許德剛 李 凡

(河南工業(yè)大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院1，鄭州 450001) (糧食信息處理與控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室2， 鄭州 450001)

糧食儲(chǔ)備是糧食安全體系建設(shè)中的重要組成部分，也是糧食供求平衡和市場價(jià)格平抑的重要手段，確保儲(chǔ)備糧數(shù)量真實(shí)、質(zhì)量良好、儲(chǔ)存安全對(duì)于提升糧食安全保障能力具有重要意義。

近年來，氣候變化導(dǎo)致的自然災(zāi)害和環(huán)境問題日益突出，對(duì)糧食的生產(chǎn)以及儲(chǔ)藏帶來了極其嚴(yán)峻的考驗(yàn)。糧食在儲(chǔ)藏過程中，會(huì)因?yàn)槭軠囟?、濕度、微生物及昆蟲等因素的影響，而造成霉變、害蟲生長等質(zhì)量的不良變化。據(jù)調(diào)查，糧食的儲(chǔ)藏環(huán)節(jié)在收獲后損失中占的比重最高，達(dá)到了55%，每年因蟲害造成的糧食損失達(dá)到了10%[1]，因此儲(chǔ)糧害蟲的危害是一個(gè)極其嚴(yán)重的問題。尤其是玉米象、米象等鉆蛀式害蟲，成蟲在對(duì)糧食進(jìn)行破壞的同時(shí)，還會(huì)在糧食內(nèi)部產(chǎn)下肉眼難以觀察的卵及幼蟲。糧倉內(nèi)的糧食受到內(nèi)部儲(chǔ)糧害蟲的侵害后，糧食的籽粒被破壞，易發(fā)生變質(zhì)、發(fā)霉、結(jié)塊等情況，降低了糧食的品質(zhì)和營養(yǎng)價(jià)值，從而影響了糧食的口感以及商業(yè)價(jià)值。這類害蟲能飛翔且善爬行，具有趨濕性、假死性、趨溫性等習(xí)性，且因其繁殖力強(qiáng)、發(fā)育快等特點(diǎn)，使用傳統(tǒng)的方式很難完全檢測及滅殺。而結(jié)合生物光子分析技術(shù)、功率譜分析技術(shù)等現(xiàn)代信息技術(shù)的糧蟲檢測方法具有精準(zhǔn)、快速、無損、在線檢測等特點(diǎn)，可以根據(jù)儲(chǔ)糧害蟲的不同習(xí)性進(jìn)行針對(duì)性檢測及滅殺，從而彌補(bǔ)傳統(tǒng)檢測方法的不足。因此需要利用現(xiàn)代信息技術(shù)與糧食倉儲(chǔ)技術(shù)相結(jié)合，尋求害蟲檢測技術(shù)上的突破，最大限度的降低糧食在儲(chǔ)藏中的損失。

1 儲(chǔ)糧害蟲信息檢測技術(shù)

早期的儲(chǔ)糧害蟲檢測依靠人工取樣識(shí)別，易受主觀因素影響且耗費(fèi)大量勞動(dòng)力，因此較難普及。而農(nóng)藥因其價(jià)格低廉、效率突出、使用簡單等特點(diǎn)被廣泛使用，但隨著化學(xué)試劑用量增加[2]，害蟲的抗藥性逐漸增強(qiáng)，甚至誕生出不懼怕化學(xué)試劑的新品種害蟲，并且化學(xué)試劑還會(huì)對(duì)糧倉環(huán)境造成污染，損害糧食的品質(zhì)及口感，威脅食用者的安全。隨著現(xiàn)代信息技術(shù)的發(fā)展，在生物檢測應(yīng)用方面出現(xiàn)了分析樣品有機(jī)分子含氫基團(tuán)信息的近紅外光譜技術(shù)；檢測生物體代謝過程的生物光子分析技術(shù)；根據(jù)物體對(duì)X射線的吸收來描述物體內(nèi)部信息的CT成像技術(shù)；有效壓縮及重建隨機(jī)信號(hào)的壓縮感知技術(shù)；對(duì)高維數(shù)據(jù)進(jìn)行維數(shù)約簡的流形學(xué)習(xí)技術(shù)；檢測與分析隨機(jī)信號(hào)周期性和譜峰等特征的功率譜分析技術(shù)；根據(jù)訓(xùn)練數(shù)據(jù)自適應(yīng)調(diào)整模型的支持向量機(jī)技術(shù)；實(shí)現(xiàn)高效數(shù)據(jù)分類的多標(biāo)記學(xué)習(xí)技術(shù)；模擬人類神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)學(xué)習(xí)的深度學(xué)習(xí)技術(shù)。眾多新興信息技術(shù)的應(yīng)用，大大的提高生物檢測的質(zhì)量和效率，也為儲(chǔ)糧害蟲檢測與防治提供了重要手段。

相對(duì)于傳統(tǒng)的儲(chǔ)糧害蟲檢測方法，現(xiàn)代信息技術(shù)檢測方法有顯著的優(yōu)勢(shì)，相對(duì)于人工識(shí)別法等傳統(tǒng)儲(chǔ)糧害蟲檢測法，具有速度快、效率高、價(jià)格低廉、數(shù)據(jù)準(zhǔn)確等特點(diǎn)，而被廣泛應(yīng)用。同時(shí)，由于實(shí)現(xiàn)的原理不同也各自存在一些局限性，如表1所示?；诠鈱W(xué)的儲(chǔ)糧害蟲檢測技術(shù)是利用近紅外光、生物光子輻射、X射線等電磁波中不同波段的一些特性對(duì)儲(chǔ)糧害蟲進(jìn)行檢測，雖然檢測快數(shù)據(jù)準(zhǔn)，但受環(huán)境因素影響較大?；诼晫W(xué)的儲(chǔ)糧害蟲檢測技術(shù)利用壓縮感知、流形學(xué)習(xí)、功率譜分析等技術(shù)對(duì)收集到的儲(chǔ)糧害蟲運(yùn)動(dòng)聲信號(hào)進(jìn)行處理，優(yōu)勢(shì)在于利用新技術(shù)減少對(duì)高精度儀器的依賴，但無法檢測糧堆中的死蟲和蟲卵。基于圖像識(shí)別的儲(chǔ)糧害蟲檢測技術(shù)是利用支持向量機(jī)、多標(biāo)記學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)等新型分類方法，對(duì)處理后的儲(chǔ)糧害蟲圖像進(jìn)行特征識(shí)別，準(zhǔn)確率較高且易操作，但檢測前需要大量的樣本進(jìn)行訓(xùn)練，并且識(shí)別率受算法的影響較大。

