【摘要】：農(nóng)作物病害的診斷和識別對于提高農(nóng)作物質(zhì)量具有重要的意義。將圖像處理和機(jī)器視覺技術(shù)應(yīng)用于農(nóng)作物病害識別中,相對于傳統(tǒng)人工診斷和識別方法具有無法比擬的優(yōu)越性,提高了農(nóng)作物病害監(jiān)測和預(yù)警的能力。通過對農(nóng)作物在生長過程中受到的復(fù)雜因素(例如,葉片相互遮蔽、葉片扭曲和變形、不同的氣候條件、不同的光照條件、陰影、其他植株和土壤等復(fù)雜背景)的綜合分析,深入分析和挖掘農(nóng)作物生長發(fā)育規(guī)律。針對田間實際復(fù)雜環(huán)境下的農(nóng)作物病害圖像,具有背景信息量巨大、病害特征多變、病害關(guān)聯(lián)度高和病害復(fù)雜度高等特點,以農(nóng)作物病害的生理學(xué)特征為基礎(chǔ),將圖像處理技術(shù)和作物信息學(xué)相結(jié)合,研究基于復(fù)雜環(huán)境(背景)的農(nóng)作物病害圖像預(yù)處理、病害分割、病斑特征提取和病斑類型識別等一系列關(guān)鍵算法,建立農(nóng)作物病害識別的動態(tài)預(yù)測和分析模型,智能化地對農(nóng)作物生長過程進(jìn)行動態(tài)監(jiān)測和病害信息的自動化診斷。具體工作如下:首先,針對大田簡單背景和復(fù)雜背景下采集的農(nóng)作物病害圖像,對病害圖像進(jìn)行去遮擋、圖像融合、邊緣檢測和基于均衡化的病害圖像增強(qiáng)等預(yù)處理操作,并對預(yù)處理后的圖像進(jìn)行圖像質(zhì)量評價。提出了基于熱力圖的病害圖像去遮擋算法,實驗結(jié)果表明,算法既去除了遮擋信息,又去除了大部分的背景區(qū)域,使得病害圖像尺寸變小的同時保證了病害葉片的完整性。接著,在基于復(fù)雜背景的病害圖像分割階段,針對田間環(huán)境下采集的具有復(fù)雜背景的病害圖像,提出了基于顯著圖的病害圖像分割方法。利用顯著圖檢測策略,獲取病害圖像的顯著圖,將顯著圖作為掩碼圖像,對病害圖像進(jìn)行復(fù)雜背景分割。實驗結(jié)果表明,顯著圖和Grab Cut相結(jié)合的病害圖像分割方法對圖像噪聲、光照不均勻、病斑色彩不均勻等因素具有較強(qiáng)的抗干擾能力,可以完整地分割出大部分病害葉片,并能夠保留病斑的細(xì)節(jié)。與基于CNN的分割算法相比較,基于顯著圖的Grab Cut分割方法能夠提高細(xì)粒度類別數(shù)據(jù)集上的病害圖像分割精度。然后,在病斑圖像特征提取和優(yōu)化階段,對枸杞葉片病害和水稻葉片病害進(jìn)行了病害類型的生理學(xué)特征分析,主要提取了病斑圖像的顏色特征、形狀特征和紋理特征等多維特征。采用主成份分析PCA方法進(jìn)行特征優(yōu)化,將PCA降維后的特征向量再進(jìn)行LDA投影變換,得到最佳分類特征,為了下一步的分類識別提供可靠保證。針對標(biāo)注不充分的病害圖像識別問題,提出了基于區(qū)分深度置信網(wǎng)絡(luò)的農(nóng)作物病害識別算法。在小規(guī)模病害圖像數(shù)據(jù)集和中規(guī)模病害圖像數(shù)據(jù)集上的分類識別實驗中,基于DDBN的病害識別算法在沒有足夠的已標(biāo)注病害圖像或只有較少的已標(biāo)注病害圖像時表現(xiàn)出了穩(wěn)定的、準(zhǔn)確的、優(yōu)良的分類性能。并且采用分類準(zhǔn)確率、分類錯誤率、混淆矩陣和ROC曲線四種方法對本文提出的病害圖像識別分類器進(jìn)行分類性能的客觀評價。最后,針對田間大面積農(nóng)作物圖像檢測問題,提出了基于Faster R-CNN的病害圖像自動檢測方法,實現(xiàn)了病斑葉片的快速定位。采用“先檢測、后識別”的策略,開發(fā)了農(nóng)作物病害識別系統(tǒng),將其應(yīng)用于枸杞作物的病害識別和生長環(huán)境監(jiān)測中,實現(xiàn)枸杞生長過程的動態(tài)監(jiān)測和病害信息的自動化診斷。本文研究了基于復(fù)雜背景下的農(nóng)作物病害圖像識別關(guān)鍵算法,針對農(nóng)作物病害自動識別和檢測問題提出了較為可行的解決方案,在小規(guī)模數(shù)據(jù)集枸杞葉片病害圖像上取得了較好的實驗效果。本文的研究也為農(nóng)作物病害的智能檢測和識別研究提供了一種新的思路和方法,為農(nóng)戶及時防病治病提供必要信息,為實時、準(zhǔn)確地診斷、識別和預(yù)測病害提供了技術(shù)支撐。
【學(xué)位授予單位】：西北大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TP391.41;S432
【圖文】：

