基于螢火蟲-支持向量機(jī)方法的糧粒內(nèi)部米象齡期判別

郭玥瑤 李弘瑞 蔡永勝 王宇

摘要：研究并判別米象所處發(fā)育齡期，為糧食儲(chǔ)藏及制定合理的糧蟲防治措施提供科學(xué)依據(jù)。以對糧食危害最為嚴(yán)重的米象為研究對象，提取基于二值圖像的侵染粒中蟲道的二維形態(tài)學(xué)特征，侵染粒三維圖像灰度值的基本統(tǒng)計(jì)特征及基于特征變換的紋理特征，與二維特征相結(jié)合，構(gòu)建原始特征空間，應(yīng)用優(yōu)化算法選取最優(yōu)特征組合，并利用螢火蟲算法-支持向量機(jī)方法（FA-SVM）判別米象所處發(fā)育齡期，識(shí)別率達(dá)到95%以上，有效識(shí)別出米象所處發(fā)育齡期。

關(guān)鍵詞：米象；侵染粒；特征；FA-SVM

中圖分類號：TS207.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.16465/j.gste.cn431252ts.20210527

糧食倉儲(chǔ)問題一直以來都是糧食安全問題的核心，也是世界各國高度關(guān)注的研究課題[1]。隨著社會(huì)的進(jìn)步和發(fā)展，糧食產(chǎn)量有了很大的提高，儲(chǔ)藏量也日益增多，但在糧食的儲(chǔ)藏過程中，容易產(chǎn)生霉變、蟲蝕、鼠害及污染等問題，其中儲(chǔ)糧害蟲的危害較為嚴(yán)重，我國每年因儲(chǔ)糧害蟲造成的損失達(dá)到20多億元[2]。當(dāng)大面積的儲(chǔ)糧害蟲發(fā)生時(shí)，會(huì)造成很大程度上的經(jīng)濟(jì)損失，而且會(huì)影響糧食及糧食制品的品質(zhì)，同時(shí)會(huì)傳播致病微生物，對人體健康構(gòu)成潛在威脅[3]。在眾多的儲(chǔ)糧害蟲中，米象是對糧食造成危害最大的一種害蟲。米象成蟲將卵產(chǎn)在糧粒內(nèi)部，直到卵發(fā)育至低齡幼蟲，開始啃食糧粒內(nèi)部，在糧粒內(nèi)部形成空腔，此時(shí)對糧食的危害最大。米象幼蟲由于體積較小，在糧粒內(nèi)部難以檢測，所以很難被察覺。如能在米象幼蟲期就能進(jìn)行合理的防治，可大大減少其帶來的危害。因此，米象等儲(chǔ)糧害蟲的早期檢測一直都是國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)，許多學(xué)者對此進(jìn)行了大量的研究。