表1 傳統(tǒng)檢測法和現(xiàn)代信息技術(shù)檢測法優(yōu)缺點(diǎn)

因此，目前儲(chǔ)糧害蟲檢測方法眾多，各具有其獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，但在實(shí)際使用時(shí)，要綜合考慮糧倉環(huán)境、害蟲特性等不同因素的影響，選擇合適的儲(chǔ)糧害蟲檢測技術(shù)才能最大限度的預(yù)防害蟲。

2 光學(xué)檢測法及應(yīng)用

光學(xué)檢測法是利用電磁波中不同波段的可見光或非可見光的某些特點(diǎn)進(jìn)行檢測。它包括近紅外光譜檢測法、生物光子檢測法、CT成像法及光引誘法。光學(xué)檢測法具有精準(zhǔn)、無損、廉價(jià)的特性，但對(duì)惰性害蟲效果較差且易受濕度等環(huán)境因素影響。

2.1 近紅外光譜檢測法

近紅外光分為近紅外短波和長波，是人們最早認(rèn)識(shí)的非可見光區(qū)域。20世紀(jì)前期，人們就對(duì)近紅外光譜進(jìn)行了初步的探索；20世紀(jì)中期，隨著科技的發(fā)展，近紅外光譜技術(shù)得到廣泛應(yīng)用；20世紀(jì)中后期，各種新型技術(shù)不斷涌出，近紅外光譜技術(shù)進(jìn)入低潮；直到20世紀(jì)末期，計(jì)算機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展帶動(dòng)了近紅外光譜技術(shù)的繁榮，成為了人們最關(guān)注的光譜分析技術(shù)。近紅外光譜技術(shù)主要測量的是C—H、O—H、N—H等含氫基團(tuán)振動(dòng)的倍頻及合頻吸收，利用樣品在780～2 500 nm范圍內(nèi)的分散反射率或透射率來測量水、蛋白質(zhì)、淀粉等生物物質(zhì)濃度，簡單來說就是通過儀器發(fā)送波長，波長穿過樣本時(shí)，一部分被樣本內(nèi)部吸收，另一部分被反射回儀器，從而獲得光譜。

國內(nèi)外學(xué)者對(duì)近紅外光譜技術(shù)在儲(chǔ)糧害蟲檢測中的應(yīng)用展開了研究，并已取得較大的進(jìn)展。張紅濤等[3]利用自制的采集系統(tǒng)對(duì)死亡0～7 d的谷蠹進(jìn)行光譜圖像采集，分析谷蠹死亡7 d內(nèi)的特征光譜與ATP合成酶活性及水分含量之間的關(guān)系，采用了雙區(qū)域連通閾值面積比的區(qū)域生長法自動(dòng)判別谷蠹活蟲，結(jié)果顯示死亡1.5 d后的谷蠹識(shí)別率為100%，證明了近紅外光譜檢測法判別活蟲的可行性。Santos等[4]利用近紅外光譜結(jié)合偏最小二乘判別分析法，在70 d內(nèi)對(duì)108個(gè)高粱樣本進(jìn)行檢測，再使用主成分分析法進(jìn)行分類，結(jié)果顯示紅外光譜結(jié)合偏最小二乘判別分析法可以完美的檢測出高粱種子是否受到害蟲侵染。JOHNSON等[5]總結(jié)了小麥中常見害蟲的主要近紅外波長，為近紅外光譜檢測技術(shù)的發(fā)展提供了參考。

近紅外光譜技術(shù)已經(jīng)被證實(shí)是一種速度快、效率高、成本低的無損檢測方法，但其受濕度影響較大，且對(duì)大量樣本分析時(shí)會(huì)產(chǎn)生誤差，因此發(fā)明更完善的數(shù)據(jù)分析技術(shù)來提高準(zhǔn)確性，是近紅外光譜檢測技術(shù)的重中之重。另一方面，隨著更靈敏的分光光度計(jì)的出現(xiàn)，特別是FT-NIR[6]，可以有效地減少近紅外光譜檢測技術(shù)的預(yù)測誤差，因此將FT-NIR等高靈敏度儀器應(yīng)用在儲(chǔ)糧害蟲檢測方面是未來的發(fā)展趨勢(shì)。

2.2 生物光子檢測法

生物光子輻射[7]是生物分子在氧化代謝過程中受到化學(xué)激發(fā)而產(chǎn)生的自發(fā)光輻射，其強(qiáng)度較弱，但光譜范圍廣泛(約為200～800 nm)，包括近紅外光、可見光及紫外光等電磁波。生物光子輻射現(xiàn)象在20世紀(jì)初期被發(fā)現(xiàn)，但由于科技條件的限制，直到20世紀(jì)中期才首次證明了生物光子輻射現(xiàn)象的存在。之后的幾十年里，生物光子輻射在各大領(lǐng)域中都得到了廣泛的應(yīng)用，并形成了一種新的技術(shù)，即生物光子分析技術(shù)(BPAT)。生物光子輻射對(duì)生物體內(nèi)發(fā)生的細(xì)微變化極其敏感，因此當(dāng)生物體發(fā)生病變、蟲害或者受傷等不良狀況時(shí)，其內(nèi)部生物光子輻射就會(huì)發(fā)生顯著變化，利用這一現(xiàn)象可區(qū)分正常生物體和逆境生物體，進(jìn)而在儲(chǔ)糧害蟲檢測中起到積極的作用。

