CN101701906A - 基于近红外超光谱成像技术的仓储害虫检测方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种针对仓储害虫的检测方法和装置，自动采集粮食筛下物的近红外超光谱图像装置由光箱、照明单元、位移单元、光谱成像单元和计算机五部分组成，其中光谱成像单元包括铟镓砷近红外相机、成像光谱仪和近红外镜头。提取同时含活虫和死虫数据立方体的最优光谱波长，确定出粮虫中活虫的头数及每个活虫在图像中的坐标信息。提取粮虫活虫所在的图像子区域，运用粮虫活虫的近红外光谱特征，运用识别软件确定出粮虫活虫的种类信息，实现仓储害虫的自动检测。

Description

基于近红外超光谱成像技术的仓储害虫检测方法和装置

技术领域

本发明涉及一种针对仓储害虫的检测方法，特指基于近红外超光谱成像技术的仓储害虫检测方法。

背景技术

我国是世界上最大的粮食生产、储藏及消费大国，搞好粮食储藏是关系到国计民生的大事。全世界收获后的粮食重量损失约为10-15％，每年储藏期间的粮食至少有5％为害虫所糟蹋。我国的国库储粮损失率为0.2％左右，这是一项了不起的成就。但是，为此付出的代价也是巨大的，特别是杀虫剂的大量使用。为了确保粮食的安全储藏，储粮每年至少要使用杀虫剂进行一次熏蒸杀虫，许多地方要熏蒸两次，甚至更多，这不仅增加了开支，对粮食和环境的污染也日趋严重，而且害虫的抗药性水平快速提高。造成这种状况的一个主要原因是害虫防治决策缺乏科学性，而害虫防治决策重要的科学依据之一就是储粮害虫的准确检测。我国《粮油储藏技术规范》明确规定，虫粮等级标准中的害虫密度统计的是活虫的数量，因此需要对活虫进行准确检测。

仓储害虫的检测方法有扦样法、诱捕法和计算机视觉法。扦样法是目前我国粮库应用最广、最为传统的方法，它是按区分层定点人工/电动扦取粮食样品，每个检测点抽取至少1kg粮食进行人工过筛，过筛后人工识别。该法劳动强度比较大、效率比较低，但该法属于被动取虫，只要存在的粮虫均可被取出，且成本低廉。诱捕法是利用陷阱或粮虫生物学习性，如趋化性、趋光性、趋高性等进行诱捕，应用比较多的是带诱虫孔的探管诱捕器。该法受温度等环境因素影响较大、诱捕的虫种比较单一、测出的结果不稳定并与筛检害虫密度缺乏准确的对应关系，另外需要放置大量的诱捕器，成本比较高，从而限制了它的应用。但该法的劳动强度比较低、工作量相对比较小。

实际上，扦样法和诱捕法都是由粮虫鉴别专家借助显微镜或直接通过感觉器官利用虫子的结构特征和颜色特征，如有无翅膀、头部大小、鞘翅形状、斑纹形状和颜色等进行鉴别。这就需要检测人员具有很专业的分类学知识，另外，粮虫本身体型非常小，种类非常多，有些粮虫之间相似度非常高，因此不可避免地会出现分类误差。另外，人工识别的效率比较低，不利于粮虫检测的自动化。

计算机视觉法是采用自动/人工抽取粮食样本，并自动采集粮虫图像，然后运用计算机视觉、图像处理、模式识别等技术自动识别粮虫。该法具有准确度高、劳动量小、效率高、粮虫图像可视化、便于和粮库现有的计算机管理系统相连接等优点。近10多年来一直是粮虫领域的研究热点，研究人员在这方面进行了大量的研究，取得了很大的进展。贺贵明等利用内部装有摄像头的探测杆摄取粮食及粮虫影像开发了粮库粮虫智能监测系统及方法(发明专利号：01125651.6)，该装置通过求取差分图像(背景图像和目标图像)的阈值来判断图像中是否有粮虫出现，可对粮虫计数和统计，但不能自动确定粮虫的种类。甄彤、张红梅、周龙等用数码相机或CCD研究了1种或3种粮虫的自动分类，识别种类过少。邱道尹、张红涛等针对9类粮虫研制了粮虫在线智能检测系统，目前系统能对粮虫实时计数并自动分类，但目前还不能有效地区分死虫和活虫。

计算机视觉法可以实现粮虫的自动分类，是粮虫检测发展的方向，但目前的计算机视觉系统最多能对9类粮虫进行分类识别，还不能辨别出粮虫的“死”“活”，无法克服“假死”问题，另外识别的种类有待于进一步增加。因此，有必要研究仓储害虫自动检测方法及其装置，以自动确定出活虫的种类和数量，实现常见仓储害虫的准确自动检测。