Ridgway等[4-5]選取合適波長，研制了近紅外谷象侵染檢測系統(tǒng)，但檢測效率有待進(jìn)一步提高；Dowell等[6]利用近紅外光譜儀實(shí)現(xiàn)對糧粒內(nèi)部的害蟲檢測，該法對含蛹和成蟲期的糧粒檢測有良好的效果，對低齡幼蟲的糧粒識(shí)別率僅為63%；Karunakaran等[7-8]利用軟X射線檢測麥粒的侵染，對米象、谷蠹幼蟲的識(shí)別率達(dá)到95%，但無法檢測出蟲卵；Fornala等[9]建立了麥粒侵染程度和侵染時(shí)間的方程式，其預(yù)測準(zhǔn)確率達(dá)到90%，但需要在米象產(chǎn)卵5 d后才能被檢測到；Toews等[10]研究利用CT成像法來分析糧粒內(nèi)部害蟲的侵染，該法對每100 g樣品中的5個(gè)蛹期侵染麥粒的識(shí)別精度達(dá)到94%，但需要在樣本中加入食用油以提高對比度，且識(shí)別率隨侵染粒數(shù)量的增加而降低；Zhang等[11]利用電鼻子陣列檢測糧食是否受到害蟲侵染，該法對樣本容器的密閉性要求較高；Manickavasagan等[12]利用熱成像儀來判斷麥粒的侵染，該法對糧粒侵染的檢測精度達(dá)到83%，但檢測過程較為繁瑣；Pearson等[13-14]提出將電導(dǎo)率法用于糧粒內(nèi)部害蟲的檢測，該法無法檢測儲(chǔ)糧害蟲幼蟲；Nawrocka等[15]研究了糧粒內(nèi)害蟲蟲齡、有機(jī)玻璃校準(zhǔn)指示器的灰度級與小麥質(zhì)量損失之間的關(guān)系；Chelladurai等[16]利用基于特征融合的方法對大豆侵染進(jìn)行檢測，檢測精度得到提高，但增加了設(shè)備成本和檢測時(shí)間；張紅濤等[17]提出分腹溝朝上、朝下和側(cè)向3個(gè)姿態(tài)對糧粒內(nèi)部害蟲的侵染進(jìn)行判別分析，該法大大提高了識(shí)別率，但無法檢測含卵和低齡幼蟲的糧粒；Shi等[18-19]利用生物光子輻射信號判別糧粒內(nèi)部的侵染，對收到米象侵染小麥的識(shí)別率達(dá)到95%，但受環(huán)境溫度的影響較大。

綜上所述，國內(nèi)外學(xué)者利用各種新技術(shù)開展了糧粒內(nèi)部害蟲的檢測研究，取得了一定的效果。本文利用Micro-CT采集侵染粒的二維圖像，應(yīng)用圖像處理的方法分割出蟲道，提取蟲道的二維形態(tài)學(xué)特征、三維圖像灰度值的基本統(tǒng)計(jì)特征以及基于特征變換的紋理特征，分析了米象由卵期發(fā)育至成蟲期的過程中的蟲蝕規(guī)律，并將二維特征與三維特征相結(jié)合，構(gòu)建原始特征空間，應(yīng)用模擬退火算法對特征進(jìn)行優(yōu)化，選取最優(yōu)特征組合，利用螢火蟲算法-支持向量機(jī)方法（FA-SVM）判別米象所處發(fā)育齡期，識(shí)別率達(dá)到95%以上，有效識(shí)別出侵染粒中米象所處發(fā)育齡期，為制定合理的糧蟲防治措施提供科學(xué)依據(jù)。

1 圖像采集及預(yù)處理

1.1 侵染粒樣本培育及設(shè)備

1.1.1 樣本培育

實(shí)驗(yàn)采用的米象成蟲樣本來自于河南工業(yè)大學(xué)，糧粒為百農(nóng)207小麥品種。

將麥粒用水浸泡1 h，用電熱鼓風(fēng)干燥箱烘干麥粒，使水分保持在15%左右。將3 000頭米象與100 g烘干后的麥?；旌?，放入恒溫恒濕培養(yǎng)箱（30 ℃，70% RH）中培育，3 d后篩除成蟲，并將麥粒放入培養(yǎng)箱中繼續(xù)培育。自米象與麥?；旌虾蟮牡?、9、17、22、28天分別為卵期、低齡幼蟲期、高齡幼蟲期、蛹期和成蟲期，根據(jù)培養(yǎng)時(shí)間的不同選出處于不同發(fā)育齡期的侵染粒，并放入冰箱中冷凍，使侵染粒保持在該時(shí)期的狀態(tài)。

1.1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

柜式錐束型Micro-μCT 100：瑞士SCANCO MEDICAL公司；HWHS-250型恒溫恒濕培養(yǎng)箱：金壇市儀都儀器有限公司；ML104型電子天平：梅特勒-托利多儀器有限公司；DHG9030（A）型電熱鼓風(fēng)干燥箱：上海一恒科學(xué)儀器有限公司；TAL-2型干濕球溫度計(jì)：衡水創(chuàng)紀(jì)儀器儀表有限公司；QTH-C型糧食水分測定儀：北京綠野創(chuàng)能機(jī)電設(shè)備有限公司。

