中國蘋果葉片病蟲害2015年光譜和圖像數據集

高 飛 王曉麗 劉婷婷* 李 壯 滿 芮

（1.中國農業科學院農業信息研究所，北京 100081；2.中國農業科學院果樹研究所，遼寧 125100；3.國家農業科學數據中心，北京 100081；4.農業農村部農業大數據重點實驗室，北京 100081；5.廣東省農業科學院農業經濟與農村發展研究所，廣東 510640）

數據庫（集）基本信息簡介

1 引言

中國蘋果種植面積和總產量居世界首位，然而我國在蘋果生產管理過程中，對蘋果病蟲害的監測大都采用人工采集樣品的方式，這種方式往往效率較低。利用近紅外光譜技術尤其是衛星遙感技術不僅能快速監測，而且對大面積（例如一個縣或市）的病蟲害進行高效監測都具有較強優勢。因此，開展近紅外光譜技術的果樹病蟲害數據收集，對增強果園現代化管理水平具有重要科學意義。

在果樹光譜和圖像數據采集研究中，田有文采集了160 個受蟲害脅迫的蘋果高光譜圖像數據集[1]。Ronald P.Haff 等收集了受果蠅侵染的芒果高光譜圖像[2]。Purcell 等采集了甘蔗葉片病蟲害的近紅外光譜數據[3]。Teixeira 采集了影響梨的鱗翅目卷蛾科害蟲近紅外光譜數據[4]。程立真在蒙陰蘋果園獲取了100 個蘋果葉片的光譜、圖像、葉綠素和磷含量數據[5]。劉思伽采集了帶有病害的寒富蘋果240個光譜數據集。從前人相關工作來看，多數集中在對受害蘋果的光譜和圖像數據采集，對蘋果葉片病蟲害數據采集的研究報道較少。

為彌補以上不足，通過收集國家蘋果資源圃中分別患有斑點落葉病、紅蜘蛛蟲害、白粉病3 種不同病蟲害的蘋果葉片光譜反射率和圖像數據，為蘋果葉片在不同病蟲害脅迫下進行有效識別提供數據基礎。

2 數據采集和處理方法

2.1 選葉、采葉及葉片預處理

研究區位于遼寧興城(40°16'～40°50'N，120°06'～120°50'E)，目前該地區是我國農業部認定的優質水果生產基地。本實驗在2015 年7—8 月開展，從果樹所國家級資源圃中選取感染不同病蟲害的蘋果葉片，根據發病情況，在發病葉片較多的部位選取代表性葉片1～2 片，采集后放入干凈的袋子中（進行樣品編號，如圖1 所示），放入恒溫箱中帶回實驗室。為確保樣品新鮮，在恒溫箱中放入冰塊。分別采集斑點落葉病、紅蜘蛛蟲害、白粉病葉片各37、21、49 片。為確保葉片病害部位不被影響，不對葉片做清洗處理。

2.2 葉片近紅外光譜數據采集

本實驗使用美國ASD（AnalyticalSpectralDevice）公司的FieldSpec3 便攜式光譜輻射計進行光譜測量；該儀器的有效光譜范圍在350～2500 nm 之間，光譜分辨率為1nm。光譜儀需搭配Windows 系統環境的筆記本，并安裝配套的采集軟件。本實驗使用Field‐SpecRS3（以下簡稱RS3）軟件進行光譜采集、儀器優化和白板校正等。為保證儀器狀態穩定，開機預熱時間不少于1 小時[8-9]。探頭為裸光纖，前視場角25°。測量時固定在樣品正上方10cm 處，垂直于葉片的正面；使用光譜儀配套的50W 鹵化燈作為室內光源（約3100 K 色溫，模擬太陽光），并距離樣品45cm 左右，45°的入射角；葉片正面朝上放置，以黑色不反光的棉布為背景[10]。

