王曉麗 胡乾浩 滿 芮* 劉婷婷

（1.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)信息研究所，北京 100081；2.北京農(nóng)業(yè)職業(yè)學(xué)院信息中心，北京 100081；3.國家農(nóng)業(yè)科學(xué)數(shù)據(jù)中心，北京 100081；4.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081）

數(shù)據(jù)庫（集）基本信息簡介

1 引言

在使用遙感技術(shù)進(jìn)行果樹理化性狀研究時(shí)，首先需先進(jìn)行果樹樹種的識(shí)別，否則會(huì)導(dǎo)致張冠李戴的現(xiàn)象，而不同果樹花器在性狀上較葉片更容易區(qū)分，因此在花期對果樹樹種進(jìn)行識(shí)別是即經(jīng)濟(jì)又有效的方法。本研究收集了不同果樹花期的光譜和圖像數(shù)據(jù)，對開展果樹樹種識(shí)別提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，同時(shí)也為今后利用遙感技術(shù)對果園進(jìn)行精準(zhǔn)管理提供參考。

目前，在果樹花期近紅外光譜和圖像數(shù)據(jù)的研究方面，朱永寧[1]通過2018—2019 年寧夏16 套枸杞農(nóng)田小氣候站上的實(shí)景監(jiān)測系統(tǒng)，于枸杞生長季（4 月1日—11 月15 日）采集枸杞開花期和果實(shí)成熟期室外特征圖像共3000余張，處理后收集圖像樣本7260張。劉穎[2]在試驗(yàn)果園采集了99 株矮砧‘嘎啦’蘋果樹花期室外冠層高光譜圖像數(shù)據(jù)。雷彤[3]采集了129棵蘋果樹的室外冠層光譜和圖像數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)樣本進(jìn)行篩選形成54 棵蘋果樹的光譜和圖像數(shù)據(jù)集。劉艷麗[4]采集了100 個(gè)哈姆林甜橙花朵室內(nèi)高光譜圖像數(shù)據(jù)。從前人的相關(guān)工作來看，多數(shù)是對單品種的花期圖像或光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行收集。多品種的數(shù)據(jù)采集也僅限于室外冠層光譜數(shù)據(jù)，同時(shí)采集室內(nèi)和室外光譜和圖像數(shù)據(jù)的研究較少。

為彌補(bǔ)以上不足，本研究利用ASD FieldSpec3便攜式光譜分析儀采集了梨花、蘋果花和杏花3 種果樹花期室內(nèi)和室外的光譜數(shù)據(jù)，為記錄花朵狀態(tài)采集了果樹花期室內(nèi)和室外圖像數(shù)據(jù)集，為今后探尋利用地面光譜測試數(shù)據(jù)對果樹樹種進(jìn)行科學(xué)識(shí)別提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

2 數(shù)據(jù)采集和處理方法

2.1 樣品采集

2016年4月28日—5月10日，于遼寧興城國家級(jí)標(biāo)準(zhǔn)資源圃選取盛花期的早酥梨、華紅蘋果和銀白杏三種果樹進(jìn)行樣本采集，每個(gè)品種選取樹高和胸徑基本一致的10 株，每株選取3～4 個(gè)花簇作為測定點(diǎn)。每個(gè)測定點(diǎn)選取的標(biāo)準(zhǔn)為花束比較緊湊的部位。之后采集每個(gè)測定點(diǎn)的一朵花朵，將其放置于干凈透明的保鮮袋中并編號(hào)（如圖1 所示），放入恒溫箱中帶回實(shí)驗(yàn)室。為確保樣品新鮮，在恒溫箱中放入冰塊。由于杏花室內(nèi)圖片在質(zhì)量控制時(shí)被剔除，因此形成了蘋果和梨的室內(nèi)圖像數(shù)據(jù)集，蘋果、梨和杏花的室外圖像數(shù)據(jù)集。