為進(jìn)一步的葉片和病斑分割工作奠定了基礎(chǔ)。2.1.2 病害圖像的去遮擋仿真實驗本研究所采集的枸杞病害葉片圖像是農(nóng)作物病害的病斑識別和分類的基礎(chǔ)，本文選取了枸杞葉片病害包括白粉病、灰斑病、癭螨病和炭疽病四種病害葉片圖像，在大田復(fù)雜背景下采集到的具有典型癥狀病斑的枸杞葉片病害圖像共計 1000 張，為了驗證本文 2.1.1 提出的病害圖像去遮擋方法的有效性，下面對枸杞病害圖像進(jìn)行去遮擋實驗。以枸杞病害葉片的癭螨病圖像為例，給出病害圖像的熱力圖，并對熱力圖進(jìn)行分塊，已知熱力圖的大小為 M N( M 4272, N 2848)，分塊大小為 a b( a 4, b 4)，將熱力圖分塊中權(quán)重因子的值小于閾值的分塊從熱力圖中去除，由保留的熱力圖分塊對應(yīng)恢復(fù)原始病害圖像的分塊，最終獲得去除遮擋的尺寸變小的病害葉片圖像。如圖 2.2 所示。

西北大學(xué)博士學(xué)位論文基于小波變換的病害圖像融合主要是對小波多級分解后的高頻信息和低頻信息選擇不同的小波系數(shù)進(jìn)行一系列操作，從而達(dá)到病害圖像融合的目的。融合后的病害圖像將原圖像的不同特征和細(xì)節(jié)融合在一起。2.2.2 病害圖像融合的仿真實驗在田間復(fù)雜背景下，同一場景下，采集設(shè)備在不同焦距、不同光照條件下拍攝的病害葉片，有些圖像遠(yuǎn)景清晰近景模糊，有些圖像遠(yuǎn)景模糊近景清晰，采用基于小波變換的病害圖像融合方法，首先對病害圖像進(jìn)行小波分解，小波分解示意圖如圖 2.5所示。

有些圖像遠(yuǎn)景清晰近景模糊，有些圖像遠(yuǎn)景模糊近景清晰，采用基于小波變換的病害圖像融合方法，首先對病害圖像進(jìn)行小波分解，小波分解示意圖如圖 2.5所示。圖 2.5 病害圖像的小波分解示意圖然后采用本文 2.2.1 所述方法對枸杞葉片的兩幅模糊病害圖像進(jìn)行病害圖像融合，病害融合結(jié)果如圖 2.6 所示。

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本文編號：2743694