國內(nèi)外學(xué)者對(duì)生物光子檢測技術(shù)在儲(chǔ)糧害蟲檢測中的應(yīng)用展開了研究，并已取得較大的進(jìn)展。喬娜娜[8]利用靈敏度較高的生物超微弱發(fā)光測量儀測出了正常小麥和含蟲小麥的自發(fā)光光子數(shù)，隨后對(duì)采集的超微弱發(fā)光數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，消除因環(huán)境因素產(chǎn)生的噪聲，提取特征向量并使用主成分分析法(PCA)約簡維數(shù)，最后利用經(jīng)網(wǎng)格搜索算法(GSA)優(yōu)化的支持向量機(jī)(SVM)建立分類器，結(jié)果顯示分類準(zhǔn)確率達(dá)到了83%。Shi等[9]提出了一種結(jié)合模式識(shí)別和生物光子分析技術(shù)的小麥蟲害檢測模型，其作用是測量正常小麥和含蟲小麥的自發(fā)超弱光子并構(gòu)建特征向量，再利用基于遺傳算法的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)檢測小麥籽粒是否被侵染，經(jīng)過實(shí)驗(yàn)得出此模型平均正確率高達(dá)95%。賈曼曼[10]使用BPCL生物光子輻射測量儀測量了正常小麥和含蟲小麥的自發(fā)光輻射信號(hào)，隨后對(duì)采集的信息進(jìn)行小波降噪，分析它們高階譜和Hilbert譜特征，最后基于提取的特征變量利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行信號(hào)識(shí)別，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示分類準(zhǔn)確率最高達(dá)到了92.5%，同時(shí)漏檢率和虛警率分別為 6.67%和 8.33%。

生物光子輻射研究領(lǐng)域的進(jìn)展與高靈敏度測量系統(tǒng)的發(fā)展緊密相關(guān)，目前多數(shù)儀器都無法對(duì)生物分子在新陳代謝時(shí)產(chǎn)生的自發(fā)光進(jìn)行直接檢測，大多是利用外界的刺激來加強(qiáng)發(fā)光強(qiáng)度。因此研制高精度儀器和改進(jìn)外界誘導(dǎo)新技術(shù)是生物光子分析技術(shù)的兩個(gè)發(fā)展趨勢(shì)。

2.3 CT成像法

X射線是電磁波的一種形式，其波長比紫外線短，約為0.001～10 nm。CT成像技術(shù)是依賴物體對(duì)X射線的吸收來實(shí)現(xiàn)的，最常見的成像方式是基于X射線強(qiáng)度衰減的掃描，即X射線穿透物體時(shí)，由于物體的吸收和反射等相互作用會(huì)導(dǎo)致其能量逐漸衰弱，從而形成圖像。X射線最早在19世紀(jì)末期被發(fā)現(xiàn)，20世紀(jì)中期X射線掃描系統(tǒng)的出現(xiàn)，標(biāo)志著CT技術(shù)的正式誕生，由于各領(lǐng)域?qū)Ψ直媛实囊蟛煌虼碎_發(fā)出了多種標(biāo)準(zhǔn)的CT設(shè)備，如：CT、Micro-CT、CTM等。Micro-CT是一種用于檢測和重建樣本內(nèi)部三維幾何形狀的無創(chuàng)無損成像方法[11]，可同時(shí)描繪樣本的尺寸和形狀分布。與CT的不同之處在于采用了不同的微焦點(diǎn) X 射線球管，且Micro-CT分辨率更高，顯微效果更加顯著。

一些學(xué)者對(duì)Micro-CT成像技術(shù)在儲(chǔ)糧害蟲檢測中的應(yīng)用展開了研究，并已取得較大的進(jìn)展。李德偉[12]使用Micro-CT設(shè)備采集了正常麥粒和含蟲麥粒的投影圖像，并利用FDK算法、SART算法、MLEM算法對(duì)投影數(shù)據(jù)進(jìn)行二維切片重建，并分析了三種算法的優(yōu)劣，最后在利用MC算法與Mimics 平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了二維切片圖像三維可視化，直觀的顯示出麥粒的內(nèi)部情況，為今后三維特征提取及識(shí)別提供了參考。

Micro-CT是目前獲得相對(duì)高質(zhì)量三維結(jié)構(gòu)的唯一無損方法，其空間分辨率較高，但成像區(qū)域小、固相分離能力差，因此只能掃描體積較小的樣本。Micro-CT掃描的質(zhì)量和時(shí)間取決于儀器精度和重建算法的優(yōu)劣，因此可以通過研制高分辨率的精密儀器，或?qū)χ亟ㄋ惴ㄟM(jìn)行深層次的研究分析[13]，來實(shí)現(xiàn)更迅速、更精準(zhǔn)的掃描。

2.4 光引誘法

光引誘法是利用儲(chǔ)糧害蟲的趨光性，通過特定頻率和波長的燈光對(duì)害蟲進(jìn)行誘殺。我國最早在20世紀(jì)中期就開始利用煤油燈和白熾燈誘殺害蟲，在之后的幾十年里，利用不同頻率和波長的燈光，研制出了更多類型的誘蟲燈，如：LED誘蟲燈、黑光燈、高壓汞燈等。

