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(guò)幾何圖形雙重確認(rèn)的方法來(lái)辨別區(qū)域中蟲(chóng)卵的范圍，降低在識(shí)別落葉松球蚜種群數(shù)量過(guò)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(wèn)題。

落葉松球蚜屬于多態(tài)型昆蟲(chóng)，包括多種不同形態(tài)的蟲(chóng)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(wèn)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(chóng)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(guò)樣本的采集，確定顏色特征與形狀特征用來(lái)作為判斷圖像中落葉松球蚜蟲(chóng)卵和成蟲(chóng)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(lái)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(chóng)卵或成蟲(chóng)顏色相近的顏色誤識(shí)別。將檢測(cè)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(chóng)卵或蟲(chóng)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(cè)從圖像中提取出來(lái)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(jiàn)的閾值法對(duì)圖像進(jìn)行分割。經(jīng)過(guò)圖像分割和邊緣提取后，可以得到一組有序的，用來(lái)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(guò)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(zhǎng)，平均極距離和面積作為判定特征進(jìn)行圓形判別。周長(zhǎng)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(zhǎng)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(mén)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(lái)的現(xiàn)場(chǎng)圖片轉(zhuǎn)換成為的顏色直方圖與基準(zhǔn)庫(kù)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(shù)種遭受落葉松球蚜蟲(chóng)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(guò)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(kù)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(chóng)卵均被系統(tǒng)所識(shí)別；而背景圖案中，與蟲(chóng)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)）