光譜的采集步驟如下：在確保光譜儀和筆記本電腦充滿電的情況下進行。準備好用于校正的白板。打開光譜儀電源，然后再打開電腦電源，并將電腦進行網絡連接，確保電腦與儀器連接成功。啟動RS3軟件，在“Control/adjustconfiguration”窗口上調整光譜平均值、暗電流平均（一般為60）和白板采集次數（一般為30）。在“Control/spectrum save”窗口中選擇存儲位置并預設光譜數據命名規則。測量時，光譜儀探頭先對準白板，點擊軟件的OPT 按鈕進行優化，此時光譜反射率在100%處呈一條直線；然后點擊WR 采集參比光譜，此時軟件進入測量狀態；最后，將鏡頭移向被測葉片，按空格鍵保存反射光譜。使用完畢需先關電腦，后關閉儀器。在測量過程中需注意：白板校準時確保白板充滿探頭視場；每隔10 min 進行一次白板校正和優化，每隔3～5分鐘采集一次暗電流。每次采集10 次光譜數據求平均后存儲在指定文件夾生成1 條.asd 數據，每個樣本采集10 次，生成10 條數據。采集的數據格式為ASCII文件，后期可通過ASD公司的ViewSpecPro 軟件查看，并可轉化為.txt 等格式，按照約定的協議進行數據分析讀取工作。

2.3 蘋果葉片圖像采集

本實驗使用尼康D90 型數碼相機和尼克爾鏡頭進行葉片圖像數據采集。D90 采用了有效像素為1230 的DX 格式CMOS 傳感器；感應器尺寸為23.6×15.8mm；感光度為200～3200；具有11 點自動對焦區域；快門時滯大約65 毫秒；具有測光控制和自動DLighting功能，可彌補圖片中的細節丟失。

在采集葉片圖像時，將葉片置于配有標尺的黑色平板上，黑色背景反射率幾乎為0，可降低對環境的影響，且方便后期進行圖像處理。通過標尺可測量葉片的寬度和長度。為避免陰影產生，同時確保光照強度穩定，分別在左右兩側架設一盞攝影燈。將相機無傾斜的置于距離葉片上方40cm 左右，并使用自動曝光模式進行拍攝。圖像格式為JPEG，尺寸為4288 像素×2848像素[8]。

3 數據樣本描述

3.1 蘋果葉片近紅外光譜數據

不同蘋果品種或樹齡的葉片光譜數據單獨保存為一個文件夾，每10 條連續的.asd 數據，對應同一葉片的光譜數據。文件夾按照“序號+病蟲害名稱”的方式命名。光譜數據示例如圖2所示。

3.2 蘋果葉片圖像數據

三種病蟲害葉片圖像數據分別保存在不同的文件夾中，文件夾按照“序號+病蟲害名稱”的方式命名。部分圖像示例如圖3所示。

4 數據質量控制和評估

為確保數據質量和可靠性，所有蘋果葉片均采集于國家級蘋果標準資源圃，由中國農業科學院果樹研究所的專業人員進行病害葉片采集和實驗操作規范指導。采用國際通用的光譜采樣方法采集葉片近紅外光譜數據。采用高清相機進行圖像采集，并使用國際通用的JPEG格式進行存儲。圖像采集時使用標準刻度尺作為參考，刻度單位為毫米，可為使用者提取葉片大小提供依據。

數據采集與整理過程中，數據質量由人工檢查和機器檢測聯合控制的方式進行，由果樹所專業人員選取病葉，選取后如有不確定病葉通過儀器測試確定。采集后對問題葉片和光譜進行人工剔除。

5 數據使用方法和建議

通過對不同病害光譜進行分析，對病害進行識別；另外可通過病葉紋理、形狀及病葉狀態等圖像信息，分析病蟲害圖像特征，對病害進行識別。

數據作者分工職責

高飛（1988—），男，河北人，博士，助理研究員，主要從事農業科學數據獲取與分析研究。本研究主要工作：數據匯總整理及論文撰寫。

王曉麗（1982—），女，河北人，博士，助理研究員，主要從事農業科學數據獲取與分析研究。本研究主要工作：數據整理。

劉婷婷（1985—），女，北京人，碩士，助理研究員，主要從事農業科學數據獲取與分析研究。本研究主要工作：總體設計與組織實施。

李 壯（1975—），男，吉林人，博士，副研究員，主要從事果樹營養與施肥研究。本研究主要工作：蘋果病害葉片采集。

滿 芮（1985—），女，北京人，博士，助理研究員，主要從事農業科學數據管理與共享研究。本研究主要工作：光譜和圖像數據采集。