光引誘法在儲(chǔ)糧害蟲檢測的應(yīng)用中已取得顯著的效果。Qing等[14]利用燈光對(duì)害蟲的吸引特性，研制了水稻誘蟲成像系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過兩個(gè)攝像頭獲取害蟲頂部和底部圖像，隨后進(jìn)行圖像去噪，并使用支持向量機(jī)分類器結(jié)合七倍交叉驗(yàn)證法對(duì)4種鱗翅目水稻害蟲進(jìn)行分類，結(jié)果顯示準(zhǔn)確率高達(dá)97.5%。

比起傳統(tǒng)的篩選法，光引誘法能夠更早的發(fā)現(xiàn)害蟲，但由于害蟲種類、年齡的不同，對(duì)不同頻率和波長燈光的敏感性也略有差異，因此要根據(jù)害蟲的習(xí)性及趨光性選擇合適的殺蟲燈。

3 聲學(xué)檢測法及應(yīng)用

聲學(xué)檢測法是利用傳感器采集儲(chǔ)糧害蟲運(yùn)動(dòng)時(shí)所發(fā)出的聲音，通過算法將聲信號(hào)放大，分析其信號(hào)特征，從而識(shí)別儲(chǔ)糧害蟲種類或數(shù)量。20世紀(jì)前期，研究人員就已經(jīng)開始考慮如何將聲學(xué)運(yùn)用到儲(chǔ)糧害蟲檢測上，20世紀(jì)中期，研究人員首次從糧堆中檢測出了儲(chǔ)糧害蟲活動(dòng)的聲音，20世紀(jì)后期，研究人員利用計(jì)算機(jī)技術(shù)與聲學(xué)技術(shù)相結(jié)合，將聲學(xué)檢測法帶入了一個(gè)嶄新的時(shí)代。近些年研究人員主要從兩個(gè)方面改進(jìn)了聲學(xué)檢測法：一是改進(jìn)聲學(xué)器件，獲得精確度更高的儀器；二是改進(jìn)信號(hào)處理的算法，獲得更明顯的信號(hào)特征，從而提高識(shí)別率。

3.1 壓縮感知法

Donoho[15]在2006年首次提出壓縮感知的概念，壓縮感知是一種建立在矩陣分析、運(yùn)籌學(xué)等基礎(chǔ)上的全新信息獲取與處理方法。壓縮感知技術(shù)能制定有效的采樣方案并提高信號(hào)重建的準(zhǔn)確性，其原理是將信號(hào)投影到給定波形上感知壓縮數(shù)據(jù)，利用最優(yōu)化方法進(jìn)行解密，從而估計(jì)出原始信號(hào)中想要傳遞的信息。自壓縮感知理論被提出以來，信號(hào)處理領(lǐng)域發(fā)生了革命性的變化，產(chǎn)生了許多理論擴(kuò)展和實(shí)際應(yīng)用。

關(guān)于壓縮感知技術(shù)在儲(chǔ)糧害蟲檢測中的應(yīng)用方面，韓安太等[16]設(shè)計(jì)出一種基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的儲(chǔ)糧害蟲聲信號(hào)采集系統(tǒng)，將用于采集赤擬谷盜成蟲的爬行聲，其核心技術(shù)是利用壓縮感知對(duì)采集的儲(chǔ)糧害蟲爬行聲信號(hào)進(jìn)行壓縮、傳輸和重構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)在10 KHz頻率下，對(duì)20個(gè)采集節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生的原始聲信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)的無線傳輸。彭慧等[17]采集了害蟲在大米中活動(dòng)時(shí)所發(fā)出的吃食、爬行、交配等聲音，并在采集點(diǎn)運(yùn)用壓縮感知技術(shù)對(duì)聲信號(hào)進(jìn)行處理，隨后根據(jù)用戶的需求將壓縮后的完整聲信號(hào)傳輸至用戶端，結(jié)果顯示原始信號(hào)與接收后的重建信號(hào)誤差率低于5%，證明了壓縮感知技術(shù)對(duì)于實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)糧害蟲聲信號(hào)實(shí)時(shí)監(jiān)測的可行性。

壓縮感知技術(shù)不僅能增加數(shù)據(jù)壓縮的速率，還能對(duì)采樣率很低的數(shù)據(jù)進(jìn)行精準(zhǔn)重構(gòu)，比起傳統(tǒng)的方法，它有效的降低了傳感器和存儲(chǔ)硬件的復(fù)雜度及成本。近些年壓縮感知技術(shù)發(fā)展迅速，出現(xiàn)了可以實(shí)現(xiàn)更精準(zhǔn)重構(gòu)的優(yōu)異算法，未來可以從算法上繼續(xù)突破，實(shí)現(xiàn)更精準(zhǔn)的信號(hào)壓縮及重建。

3.2 流形學(xué)習(xí)法

流形學(xué)習(xí)是一種新型非監(jiān)督學(xué)習(xí)方法，其原理是在保持所提取結(jié)構(gòu)特征的基礎(chǔ)上，提取高維空間中數(shù)據(jù)流形的結(jié)構(gòu)特征，然后在低維空間中表示數(shù)據(jù)流形?；谔崛〉慕Y(jié)構(gòu)特征，流形學(xué)習(xí)的方法可以分為兩大類：全局流形學(xué)習(xí)和局部流形學(xué)習(xí)。全局流形學(xué)習(xí)是通過定義每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)與其他數(shù)據(jù)點(diǎn)之間的關(guān)系來提取全局結(jié)構(gòu)特征，如：主成分分析[18](PCA)、多維縮放(MDS)、最大方差展開(MVU)等。局部流形學(xué)習(xí)是在高維空間中的每個(gè)樣本點(diǎn)周圍去尋找一個(gè)局部鄰域并收集其局部信息，然后映射到一個(gè)低維空間上，從而實(shí)現(xiàn)維數(shù)約簡。如：局部線性嵌入(LLE)、拉普拉斯特征圖(LEM)等。

