基于成像光譜技術(shù)識(shí)別罌粟種植區(qū)域的可行性試驗(yàn)研究

基于成像光譜技術(shù)識(shí)別罌粟種植區(qū)域的可行性試驗(yàn)研究

0 前沿

    調(diào)查結(jié)果顯示，世界范圍的毒品犯罪泛濫，成為最嚴(yán)重的社會(huì)問(wèn)題，極大地危害社會(huì)的安定和人們的健康，打擊毒品犯罪，需從毒品種植源頭抓起。中國(guó)民間存在大量偷偷種植的非法罌粟園，它們零星地分布在山區(qū)、林區(qū)以及人跡罕至的地方，或隱秘地套種在莊稼地里，這給尋找和摧毀罌粟非法種植帶來(lái)困難。從2005年開(kāi)始，國(guó)家禁毒辦開(kāi)展了“天目行動(dòng)”，利用衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)檢測(cè)毒品種植重點(diǎn)區(qū)域，通過(guò)飛機(jī)航測(cè)和“天目-10”衛(wèi)星遙感結(jié)合，使用高科技手段及時(shí)發(fā)現(xiàn)種毒隱患，從源頭上打擊毒品犯罪活動(dòng)。

    近年來(lái)，一些國(guó)家利用以GPS為基礎(chǔ)的影像測(cè)繪技術(shù)，來(lái)監(jiān)控罌粟種植的可疑地區(qū)，提高罌粟根除行動(dòng)的準(zhǔn)確性、安全性和有效性。其方法是根據(jù)衛(wèi)星影像反映出來(lái)的光譜和環(huán)境情境，對(duì)潛在的罌粟種植區(qū)進(jìn)行識(shí)別。但是，植物的光譜信號(hào)非常相似，對(duì)光譜鑒別能力要求高。

    目前，對(duì)于非法種植罌粟的排查，緝毒人員采用的方法基本為在罌粟種植期或生長(zhǎng)期，深入涉毒重點(diǎn)村屯的山頭，林緣地帶進(jìn)行實(shí)地監(jiān)控、踏查等方式來(lái)檢查，人力和物力的投入極大。受益于光譜成像技術(shù)和無(wú)人機(jī)技術(shù)在近些年不斷的發(fā)展，通過(guò)無(wú)人機(jī)搭載小型光譜成像儀來(lái)檢測(cè)是否存在非法罌粟種植地的項(xiàng)目被提上了一線技術(shù)偵查人員的議程。

本實(shí)驗(yàn)利用反射光譜成像技術(shù)，進(jìn)行檢測(cè)是否存在非法罌粟種植地的可行性實(shí)驗(yàn)研究。

1 材料與分析

1.1 試驗(yàn)樣品制作

采摘罌粟及其周圍環(huán)境生長(zhǎng)的五種不同植物的葉子若干，制作樣品。如圖1所示，第一列是罌粟葉子共4片葉子，第二列是植物1的葉子標(biāo)記為葉片1，共3片葉子，同樣方法，第三列是葉片2共4片葉子，第四列是葉片3共4片葉子，第五列是葉片4共4片葉子，第六列是葉片5共4片葉子。葉片1, 2, 3, 4, 5分別采摘于罌粟周圍環(huán)境生長(zhǎng)的其他五種植物。葉片用雙面膠固定在泡沫板上。   

圖1  樣品分布

1.2 試驗(yàn)方法與數(shù)據(jù)處理

采用成像高光譜系統(tǒng)GaiaField-V10，CCD的曝光時(shí)間為自動(dòng)曝光，焦距為自動(dòng)調(diào)焦，掃描速度為自動(dòng)匹配，增益設(shè)置為1，所拍圖像分別以Raw形式進(jìn)行保存。

對(duì)采集的高光譜數(shù)據(jù)做黑白校正得到光譜反射率數(shù)據(jù)（具體方法可關(guān)注微信訂閱號(hào)遙感技術(shù)及應(yīng)用服務(wù)）。打開(kāi)反射率光譜影像數(shù)據(jù)，通過(guò)多邊形矢量(感興趣區(qū)域)如圖2所示。選擇工具分別對(duì)不同植物葉片進(jìn)行采樣，選擇的ROI。

圖2 樣品高光譜RGB重構(gòu)圖像及ROI

1.3 光譜匹配

    通過(guò)多邊形矢量選擇工具分別對(duì)不同植物葉片進(jìn)行采樣，所選的ROI（感興趣區(qū)域）如圖2，采樣目標(biāo)包括罌粟葉片、其他植物葉片、雙面膠和泡沫板，將選取的ROI統(tǒng)計(jì)分析，保存其均值作為光譜數(shù)據(jù)庫(kù)。

基于保存的光譜數(shù)據(jù)庫(kù)，利用光譜角匹配方法對(duì)采集的高光譜影像進(jìn)行光譜匹配，匹配的結(jié)果以偽彩色顯示，如圖3所示。

圖3  光譜角匹配結(jié)果

由圖3可清晰看出由“紅色”標(biāo)記的“罌粟”植物葉片，可通過(guò)己知的“罌粟”葉片的光譜特征，經(jīng)由光譜角匹配算法給標(biāo)記出來(lái)，并以紅色的偽彩色顯示。

2  試驗(yàn)?zāi)M

上述實(shí)驗(yàn)是把罌粟和其他樹(shù)葉分開(kāi)擺放，平鋪在泡沫板上進(jìn)行光譜成像的，是在己知罌粟及其他植物葉片的光譜特征情況下，通過(guò)“光譜分類”的功能將不同植物葉片加以區(qū)分，并以不同的偽彩色顯示。但在實(shí)際的場(chǎng)景中，罌粟通常是種植在雜草叢生的山地里或套種在莊稼地里。實(shí)際上，我們難以獲得所有與罌粟生長(zhǎng)環(huán)境相同的所有植物的光譜特征，因而我們需要在實(shí)驗(yàn)室下對(duì)真實(shí)環(huán)境進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn):即罌粟葉片混雜在其他各種不同植物的葉片之中，如圖4所示。

