中國蘋果葉片病蟲害2015年光譜和圖像數(shù)據(jù)集

高 飛 王曉麗 劉婷婷* 李 壯 滿 芮

（1.中國農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)業(yè)信息研究所，北京 100081；2.中國農(nóng)業(yè)科學院果樹研究所，遼寧 125100；3.國家農(nóng)業(yè)科學數(shù)據(jù)中心，北京 100081；4.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)重點實驗室，北京 100081；5.廣東省農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)業(yè)經(jīng)濟與農(nóng)村發(fā)展研究所，廣東 510640）

數(shù)據(jù)庫（集）基本信息簡介

1 引言

中國蘋果種植面積和總產(chǎn)量居世界首位，然而我國在蘋果生產(chǎn)管理過程中，對蘋果病蟲害的監(jiān)測大都采用人工采集樣品的方式，這種方式往往效率較低。利用近紅外光譜技術(shù)尤其是衛(wèi)星遙感技術(shù)不僅能快速監(jiān)測，而且對大面積（例如一個縣或市）的病蟲害進行高效監(jiān)測都具有較強優(yōu)勢。因此，開展近紅外光譜技術(shù)的果樹病蟲害數(shù)據(jù)收集，對增強果園現(xiàn)代化管理水平具有重要科學意義。

在果樹光譜和圖像數(shù)據(jù)采集研究中，田有文采集了160 個受蟲害脅迫的蘋果高光譜圖像數(shù)據(jù)集[1]。Ronald P.Haff 等收集了受果蠅侵染的芒果高光譜圖像[2]。Purcell 等采集了甘蔗葉片病蟲害的近紅外光譜數(shù)據(jù)[3]。Teixeira 采集了影響梨的鱗翅目卷蛾科害蟲近紅外光譜數(shù)據(jù)[4]。程立真在蒙陰蘋果園獲取了100 個蘋果葉片的光譜、圖像、葉綠素和磷含量數(shù)據(jù)[5]。劉思伽采集了帶有病害的寒富蘋果240個光譜數(shù)據(jù)集。從前人相關(guān)工作來看，多數(shù)集中在對受害蘋果的光譜和圖像數(shù)據(jù)采集，對蘋果葉片病蟲害數(shù)據(jù)采集的研究報道較少。

為彌補以上不足，通過收集國家蘋果資源圃中分別患有斑點落葉病、紅蜘蛛蟲害、白粉病3 種不同病蟲害的蘋果葉片光譜反射率和圖像數(shù)據(jù)，為蘋果葉片在不同病蟲害脅迫下進行有效識別提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

2 數(shù)據(jù)采集和處理方法

2.1 選葉、采葉及葉片預(yù)處理

研究區(qū)位于遼寧興城(40°16'～40°50'N，120°06'～120°50'E)，目前該地區(qū)是我國農(nóng)業(yè)部認定的優(yōu)質(zhì)水果生產(chǎn)基地。本實驗在2015 年7—8 月開展，從果樹所國家級資源圃中選取感染不同病蟲害的蘋果葉片，根據(jù)發(fā)病情況，在發(fā)病葉片較多的部位選取代表性葉片1～2 片，采集后放入干凈的袋子中（進行樣品編號，如圖1 所示），放入恒溫箱中帶回實驗室。為確保樣品新鮮，在恒溫箱中放入冰塊。分別采集斑點落葉病、紅蜘蛛蟲害、白粉病葉片各37、21、49 片。為確保葉片病害部位不被影響，不對葉片做清洗處理。

2.2 葉片近紅外光譜數(shù)據(jù)采集

本實驗使用美國ASD（AnalyticalSpectralDevice）公司的FieldSpec3 便攜式光譜輻射計進行光譜測量；該儀器的有效光譜范圍在350～2500 nm 之間，光譜分辨率為1nm。光譜儀需搭配Windows 系統(tǒng)環(huán)境的筆記本，并安裝配套的采集軟件。本實驗使用Field‐SpecRS3（以下簡稱RS3）軟件進行光譜采集、儀器優(yōu)化和白板校正等。為保證儀器狀態(tài)穩(wěn)定，開機預(yù)熱時間不少于1 小時[8-9]。探頭為裸光纖，前視場角25°。測量時固定在樣品正上方10cm 處，垂直于葉片的正面；使用光譜儀配套的50W 鹵化燈作為室內(nèi)光源（約3100 K 色溫，模擬太陽光），并距離樣品45cm 左右，45°的入射角；葉片正面朝上放置，以黑色不反光的棉布為背景[10]。