關(guān)于對(duì)流形學(xué)習(xí)技術(shù)在儲(chǔ)糧害蟲檢測中的應(yīng)用方面，張明真等[19]對(duì)2種儲(chǔ)糧害蟲的爬行和翻身振動(dòng)活動(dòng)聲信號(hào)進(jìn)行采集，隨后利用流形學(xué)習(xí)的等距特征映射法提取儲(chǔ)糧害蟲活動(dòng)聲信號(hào)的流行空間特征，并對(duì)高維信號(hào)進(jìn)行降維操作，最后選擇以重尾徑向基為核函數(shù)的SVM對(duì)流行特征數(shù)據(jù)進(jìn)行分類識(shí)別，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示信號(hào)分類的準(zhǔn)確率達(dá)到了84%以上，證明了流形學(xué)習(xí)技術(shù)在處理聲信號(hào)方面的可行性及高效性。

流形學(xué)習(xí)是一種無參數(shù)的非線性方法，求解簡單且更能體現(xiàn)數(shù)據(jù)本質(zhì)。想要保持流形學(xué)習(xí)的先進(jìn)性，可以從代價(jià)函數(shù)、結(jié)構(gòu)特征提取方法等方面著手改進(jìn)，找出可以更好的保留高維數(shù)據(jù)流形在低維表示空間中分布的新方法。

3.3 功率譜分析法

功率譜是用來描述隨機(jī)信號(hào)的頻域特征，它能反映隨機(jī)信號(hào)中隱藏的周期性和譜峰。在功率譜的實(shí)際求取過程中，隨機(jī)信號(hào)的長度是有限的，因此要根據(jù)有限的數(shù)據(jù)對(duì)原始信號(hào)的真實(shí)功率譜進(jìn)行估計(jì)，這個(gè)過程通常稱為功率譜估計(jì)。功率譜估計(jì)一般可分為兩類：一類是經(jīng)典功率譜估計(jì)，實(shí)質(zhì)是依據(jù)傅里葉變換估計(jì)有限個(gè)樣本的功率譜特征，其信號(hào)特性不全且分辨率較低，如平均周期圖法等；另一類是現(xiàn)代功率譜估計(jì)，針對(duì)經(jīng)典功率譜估計(jì)的缺陷進(jìn)行了改進(jìn)，對(duì)已知的數(shù)據(jù)建立一個(gè)參數(shù)模型，有效的提高了分辨率，如最大熵功率譜估計(jì)法[20]、迭代最大熵功率譜估計(jì)法[21]等。

關(guān)于功率譜分析技術(shù)在儲(chǔ)糧害蟲檢測中的應(yīng)用方面，郭敏等[22]采集了5種主要儲(chǔ)糧害蟲的微弱爬行聲信號(hào)，利用小波分析技術(shù)對(duì)活動(dòng)聲信號(hào)進(jìn)行去噪，隨后利用功率譜分析法從時(shí)域和頻域兩方面對(duì)不同種類儲(chǔ)糧害蟲的爬行聲信號(hào)進(jìn)行分析，實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)5種儲(chǔ)糧害蟲由于速度、體重的不同，使得害蟲聲信號(hào)的峰值頻率及主要頻率范圍也存在明顯差異。GENG S等[23]采集了小麥和玉米中的害蟲蠕變聲信號(hào)，并利用matlab中的小波變換對(duì)害蟲蠕變信號(hào)進(jìn)行降噪，分析其功率譜特征，結(jié)果顯示2種功率譜都為離散但有明顯差異，最終證明了功率譜分析法可用來分析糧堆中的害蟲種類。

功率譜技術(shù)創(chuàng)新的關(guān)鍵在于功率譜估計(jì)的方法[24]，因此未來的工作重點(diǎn)是功率譜估計(jì)方法的突破。

4 圖像識(shí)別法及應(yīng)用

圖像作為人類視覺的基礎(chǔ)，在人類的感知體系中具有獨(dú)一無二的作用，但人類僅可以感知電磁波中的可見光部分，各種圖像成像機(jī)器則可以得到幾乎所有的電磁波譜，因此圖像處理逐漸成為人們的研究重點(diǎn)。隨著圖像采集設(shè)備價(jià)格的下降，網(wǎng)絡(luò)通信寬帶的擴(kuò)展，推動(dòng)了數(shù)字圖像處理技術(shù)的應(yīng)用發(fā)展。在儲(chǔ)糧害蟲檢測中，研究人員將計(jì)算機(jī)技術(shù)、模式識(shí)別、數(shù)字圖像處理等技術(shù)相結(jié)合，來實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)糧害蟲的精確檢測，一般按照?qǐng)D像采集、特征提取、分類識(shí)別和測試數(shù)據(jù)集的步驟[25]，實(shí)現(xiàn)圖像的采集、處理、還原、分析、識(shí)別等功能。

4.1 支持向量機(jī)