发明内容

本发明的目的是要提供一种基于近红外超光谱成像技术的仓储害虫检测方法及其装置，可自动采集粮食筛下物的近红外超光谱图像，依据最优光谱波长的粮虫近红外图像，分析确定粮虫活虫的位置信息，运用粮虫活虫的近红外光谱特征，由识别软件自动判别出活虫的种类，并准确计数，实现仓储害虫的自动检测。

本发明的技术方案如下：

本发明所述的检测装置由光箱、照明单元、位移单元、光谱成像单元和计算机五部分组成。其特征在于：

所述的光箱为采集盒中的筛下物提供均匀的漫反射光，内含玻璃光纤线性灯、位移台、光谱成像单元，且光谱相机和玻璃光纤线性灯上、下、左、右、前、后可自由调节。所述的照明单元由内含卤钨灯的直流可调光源和Y分支玻璃光纤线性灯构成，为成像单元提供均匀的近红外波段的光照。所述的位移单元由位移台和位移台控制器组成，位移台控制器通过数据线与位移台和计算机相连，接收来自计算机发出的位移台控制指令，并向位移台发出驱动控制命令。所述的光谱成像单元包括铟镓砷近红外相机、成像光谱仪和近红外镜头，垂直安装在位移台的正上方，近红外相机与成像光谱仪和计算机相连，能拍摄采集盒中筛下物的图像，将光谱成像数据立方体高速传输到计算机。所述的计算机用于图像采集、处理、分析和显示。

本发明所述的自动检测方法，其特征在于：

(1)利用近红外超光谱成像装置采集粮食筛下物的近红外超光谱图像，去除数据立方体中CCD“坏点”等噪声。

(2)提取同时含活虫和死虫数据立方体的最优光谱波长。

(3)对筛下物的最优光谱波长图像进行图像处理，得到含有粮虫活虫目标的二值化图像，提取其面积、周长、复杂度等特征参数，通过粮虫活虫识别软件判别出粮虫活虫，统计粮虫活虫的头数，并提取出每个活虫在图像中的坐标信息。

(4)结合上述活虫的坐标信息，分割出最优光谱波长图像中粮虫活虫的子区域，提取粮虫活虫的近红外光谱特征，运用粮虫种类识别软件确定出粮虫活虫的种类信息。

所述的图像处理包括图像获取、去背景、滤波增强图像、分割图像。

所述的粮虫活虫识别软件内含高精度的识别模型，可通过神经网络分类器、支持向量机分类器或模糊分类器等技术，建立所提取的最优光谱波长图像中粮虫图像特征参数与粮虫活虫的关系模型，并保证模型识别精度在95％以上。

所述的粮虫种类识别软件内含高精度的识别模型，可通过神经网络分类器、支持向量机分类器或偏最小二乘分析等技术，建立粮虫近红外光谱特征参数与粮虫类别的关系模型，并保证模型识别精度在95％以上。

本发明的效果是：(1)本发明采用近红外超光谱成像系统对粮虫进行检测，判别出粮虫中活虫的种类、密度等信息，这在以往文件中都没有涉及。(2)本发明利用近红外成像技术实现了活虫的自动、准确计数，计数准确率为100％，解决了粮虫“假死”现象给计算机视觉法自动检测粮虫所带来的粮虫活虫计数不准确的难题。(3)本发明通过粮虫活虫的光谱特征进行识别分类，使活虫的分类正确率达到95％以上。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图中，1-光箱，2-光源，3-位移台控制器，4-计算机，5-近红外相机，6-成像光谱仪，7-近红外镜头，8-玻璃光纤线性灯，9-位移台，10-采集盒。

六、具体实施方式

下面结合图1对本发明的具体实施进行说明。

本发明所述的检测装置由光箱1、照明单元、位移单元、光谱成像单元和计算机4五部分组成。所述的光箱1为采集盒10中的筛下物提供均匀的漫反射光，内含玻璃光纤线性灯8、位移台9、光谱成像单元，且光谱相机和玻璃光纤线性灯8上、下、左、右、前、后可自由调节。所述的照明单元由内含卤钨灯的直流可调光源2和Y分支玻璃光纤线性灯8构成，为成像单元提供均匀的近红外波段的光照。所述的位移单元由位移台9和位移台控制器3组成，位移台控制器3通过数据线与位移台9和计算机4相连，接收来自计算机4发出的位移台9控制指令，并向位移台9发出驱动控制命令。所述的光谱成像单元包括铟镓砷近红外相机5、成像光谱仪6和近红外镜头7，垂直安装在位移台9的正上方，近红外相机5与成像光谱仪6和计算机4相连，近红外相机5的光谱范围为900-1700nm，其前端是近红外镜头7，能拍摄采集盒中筛下物的图像，将光谱成像数据立方体高速传输到计算机4。所述的计算机4用于图像采集、处理、分析和显示。