圖1 樣品裝袋編號(hào)Fig.1 Sample bag number

2.2 果樹花期近紅外光譜數(shù)據(jù)采集

本實(shí)驗(yàn)使用美國ASD（AnalyticalSpectralDevice）公司的FieldSpec3 便攜式光譜輻射計(jì)進(jìn)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(tǒng)環(huán)境的筆記本，并安裝配套的采集軟件。本實(shí)驗(yàn)使用Field‐SpecRS3（一下簡稱RS3）軟件進(jìn)行光譜采集、儀器優(yōu)化和白板校正等。為保證儀器狀態(tài)穩(wěn)定，開機(jī)預(yù)熱時(shí)間不少于1小時(shí)[5-6]。

室外測量時(shí)，選擇無云無風(fēng)的晴天，于北京時(shí)間上午11:30 至下午2:30 之間進(jìn)行測量，測量時(shí)要先進(jìn)行白板校正，確認(rèn)基線為100%后，再進(jìn)行數(shù)據(jù)獲取。并且儀器探頭垂直向下，以確保與衛(wèi)星傳感器探測方向一致。

室內(nèi)測量時(shí)，使用黑色不反光的棉布為背景，盡量將花朵正面朝上放置；探頭為裸光纖，前視場角25°。測量時(shí)固定在樣品正上方10cm 處，垂直于花朵；使用光譜儀配套的50W 鹵化燈作為室內(nèi)光源（約3100 K 色溫，模擬太陽光），45°的入射角，距離樣品45cm 左右，；為提高數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性，每隔10min 左右進(jìn)行一次白板校正；采集時(shí)，1朵花采集10條光譜。

采集的數(shù)據(jù)格式為ASCII文件，后期可通過ASD公司的ViewSpecPro 軟件查看，并可轉(zhuǎn)化為.txt 等格式，按照約定的協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)分析讀取工作。

2.3 果樹花期圖像采集

本實(shí)驗(yàn)使用尼康D90 型數(shù)碼相機(jī)和尼克爾鏡頭進(jìn)行圖像數(shù)據(jù)采集。D90 采用了有效像素為1230 的DX 格式CMOS傳感器；感應(yīng)器尺寸為23.6×15.8mm；感光度為200～3200；具有11點(diǎn)自動(dòng)對焦區(qū)域；快門時(shí)滯大約65 毫秒；具有測光控制和自動(dòng)D-Lighting 功能，可彌補(bǔ)圖片中的細(xì)節(jié)丟失；支持NEF、JPEG、AVI圖片存儲(chǔ)格式，文件自動(dòng)編號(hào)；文件最大尺寸4288 像素×2848像素，最多可拍1850張左右。

室內(nèi)測量時(shí)，將花朵置于配有標(biāo)尺的黑色平板上，通過標(biāo)尺可測量花朵的寬度和長度。為避免陰影產(chǎn)生，同時(shí)確保光照強(qiáng)度穩(wěn)定，分別在左右兩側(cè)架設(shè)一盞攝影燈。將相機(jī)無傾斜的置于距離花朵上方40cm 左右，并使用自動(dòng)曝光模式進(jìn)行拍攝。圖像格式為JPEG，尺寸為4288像素×2848像素[7]。

室外測量時(shí)，保持與光譜數(shù)據(jù)采集的位置相同，對準(zhǔn)被測點(diǎn)進(jìn)行拍攝，后期使用Photoshop 對圖像進(jìn)行裁剪，選取被測點(diǎn)花簇，生成1088 像素×1088 像素的圖像。圖像存儲(chǔ)格式統(tǒng)一為JPEG格式。

3 數(shù)據(jù)樣本描述

3.1 果樹花期近紅外光譜數(shù)據(jù)

不同果樹品種光譜數(shù)據(jù)單獨(dú)保存為一個(gè)文件夾，每10 條連續(xù)的.asd 數(shù)據(jù)為同一樣本的光譜數(shù)據(jù)，如：“001-01-01”～“001-01-10”為同一花朵的光譜數(shù)據(jù)。文件夾命名方式為“序號(hào)+品種名+室內(nèi)/室外”。部分樣本示例如圖2所示。

