉片的特征組合進(jìn)行了分析研究，基于混合特征的識(shí)別率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于單一特征提取的病害識(shí)別[38]。凌秀華等從麥冬藥材表面圖像提取了混合特征，又將藥材橫切面特征加入了特征描述中，促進(jìn)了特征提取的廣泛性，有利于更好的圖像信息提取[39]。

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