支持向量機(jī)(SVM)是一種以統(tǒng)計(jì)學(xué)習(xí)理論為基礎(chǔ)的機(jī)器學(xué)習(xí)方法，對(duì)回歸問題和二值分類問題的處理十分有效，其原理是在兩類不同的數(shù)據(jù)之間尋找一個(gè)分類邊界，在保證邊界精準(zhǔn)的把數(shù)據(jù)按類別分開的基礎(chǔ)上，使邊界兩側(cè)與數(shù)據(jù)之間的空白部分達(dá)到最大。最初的支持向量機(jī)只對(duì)線性可分的數(shù)據(jù)集有較高的分類精度，之后出現(xiàn)了非線性的支持向量機(jī)：核支持向量機(jī)(KSVM)，它可以通過對(duì)核函數(shù)的優(yōu)化來提高核支持向量機(jī)的精確度，目前已有多種核函數(shù)，如：多項(xiàng)式核[26]、拉普拉斯核[27]等。核支持向量機(jī)的優(yōu)勢(shì)在于精準(zhǔn)，但計(jì)算復(fù)雜度非常高，對(duì)大規(guī)模數(shù)據(jù)的處理耗時(shí)耗力。

關(guān)于支持向量機(jī)技術(shù)在儲(chǔ)糧害蟲檢測中的應(yīng)用方面，張紅濤等[28]提出了一種基于近紅外光的儲(chǔ)糧害蟲活蟲檢測方法來精準(zhǔn)定位活蟲位置，隨后將模擬退火算法與支持向量機(jī)相結(jié)合，在15類糧蟲訓(xùn)練樣本中構(gòu)造所有二類分類器，根據(jù)活蟲的尾部弧度、精確長寬比等21個(gè)整體形態(tài)學(xué)特征和7個(gè)局部形態(tài)學(xué)特征進(jìn)行識(shí)別分類，結(jié)果顯示對(duì)活蟲的分類準(zhǔn)確率達(dá)到了94.8%。廉飛宇等[29]運(yùn)用五種常見邊緣檢測算法和元胞自動(dòng)機(jī)算法對(duì)儲(chǔ)糧害蟲圖像進(jìn)行邊緣檢測并提取其特征，隨后分別用RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和支持向量機(jī)進(jìn)行分類識(shí)別，結(jié)果顯示，支持向量機(jī)明顯優(yōu)于RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，并且當(dāng)圖像中含有兩種或兩種以上的儲(chǔ)糧害蟲時(shí)，元胞自動(dòng)機(jī)結(jié)合支持向量機(jī)的準(zhǔn)確率更加優(yōu)異，達(dá)到了91.38%。

支持向量機(jī)能夠根據(jù)訓(xùn)練數(shù)據(jù)對(duì)模型進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整，具有較好的泛化能力和性能，在解決小樣本、非線性和高維模式識(shí)別問題中表現(xiàn)出特有的優(yōu)勢(shì)，但在處理多分類數(shù)據(jù)方面還有待改善。支持向量機(jī)對(duì)算法的依賴性較高，因此使用新的算法[30]進(jìn)行優(yōu)化，將是支持向量機(jī)技術(shù)未來的發(fā)展趨勢(shì)。

4.2 多標(biāo)記學(xué)習(xí)

傳統(tǒng)的監(jiān)督學(xué)習(xí)方法都是單標(biāo)記學(xué)習(xí)，意味著只能將一種數(shù)據(jù)貼上一個(gè)標(biāo)簽，但在實(shí)際應(yīng)用中，并不是某一樣本只屬于一個(gè)類別，因此多標(biāo)記學(xué)習(xí)應(yīng)運(yùn)而生。多標(biāo)記學(xué)習(xí)樣本由一個(gè)示例和多個(gè)標(biāo)記組成，其主要任務(wù)是建立一個(gè)多標(biāo)記分類器模型，將已知的多標(biāo)記學(xué)習(xí)樣本集中的多個(gè)標(biāo)記賦予給未知的樣本示例。由于多標(biāo)簽數(shù)據(jù)屬于多個(gè)類，且相應(yīng)的類邊界總是重疊，從而導(dǎo)致決策空間相當(dāng)復(fù)雜[31]，因此就要使用高效的算法進(jìn)行分類。多標(biāo)記學(xué)習(xí)的主要方法有兩種：一種是問題轉(zhuǎn)化[32]，另一種是算法自適應(yīng)[33]。問題轉(zhuǎn)化是將一個(gè)多標(biāo)記學(xué)習(xí)問題轉(zhuǎn)變成多個(gè)傳統(tǒng)的二分類問題，如：BR[34]、LP[35]、RPC[36]等。算法自適應(yīng)是在現(xiàn)有二分類算法結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，從而實(shí)現(xiàn)多標(biāo)記學(xué)習(xí)分類，如：決策樹算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法等。

關(guān)于多標(biāo)記學(xué)習(xí)技術(shù)在儲(chǔ)糧害蟲檢測中的應(yīng)用方面，柏天才[37]利用改進(jìn)的小波閾值法和區(qū)域生長法對(duì)復(fù)雜糧蟲圖像進(jìn)行預(yù)處理，并使用三種特征提取方法進(jìn)行特征提取，隨后利用稀疏編碼將多示例多標(biāo)記問題轉(zhuǎn)化為多標(biāo)記問題，最后使用AdaBoost.MH算法構(gòu)建多標(biāo)記分類器，對(duì)100副儲(chǔ)糧害蟲圖像進(jìn)行識(shí)別分類，取得了較好的識(shí)別結(jié)果，證明了多標(biāo)記儲(chǔ)糧害蟲圖像分類是有效可行的。

多標(biāo)記學(xué)習(xí)因其計(jì)算復(fù)雜度低且不會(huì)過度擬合等特點(diǎn)已被廣泛的應(yīng)用在眾多領(lǐng)域，但還有一些問題有待完善，如：覆蓋率小、準(zhǔn)確率低、易忽視不同標(biāo)簽之間的關(guān)聯(lián)性等，因此提出一個(gè)高效且覆蓋率廣的算法是目前研究的重點(diǎn)方向，可以從問題轉(zhuǎn)化和算法自適應(yīng)這兩個(gè)方面去尋求算法的突破。

4.3 深度學(xué)習(xí)

