基于无人机高光谱成像与多特征融合的烟草花叶病和曲叶病检测
Detection of Tobacco Mosaic and Leaf Curl Diseases Using UAV-Based Hyperspectral Imaging and Multifeature Fusion
10.1109/JSTARS.2026.3718586
摘要:
烟草花叶病毒与曲叶病毒严重威胁烟草生产,造成巨大的产量与品质损失。为提升病害检测精度,本研究构建一套稳健的无人机高光谱遥感分析框架,融合多特征并开展系统模型评估。研究结合方差分析、投影变量重要性分析与主成分分析(PCA)的分层特征筛选策略,完成提取光谱、小波、纹理特征筛选与优化;进一步采用主成分分析降维,得到25个最优特征集。分别利用单一品种(云烟87、K326)数据集与混合品种数据集,构建支持向量机(SVM)、随机森林(RF)、极端梯度提升(XGBoost)、多层感知机4类模型。所有模型精度均不低于0.91,证明该多特征融合方法具备良好效果。在云烟87数据集上,XGBoost取得最高测试精度(0.98);而支持向量机的交叉验证精度最高(0.98±0.02),说明其在不同数据划分下性能更稳定。针对K326数据集,随机森林与XGBoost测试精度同为最高(0.95),XGBoost交叉验证性能最优(0.98±0.03)。值得注意的是,XGBoost在全部病害类别中表现均较为稳定可靠,在混合品种数据集上效果尤为突出。上述结果证实,融合互补的高光谱特征能够显著提升烟草病害检测效果,可为精准病害监测提供可靠技术方案。
研究过程:
图1 研究区地理位置与试验区概况
图2. 烟草病害检测模型构建流程图
表1 本研究中使用的光谱指数

表2 分类算法关键参数设置与选用依据


图3. 光谱指数方差分析F统计量
表3. 基于投影变量重要性(VIP)的小波特征筛选结果


图4. 同小波下小波能量系数与病害类型的绝对相关系数。(a) 墨西哥帽小波;(b) Morlet 小波;(c) Gaus1 小波;(d) Gaus2 小波;(e) Gaus3 小波

图5. 加权贡献排名前10的纹理特征

图6. 三类特征的主成分方差贡献

图7. 前两个主成分的特征贡献
表4. 主成分分析降维结果


图8. 基于无人机高光谱影像的烟草病害分类结果空间分布
表 5 单一品种特征集下不同模型精度与交叉验证精度

表 6 单一品种特征集下不同模型的精确率与召回率

表 7 混合品种特征集下不同模型精度与交叉验证精度

表 8 混合品种特征集下不同模型的精确率与召回率

结论:
本研究融合无人机高光谱成像、多特征融合与机器学习技术,构建高精度烟草病害检测模型。提取光谱指数、小波特征、灰度共生矩阵纹理特征并完成特征优化。特征筛选结果表明,CUR、SRPI是判别能力最强光谱指数;Gaus2为最敏感小波基;近红外波段纹理相关性指标对病害胁迫响应最明显。利用主成分分析降维得到精简的25个特征子集,保留关键信息同时提升计算效率。对比4种机器学习算法,XGBoost在K326数据集、混合品种数据集交叉验证精度最高,在单品种、混合品种数据集均表现稳定;SVM、MLP效果同样良好,但性能受品种影响较大。本框架证实近红外纹理特征、多尺度小波分解在病害检测中的诊断价值。
除分类精度外,本研究也为烟草病害相关研究提供方法参考。筛选得到判别特征可以帮助理解病毒侵染引发冠层色素降解、结构扰动,为病害症状提供生理学解释。该监测框架具备向更大种植区域、多品种推广迁移潜力,后续可以从分类识别拓展至病害严重度估测、病害发展动态追踪。未来将开展更多田间试验,完善病害类别,考虑复合侵染,引入时序与环境信息捕捉胁迫动态响应;利用多时相观测与模型自适应改进策略,进一步提升多变环境下模型鲁棒性,推动可业务化、可扩展的大田烟草精准病害管理与预警监测体系落地。