光譜的采集步驟如下：在確保光譜儀和筆記本電腦充滿電的情況下進行。準備好用于校正的白板。打開光譜儀電源，然后再打開電腦電源，并將電腦進行網(wǎng)絡(luò)連接，確保電腦與儀器連接成功。啟動RS3軟件，在“Control/adjustconfiguration”窗口上調(diào)整光譜平均值、暗電流平均（一般為60）和白板采集次數(shù)（一般為30）。在“Control/spectrum save”窗口中選擇存儲位置并預(yù)設(shè)光譜數(shù)據(jù)命名規(guī)則。測量時，光譜儀探頭先對準白板，點擊軟件的OPT 按鈕進行優(yōu)化，此時光譜反射率在100%處呈一條直線；然后點擊WR 采集參比光譜，此時軟件進入測量狀態(tài)；最后，將鏡頭移向被測葉片，按空格鍵保存反射光譜。使用完畢需先關(guān)電腦，后關(guān)閉儀器。在測量過程中需注意：白板校準時確保白板充滿探頭視場；每隔10 min 進行一次白板校正和優(yōu)化，每隔3～5分鐘采集一次暗電流。每次采集10 次光譜數(shù)據(jù)求平均后存儲在指定文件夾生成1 條.asd 數(shù)據(jù)，每個樣本采集10 次，生成10 條數(shù)據(jù)。采集的數(shù)據(jù)格式為ASCII文件，后期可通過ASD公司的ViewSpecPro 軟件查看，并可轉(zhuǎn)化為.txt 等格式，按照約定的協(xié)議進行數(shù)據(jù)分析讀取工作。

2.3 蘋果葉片圖像采集

本實驗使用尼康D90 型數(shù)碼相機和尼克爾鏡頭進行葉片圖像數(shù)據(jù)采集。D90 采用了有效像素為1230 的DX 格式CMOS 傳感器；感應(yīng)器尺寸為23.6×15.8mm；感光度為200～3200；具有11 點自動對焦區(qū)域；快門時滯大約65 毫秒；具有測光控制和自動DLighting功能，可彌補圖片中的細節(jié)丟失。

在采集葉片圖像時，將葉片置于配有標尺的黑色平板上，黑色背景反射率幾乎為0，可降低對環(huán)境的影響，且方便后期進行圖像處理。通過標尺可測量葉片的寬度和長度。為避免陰影產(chǎn)生，同時確保光照強度穩(wěn)定，分別在左右兩側(cè)架設(shè)一盞攝影燈。將相機無傾斜的置于距離葉片上方40cm 左右，并使用自動曝光模式進行拍攝。圖像格式為JPEG，尺寸為4288 像素×2848像素[8]。

3 數(shù)據(jù)樣本描述

3.1 蘋果葉片近紅外光譜數(shù)據(jù)

不同蘋果品種或樹齡的葉片光譜數(shù)據(jù)單獨保存為一個文件夾，每10 條連續(xù)的.asd 數(shù)據(jù)，對應(yīng)同一葉片的光譜數(shù)據(jù)。文件夾按照“序號+病蟲害名稱”的方式命名。光譜數(shù)據(jù)示例如圖2所示。

3.2 蘋果葉片圖像數(shù)據(jù)

三種病蟲害葉片圖像數(shù)據(jù)分別保存在不同的文件夾中，文件夾按照“序號+病蟲害名稱”的方式命名。部分圖像示例如圖3所示。

4 數(shù)據(jù)質(zhì)量控制和評估

為確保數(shù)據(jù)質(zhì)量和可靠性，所有蘋果葉片均采集于國家級蘋果標準資源圃，由中國農(nóng)業(yè)科學院果樹研究所的專業(yè)人員進行病害葉片采集和實驗操作規(guī)范指導。采用國際通用的光譜采樣方法采集葉片近紅外光譜數(shù)據(jù)。采用高清相機進行圖像采集，并使用國際通用的JPEG格式進行存儲。圖像采集時使用標準刻度尺作為參考，刻度單位為毫米，可為使用者提取葉片大小提供依據(jù)。

數(shù)據(jù)采集與整理過程中，數(shù)據(jù)質(zhì)量由人工檢查和機器檢測聯(lián)合控制的方式進行，由果樹所專業(yè)人員選取病葉，選取后如有不確定病葉通過儀器測試確定。采集后對問題葉片和光譜進行人工剔除。

5 數(shù)據(jù)使用方法和建議

通過對不同病害光譜進行分析，對病害進行識別；另外可通過病葉紋理、形狀及病葉狀態(tài)等圖像信息，分析病蟲害圖像特征，對病害進行識別。

數(shù)據(jù)作者分工職責

高飛（1988—），男，河北人，博士，助理研究員，主要從事農(nóng)業(yè)科學數(shù)據(jù)獲取與分析研究。本研究主要工作：數(shù)據(jù)匯總整理及論文撰寫。

王曉麗（1982—），女，河北人，博士，助理研究員，主要從事農(nóng)業(yè)科學數(shù)據(jù)獲取與分析研究。本研究主要工作：數(shù)據(jù)整理。

劉婷婷（1985—），女，北京人，碩士，助理研究員，主要從事農(nóng)業(yè)科學數(shù)據(jù)獲取與分析研究。本研究主要工作：總體設(shè)計與組織實施。

李 壯（1975—），男，吉林人，博士，副研究員，主要從事果樹營養(yǎng)與施肥研究。本研究主要工作：蘋果病害葉片采集。

滿 芮（1985—），女，北京人，博士，助理研究員，主要從事農(nóng)業(yè)科學數(shù)據(jù)管理與共享研究。本研究主要工作：光譜和圖像數(shù)據(jù)采集。