圖2 不同果樹樹種花的反射光譜特征Fig.2 Characteristics of remote sensing reflectance spectra of fruit trees in flowering stages

3.2 果樹花期圖像數(shù)據(jù)

果樹花期圖像數(shù)據(jù)中每個(gè)品種的圖像按品種和室內(nèi)外分類保存在不同的文件夾中，一個(gè)花朵樣本對應(yīng)一張圖像。文件夾命名方式為"序號(hào)+品種名+室內(nèi)/室外”。部分樣本示例如圖3所示。

4 數(shù)據(jù)質(zhì)量控制和評估

為確保數(shù)據(jù)質(zhì)量和可靠性，所有果樹花朵均采集于國家級(jí)標(biāo)準(zhǔn)資源圃，由中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院果樹研究所的專業(yè)人員進(jìn)行果樹品種鑒別和實(shí)驗(yàn)操作規(guī)范指導(dǎo)。采用國際通用的光譜采樣方法采集花朵近紅外光譜數(shù)據(jù)。采用高清相機(jī)進(jìn)行圖像采集，并使用國際通用的JPEG格式進(jìn)行存儲(chǔ)。室內(nèi)圖像采集時(shí)使用標(biāo)準(zhǔn)刻度尺作為參考，刻度單位為毫米，可為使用者提取花朵大小提供依據(jù)。

圖3 部分樣本的花期圖像（單位：cm）Fig.3 Flowering images of some samples(Unit:cm)

數(shù)據(jù)采集與整理過程中，由果樹所專業(yè)人員，對樣本顏色和形狀等進(jìn)行檢查，如發(fā)現(xiàn)異常則認(rèn)為樣本數(shù)據(jù)可疑。光譜數(shù)據(jù)采集后對數(shù)據(jù)質(zhì)量進(jìn)行審查，剔除反射率不在正常范圍內(nèi)的光譜數(shù)據(jù)。杏花室內(nèi)數(shù)據(jù)出現(xiàn)光譜連續(xù)點(diǎn)跳躍的現(xiàn)象，為提升數(shù)據(jù)質(zhì)量，使用ViewSpec 軟件自帶的Splice Correction 功能對數(shù)據(jù)進(jìn)行修正。拼接校正[8-10]對數(shù)據(jù)的質(zhì)量提升有著重要作用。對圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選，剔除模糊不清的圖像數(shù)據(jù)。

5 數(shù)據(jù)使用方法和建議

室外光譜數(shù)據(jù)為自然環(huán)境，更接近衛(wèi)星傳感器所獲得的數(shù)據(jù)，而室內(nèi)光譜數(shù)據(jù)測試環(huán)境穩(wěn)定，能更好的反應(yīng)花朵的光譜反射特征，可結(jié)合室內(nèi)室外兩種光譜數(shù)據(jù)，探尋各品種光譜共性，分析光譜特征，進(jìn)行果樹識(shí)別。

另外，使用室內(nèi)拍攝的圖像數(shù)據(jù)，可提取花的形狀、顏色和尺寸等信息，通過這些信息進(jìn)行樹種識(shí)別。

數(shù)據(jù)作者分工職責(zé)

王曉麗（1982—），女，河北人，博士，助理研究員，主要從事農(nóng)業(yè)科學(xué)數(shù)據(jù)管理與分析研究。本研究主要工作：數(shù)據(jù)匯總整理。

胡乾浩（1993—），男，北京人，碩士，研實(shí)員，主要從事農(nóng)業(yè)科學(xué)數(shù)據(jù)獲取與分析研究。本研究主要工作：圖像數(shù)據(jù)采集。

滿芮（1985—），女，北京人，博士，助理研究員，主要從事農(nóng)業(yè)科學(xué)數(shù)據(jù)管理與共享研究。本研究主要工作：總體方案設(shè)計(jì)與組織實(shí)施。

劉婷婷（1985—），女，北京人，碩士，助理研究員，主要從事農(nóng)業(yè)科學(xué)數(shù)據(jù)獲取與研究。本研究主要工作：光譜數(shù)據(jù)采集。