深度學(xué)習(xí)是機(jī)器學(xué)習(xí)領(lǐng)域的一個(gè)熱門方向，它是Hinton等[38]在2006年提出的。深度學(xué)習(xí)對(duì)比傳統(tǒng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等淺層學(xué)習(xí)而言，傳統(tǒng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)都是包含輸入層、隱含層、輸出層，但不同之處在于深度學(xué)習(xí)的隱含層數(shù)更多，分層結(jié)構(gòu)也更加接近人類大腦神經(jīng)結(jié)構(gòu)。深度學(xué)習(xí)的目的是要模擬人類大腦，建立一個(gè)類似大腦神經(jīng)結(jié)構(gòu)的模型，其原理是對(duì)原始信號(hào)進(jìn)行多層的非線性操作，自動(dòng)學(xué)習(xí)目標(biāo)特征，從而實(shí)現(xiàn)更精準(zhǔn)的分類識(shí)別。

國內(nèi)外學(xué)者對(duì)深度學(xué)習(xí)技術(shù)在儲(chǔ)糧害蟲檢測中的應(yīng)用展開了研究[39]，Wu等[40]對(duì)常見的15種儲(chǔ)糧害蟲進(jìn)行信息采集，利用VGG16模型建立卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)6 900張顯微圖像數(shù)據(jù)集進(jìn)行訓(xùn)練，并使用遷移學(xué)習(xí)進(jìn)行優(yōu)化，最后用四種不同的優(yōu)化策略與交叉驗(yàn)證法進(jìn)行對(duì)比，實(shí)驗(yàn)證明交叉驗(yàn)證100次的總準(zhǔn)確率最高，達(dá)到了83.8%。Li等[41]對(duì)收集到的84副圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行增強(qiáng)，隨后將基于ZF模型的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與基于非極大值抑制的區(qū)域生成網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行結(jié)合，對(duì)較小的多尺度圖像進(jìn)行訓(xùn)練，最后將改進(jìn)的ZF網(wǎng)絡(luò)與其他三種方法進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果顯示ZF網(wǎng)絡(luò)需要的參數(shù)更少且準(zhǔn)確率更高，平均精度達(dá)到了88.5%。

深度學(xué)習(xí)一直是備受關(guān)注的熱點(diǎn)問題，對(duì)比傳統(tǒng)的機(jī)器學(xué)習(xí)，深度學(xué)習(xí)的擬合能力更強(qiáng)，還可以從模型的深度中得到指數(shù)增益，但是深度學(xué)習(xí)的解釋性差、計(jì)算效率低等問題還需要繼續(xù)完善，一些學(xué)者在以下方面進(jìn)行了改進(jìn)：添加更多的模型層、優(yōu)化相關(guān)算法、增強(qiáng)訓(xùn)練數(shù)據(jù)集等，紛紛取得了一些成效。

5 其他檢測技術(shù)及應(yīng)用

5.1 電導(dǎo)率法

電導(dǎo)率法又稱電阻法，是根據(jù)谷物內(nèi)部濕度的變化來檢測谷物的完整性，原理是谷物的濕度會(huì)影響電阻值的大小，且含蟲谷物的濕度遠(yuǎn)高于正常谷物。電導(dǎo)率法測定農(nóng)作物的水分含量、發(fā)芽率、成熟度等生理特性具有方便、廉價(jià)、精準(zhǔn)的特點(diǎn)，因此已初步應(yīng)用于多種谷物的品質(zhì)評(píng)價(jià)。

關(guān)于電導(dǎo)率技術(shù)在儲(chǔ)糧害蟲檢測中的應(yīng)用方面，Pearson等[42]首次提出利用電導(dǎo)率法檢測儲(chǔ)糧害蟲，其利用單粒谷物特性測定儀SKCS4100測量小麥的電導(dǎo)率，通過對(duì)電信號(hào)進(jìn)行處理來區(qū)分正常小麥和害蟲小麥，實(shí)驗(yàn)顯示，對(duì)大型幼蟲和蛹的平均檢測準(zhǔn)確率達(dá)到了88%。熊寧等[43]研究了不同條件下稻谷浸出液電導(dǎo)率的變化趨勢(shì)，分析了553份稻谷浸泡24 h的浸出液電導(dǎo)率發(fā)現(xiàn)，稻谷浸出液電導(dǎo)率增大速率與溫度成正相關(guān)，并且不同品質(zhì)的稻谷電導(dǎo)率增大的趨勢(shì)基本一致，且24 h后電導(dǎo)率差值基本穩(wěn)定，為今后的稻谷評(píng)測奠定了理論基礎(chǔ)。

電導(dǎo)率法具有操作簡單、結(jié)果精準(zhǔn)、零失誤率的特點(diǎn)，是一種經(jīng)濟(jì)的儲(chǔ)糧害蟲檢測方法，但存在只能單粒檢測的缺陷。因此還需要研究人員繼續(xù)改進(jìn)，提高檢測速度及效率。

5.2 氣味分析法

氣味分析法是根據(jù)糧倉中的正常糧食、霉變糧食、受侵染糧食發(fā)揮出的不同氣味來分析糧食的狀態(tài)。一旦糧食受到某種儲(chǔ)糧害蟲的侵染，就會(huì)散發(fā)出一種特殊的揮發(fā)物，根據(jù)揮發(fā)物的比例可以鑒別出昆蟲的種類。儲(chǔ)糧害蟲還會(huì)被糧食所散發(fā)的氣味或某種特殊的化學(xué)氣味所吸引，利用儲(chǔ)糧害蟲的這種特性可以對(duì)其進(jìn)行防治。