工作时，确定近红外相机5的曝光时间及位移台4的速度，避免图像失真变形，并进行黑白场的标定，消除近红外相机5的暗电流噪声。驱动位移台4匀速运行，在稳定的条件下进行粮食筛下物的近红外超光谱图像采集，并高速传输至计算机4。图像采集完毕后，位移台9自动复位。利用近红外超光谱成像装置采集，去除粮食筛下物的近红外超光谱图像中CCD“坏点”等噪声。提取同时含活虫和死虫数据立方体的最优光谱波长。对筛下物的最优光谱波长图像进行图像处理，得到含有粮虫活虫目标的二值化图像，提取其面积、周长、复杂度等特征参数，通过识别软件判别出粮虫活虫，统计粮虫活虫的头数，并提取出每个活虫在图像中的坐标信息。结合上述活虫的坐标信息，分割出最优光谱波长图像中粮虫活虫的子区域，提取粮虫活虫的近红外光谱特征，运用识别软件确定出粮虫活虫的种类。

Claims (5)

1.基于近红外超光谱成像技术的仓储害虫检测方法，其特征在于，包括的步骤为：

(1)利用近红外超光谱成像装置采集粮食筛下物的近红外超光谱图像，去除数据立方体中CCD“坏点”等噪声。

(2)提取同时含活虫和死虫数据立方体的最优光谱波长。

(3)对筛下物的最优光谱波长图像进行图像处理，得到含有粮虫活虫目标的二值化图像，提取其面积、周长、复杂度等特征参数，通过粮虫活虫识别软件判别出粮虫活虫，统计粮虫活虫的头数，并提取出每个活虫在图像中的坐标信息。

(4)结合上述活虫的坐标信息，分割出最优光谱波长图像中粮虫活虫的子区域，提取粮虫活虫的近红外光谱特征，运用粮虫种类识别软件确定出粮虫活虫的种类信息。

2.根据权利要求1所述的基于近红外超光谱成像技术的仓储害虫检测方法，其特征在于，步骤(3)所述的图像处理包括图像获取、去背景、滤波增强图像、分割图像。

3.根据权利要求1所述的基于近红外超光谱成像技术的仓储害虫检测方法，其特征在于，所述的粮虫活虫识别软件为高精度的识别模型，通过神经网络分类器、支持向量机分类器或模糊分类器技术，建立所提取的最优光谱波长图像中粮虫图像特征参数与粮虫活虫的关系模型。

4.根据权利要求1所述的基于近红外超光谱成像技术的仓储害虫检测方法，其特征在于，所述的粮虫种类识别软件为高精度的识别模型，通过神经网络分类器、支持向量机分类器或偏最小二乘分析等技术，建立粮虫近红外光谱特征参数与粮虫类别的关系模型。

5.实施权利要求1所述的基于近红外超光谱成像技术的仓储害虫检测装置，其特征在于，由光箱(1)、照明单元、位移单元、光谱成像单元和计算机五部分组成；所述的位移单元由位移台(9)和位移台控制器(3)组成，位移台控制器(3)通过数据线与位移台(9)和计算机(4)相连，接收来自计算机(4)发出的位移台(9)控制指令，并向位移台(9)发出驱动控制命令，所述的位移台(9)安装在所述的光箱(1)底部；所述的光谱成像单元位于所述的光箱(1)内，垂直安装在位移台(9)的正上方，所述的光谱成像单元包括铟镓砷近红外相机(5)、成像光谱仪(6)和近红外镜头(7)，近红外相机(5)与成像光谱仪(6)和计算机(4)相连；所述的照明单元由内含卤钨灯的直流可调光源(2)和Y分支玻璃光纤线性灯(8)构成，所述玻璃光纤线性灯(8)位于位移台(9)的上方，为采集盒(10)中的筛下物提供均匀的漫反射光；所述光谱成像单元和玻璃光纤线性灯(8)在上、下、左、右、前、后六向自由调节，近红外相机(5)的光谱范围为900-1700nm。

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