1.2 微計(jì)算機(jī)斷層掃描技術(shù)圖像采集

微計(jì)算機(jī)斷層掃描技術(shù)（micro computed tomography，Micro-CT）是一種非破壞性的3D成像技術(shù)，有著極高的分辨率，可以達(dá)到微米級別，具有良好的顯微作用，可以對目標(biāo)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行了解分析。Micro-CT常采用錐形X線束對樣本進(jìn)行掃描，以獲得各向同性的容積圖像，提高空間分辨率和射線利用率。目前Micro-CT常用于活道動(dòng)物組織生長情況的研究、材料科學(xué)、半導(dǎo)道材料和結(jié)構(gòu)、以及地質(zhì)學(xué)研究等領(lǐng)域。

本實(shí)驗(yàn)利用Micro-CT掃描侵染粒樣本，得到不同齡期的侵染粒圖像投影數(shù)據(jù)，并利用FDK算法對投影數(shù)據(jù)進(jìn)行重建，得到重建后的各齡期侵染粒的二維圖像如圖1所示。

1.3 圖像預(yù)處理

最大類間方差法（Ostu法）是由日本學(xué)者大津于1979年提出，該方法按照圖像的灰度特性，自動(dòng)求取最佳閾值，將圖像分為背景和目標(biāo)兩部分。

本實(shí)驗(yàn)利用最大類間方差法求取最佳閾值，對圖1所示的重建圖像進(jìn)行二值化處理，對二值化后的圖像進(jìn)行邊界抑制，去除環(huán)形外圈，再利用聯(lián)通區(qū)域標(biāo)記法去除小面積區(qū)域，最后對包含了蟲道的二值圖像進(jìn)行填充操作，得到完整的蟲道二值圖像。各齡期蟲道二值圖像如圖2所示。

2 蟲道特征提取

米象在糧粒內(nèi)部發(fā)育過程中，其自身的體積、表面積、高度等特征有明顯的變化，且會(huì)對糧粒的紋理、灰度等特征造成影響，故試驗(yàn)共提取了蟲道的二維形態(tài)學(xué)特征、三維特征、灰度值基本統(tǒng)計(jì)特征及基于特征變換的紋理特征。

2.1 二維形態(tài)學(xué)特征

3 特征優(yōu)化與齡期判別

本文共提取了43個(gè)特征，構(gòu)建原始特征空間。因原始特征空間太大，對算法運(yùn)行帶來不便，且冗余特征較多，影響了識(shí)別的效率和精度，故需對原始特征空間進(jìn)行優(yōu)化，選取最優(yōu)特征組合。本文利用模擬退火算法對原始特征空間進(jìn)行特征優(yōu)化選擇。

3.1 特征優(yōu)化組合

模擬退火算法（SA）是基于迭代求解策略的一種隨機(jī)尋優(yōu)算法。模擬退火算法從某一較高溫度出發(fā)，隨著溫度的下降，結(jié)合概率在解空間中隨機(jī)尋找目標(biāo)函數(shù)的全局最優(yōu)解。本文利用模擬退火算法對原始特征空間進(jìn)行特征優(yōu)化組合，以交叉驗(yàn)證識(shí)別率作為選擇依據(jù)，當(dāng)優(yōu)化選擇特征組合為蟲道高度、最大橫截面積、最小外接矩形長、寬、擬合橢圓短軸長、等價(jià)圓直徑、周長、體積、表面積、復(fù)雜度、灰度統(tǒng)計(jì)特征、三階矩、一致性、平滑度共計(jì)16個(gè)特征時(shí)，交叉驗(yàn)證識(shí)別率達(dá)到最高為93%。