關(guān)于氣味分析技術(shù)在儲(chǔ)糧害蟲檢測中的應(yīng)用方面，唐培安等[44]利用FOX3000型電子鼻對(duì)玉米象不同密度、不同蟲態(tài)的揮發(fā)物進(jìn)行了收集，隨后采用主成分分析法和判別因子分析法對(duì)收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，結(jié)果顯示主成分分析法的效果并不理想，而判別因子分析法則可以將玉米象混合蟲態(tài)的不同樣本進(jìn)行有效區(qū)分，證明了電子鼻結(jié)合判別因子分析法檢測儲(chǔ)糧害蟲的可行性及高效性。SRIVASTAVA等[45]利用電子鼻對(duì)不同貯藏天數(shù)的不同糧食樣品產(chǎn)生的揮發(fā)物進(jìn)行了記錄，然后使用PCA和MLR根據(jù)蛋白質(zhì)和尿酸含量對(duì)糧食進(jìn)行分級(jí)，結(jié)果顯示分級(jí)準(zhǔn)確率較高，證明了電子鼻對(duì)于儲(chǔ)糧害蟲檢測的高效性。

氣味分析法的關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)在于一旦確定了樣本中產(chǎn)生的某種特定揮發(fā)性化合物就可以成為適當(dāng)?shù)纳飿?biāo)記物，為今后對(duì)這種害蟲的控制提供重要數(shù)據(jù)，但在實(shí)際應(yīng)用中濕度等外界環(huán)境會(huì)影響揮發(fā)物的釋放和檢測。因此今后的發(fā)展重點(diǎn)是真實(shí)環(huán)境下的揮發(fā)物提取技術(shù)。

5.3 陷阱式誘捕法

陷阱式誘捕法是利用儲(chǔ)糧害蟲的某些生理特征進(jìn)行誘捕，如害蟲會(huì)被某種食物氣味、發(fā)霉糧食氣味或某種化合物氣味所吸引。其步驟是將食物或某種引誘劑放入制作好的陷阱中，對(duì)儲(chǔ)糧害蟲實(shí)施誘捕，再使用圖像處理等技術(shù)進(jìn)行分析[46]，從而檢測儲(chǔ)糧害蟲的密度及種類。

關(guān)于儲(chǔ)糧害蟲的誘捕方法，Collins L E等[47]使用了多種陷阱誘捕器及不同引誘劑，在實(shí)驗(yàn)室和糧倉等環(huán)境下對(duì)不同種類、品系和年齡的儲(chǔ)糧害蟲進(jìn)行了誘捕，結(jié)果顯示CSL I-Spy昆蟲指示器探測到的儲(chǔ)糧害蟲種類更多且效率更高。譚達(dá)川等[48]對(duì)糧倉害蟲倉外采集檢測系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，在糧倉內(nèi)合適的地點(diǎn)放入多個(gè)誘捕器進(jìn)行信息采集，通過與計(jì)算機(jī)結(jié)合，檢測倉內(nèi)氮?dú)鉂舛扰c儲(chǔ)糧害蟲數(shù)量之間的關(guān)系，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了倉外自動(dòng)檢測技術(shù)，并且可以進(jìn)行多點(diǎn)同時(shí)檢測，減少了勞動(dòng)力，提高了糧蟲檢測效率。

誘捕法具有簡單、方便、成本低等優(yōu)點(diǎn)，但易受環(huán)境因素影響，且對(duì)惰性害蟲或者蟲卵等無法移動(dòng)的儲(chǔ)糧害蟲效果較差，因此未來的發(fā)展趨勢(shì)在于研制出一種重復(fù)使用、易于組裝、容易識(shí)別的陷阱誘捕器。

6 結(jié)論

利用現(xiàn)代信息技術(shù)對(duì)儲(chǔ)糧害蟲進(jìn)行防控已成為當(dāng)前的研究熱點(diǎn)，有助于糧倉工作人員對(duì)儲(chǔ)糧害蟲進(jìn)行科學(xué)合理的防治。從上文對(duì)儲(chǔ)糧害蟲檢測技術(shù)的分析中可以看出，盡管國內(nèi)外學(xué)者已取得顯著的研究成果，為更高效的現(xiàn)代信息檢測技術(shù)研究奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，但是現(xiàn)有的現(xiàn)代信息檢測技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用方面還有待進(jìn)一步研究與完善，因此難以充分滿足目前儲(chǔ)糧害蟲檢測方面的需求。針對(duì)這些技術(shù)的缺陷，可以多元化的發(fā)展儲(chǔ)糧害蟲檢測技術(shù)，不再局限于光學(xué)或聲學(xué)等某一技術(shù)的發(fā)展，而是多種技術(shù)有機(jī)結(jié)合，相互交叉，取長補(bǔ)短，如：利用生物光子檢測法能檢測隱蔽性害蟲的特點(diǎn)與圖像識(shí)別法相結(jié)合，建立智能化的在線檢測平臺(tái)，實(shí)時(shí)檢測從蟲卵到成蟲所有時(shí)期的儲(chǔ)糧害蟲。還可以將更多有效的技術(shù)應(yīng)用在儲(chǔ)糧害蟲檢測中，提高檢測的效率及準(zhǔn)確率，如：利用遙感技術(shù)及空間動(dòng)態(tài)分析等方法，對(duì)復(fù)雜性種群動(dòng)態(tài)產(chǎn)生的條件進(jìn)行研究，做到從根本上防治害蟲。目前糧食在產(chǎn)后儲(chǔ)藏期間的損失極其嚴(yán)峻，因此仍需要國內(nèi)外學(xué)者對(duì)現(xiàn)有的儲(chǔ)糧害蟲檢測技術(shù)進(jìn)行研究并改進(jìn)，同時(shí)探索更有效的新技術(shù)，為儲(chǔ)糧害蟲的防治提供科學(xué)、合理的參考依據(jù)。