2.1  提取感興趣目標(biāo)—罌粟

   在圖4的光譜成像圖像中每個(gè)像元并非像圖2的圖像中的像元是“純光譜”，而有可能是“混合光譜”，其混合光譜形成的機(jī)理有如下原因：

    (1) 在一個(gè)瞬時(shí)視場(chǎng)內(nèi)，有多種植物成分存在的空間混合；

    (2) 在一個(gè)瞬時(shí)視場(chǎng)內(nèi)，由于植物陰影引起的照度差異；

    (3) 不同像元之間的交叉輻射；

    (4) 儀器本身的混合效應(yīng)(儀器空間分辯率越低，意味著一個(gè)像元所對(duì)應(yīng)的空間面積越大，出現(xiàn)光譜混合的幾率就越大)。因此，需要使用光譜混合分解技術(shù)使分析目標(biāo)罌粟與圖像其它的內(nèi)容區(qū)分開(kāi)。

圖4罌粟葉片混雜在其他各種不同植物的葉片之中的高光譜RGB重構(gòu)圖像

2.2  混合象元分解

本研究利用全局控制最小二乘法對(duì)圖4的兩景高光譜影像進(jìn)行解混，根據(jù)解混后的光譜通道影像特征，選擇三個(gè)光譜通道分別以偽彩色顯示(如圖5 )。

圖5   3個(gè)通道分別以偽彩色顯示

    進(jìn)行光譜分解首先需要得到圖像中不同內(nèi)容目標(biāo)的“純光譜”，這個(gè)“純光譜”理解為圖像中沒(méi)有疊合現(xiàn)象的像元光譜，如果圖像中沒(méi)有這樣的光譜，則以疊合現(xiàn)象不明顯的像元代替。接著，利用得到的“純光譜”分析圖像，分離“純光譜”代表的圖像內(nèi)容，然后作光譜混合分解。我們從圖5可以清晰地看到罌粟分布的情況。因此我們可以得到結(jié)論：

    (1) 根據(jù)以上結(jié)果可知，在己知罌粟光譜特征情況下，對(duì)其他植物的混合光譜進(jìn)行取樣，可通過(guò)“光譜混合分解”的方法，將罌粟通道從中提取出來(lái)。從而也進(jìn)一步證實(shí)了通過(guò)光譜成像的技術(shù)手段來(lái)檢測(cè)是否存在罌粟種植區(qū)域具備實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。

    (2) 分析軟件提供了強(qiáng)大的光譜計(jì)算功能，針對(duì)傳統(tǒng)光譜圖像中難以將目標(biāo)與復(fù)雜背景進(jìn)行分離的技術(shù)問(wèn)題，提供了針對(duì)高光譜影像的光譜分解方案，成功實(shí)現(xiàn)了目標(biāo)與復(fù)雜背景的有效分離，極大地提高了目標(biāo)提取的效率和準(zhǔn)確性，感興趣目標(biāo)對(duì)比背景以明亮顯示，解決目標(biāo)定位問(wèn)題。

   (3) 分析軟件針對(duì)混雜的多種光譜信號(hào)提供了光譜運(yùn)算功能，得到各個(gè)獨(dú)立的純光譜信號(hào)成分，并將處理結(jié)果以偽彩色顯示方式輸出，從而可以清晰地了解目標(biāo)的分布情況。

2.3  罌粟種植面積估算

    利用分類統(tǒng)計(jì)的功能，分別統(tǒng)計(jì)罌粟的像元數(shù)和整景圖像的像元數(shù)，用罌粟的像元數(shù)除以整景圖像的像元數(shù)即可得到罌粟的種植比例，如果需要得到種植面積，用罌粟種植比例乘以整景圖像代表地面的實(shí)際面積即可。

3 總結(jié)

    本章利用光譜成像技術(shù)，進(jìn)行檢測(cè)是否存在非法罌粟種植地的可行性實(shí)驗(yàn)研究。通過(guò)實(shí)驗(yàn)，罌粟葉子可利用高光譜成像技術(shù)的光譜匹配分類技術(shù)，進(jìn)行性質(zhì)鑒定，與其周圍環(huán)境中的樹(shù)葉區(qū)別分辨出來(lái)，解決罌粟種植地定性問(wèn)題；利用光譜分類統(tǒng)計(jì)技術(shù)，估算目標(biāo)監(jiān)測(cè)地罌粟種植比例，解決罌粟種植地罌粟種植面積定量問(wèn)題；運(yùn)用分析軟件的光譜計(jì)算功能，針對(duì)混雜的多種光譜信號(hào)進(jìn)行光譜分解，通過(guò)多重光譜運(yùn)算與解混合，得到罌粟的純光譜信號(hào)成分，并將處理結(jié)果以偽彩色顯示方式輸出，增強(qiáng)了罌粟的提取結(jié)果，解決罌粟在復(fù)雜環(huán)境中進(jìn)行目標(biāo)定位問(wèn)題。研究表明利用光譜成像的技術(shù)手段來(lái)檢查是否存在罌粟種植區(qū)域，具備實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)，下一步可通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)地實(shí)驗(yàn)，來(lái)進(jìn)一步檢測(cè)在實(shí)際操作中的可行性。本研究對(duì)使用高光譜成像技術(shù)手段及時(shí)發(fā)現(xiàn)種毒隱患，從源頭上打擊毒品犯罪活動(dòng)有積極的意義。