3.2 蟲道齡期判別

螢火蟲算法（Firefly Algorithm）是一種啟發(fā)式智能算法。它是根據(jù)螢火蟲閃爍的行為，把螢火蟲的閃光作為一個(gè)信號系統(tǒng)，以吸引其他的螢火蟲，吸引力與亮度呈正比。對于任意兩個(gè)螢火蟲，不夠明亮的螢火蟲會(huì)被吸引，移動(dòng)至更亮的螢火蟲，而本身亮度又會(huì)隨著其移動(dòng)距離的增加而減少，如果沒有比自身更亮的螢火蟲，則自身會(huì)隨機(jī)移動(dòng)。試驗(yàn)選取5個(gè)時(shí)期共200個(gè)樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行訓(xùn)練和測試，其中每個(gè)齡期有30個(gè)訓(xùn)練樣本和10個(gè)檢測樣本，并利用螢火蟲算法對SVM的c、g參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，選取最佳參數(shù)組合，對蟲道齡期進(jìn)行判別，識(shí)別率達(dá)到96%，識(shí)別結(jié)果如圖3所示。

由圖3可知，利用FA-SVM技術(shù)有效地識(shí)別出處理不同齡期的蟲道，只有低齡幼蟲期和卵期共2個(gè)蟲道樣本被識(shí)別錯(cuò)誤，有良好的識(shí)別精度。

4 結(jié) 論

（1）利用分辨率更高的Micro-CT采集侵染粒圖像，可有效觀察到糧粒內(nèi)部的結(jié)構(gòu)變化，并可觀察到不同齡期的侵染變化，為研究蟲蝕規(guī)律提供依據(jù)。

（2）提取了蟲道的三維特征信息，分析了糧粒內(nèi)部米象由卵期發(fā)育至成蟲期蟲道的大小、體積等變化規(guī)律，并提取了蟲道的二維形態(tài)學(xué)特征以及基于灰度共生矩陣的紋理特征等，構(gòu)建了原始特征空間，為判別蟲道所屬齡期提供依據(jù)。

（3）利用模擬退火算法優(yōu)化原始特征空間，選取最優(yōu)特征組合，有效去除冗余特征信息，并利用螢火蟲算法優(yōu)化支持向量機(jī)參數(shù)組合。根據(jù)優(yōu)化后的特征對蟲道樣本進(jìn)行齡期判別，正確率達(dá)到96%，只有兩個(gè)樣本被誤識(shí)。有效識(shí)別出樣本中蟲道所屬齡期，為采取合理的糧蟲防治措施提供了科學(xué)指導(dǎo)。

（4）本文在糧粒內(nèi)部米象齡期識(shí)別方面取得了一些進(jìn)展，也存在需改進(jìn)的地方。在特征提取方面可能存在一些未提取的更便于識(shí)別的有效特征，可以通過提取具有較強(qiáng)表示能力的特征來提高識(shí)別率。

參 考 文 獻(xiàn)

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Research on Age Identification of Sitophilus oryzae in Grain

Guo Yueyao， Li Hongrui， Cai Yongsheng， Wang Yu

（ Institute of Electric Power， North China University of Water Resources and Electric Power， Zhengzhou， Henan 450011 ）

Abstract： Study and determine the developmental stage of Sitophilus oryzae， then provide a scientific basis for food protection and the development of reasonable grain and insect control measures. In this paper， Sitophilus oryzae with the most serious food damage were taken as the research object， and the two-dimensional morphological characteristics of the insect tract in the infested grain based on the binary image were extracted. The basic statistical features of the gray value of the three-dimensional image of the infested grain and the texture features based on the feature transformation， and the two-dimensional features are combined to construct the original feature space. Applying the optimization algorithm to select the optimal feature combination， and using FA-SVM technology to judge the developmental stage of Sitophilus oryzae. The recognition rate is over 95%. And effectively identify the developmental stage of Sitophilus oryzae， which is effective and reasonable. Provide a reference for prevention methods.

Key words： sitophilus oryzae， infected grain， feature， FA-SVM