[发明专利]一种单粒玉米种子高光谱检测成熟度的方法

权利要求书

1.一种单粒玉米种子高光谱检测成熟度的方法，其步骤包括：

1)样本高光谱采集：采集不同成熟度玉米种子作为样本，利用高光谱成像系统进行高光谱图像信息的采集；

2)图像背景分割：采用主成分分析方法将背景与样本的像元分离，除去背景像元，得到去除背景后的玉米种子高光谱图像；其中：

2-1)对于M×N×B的三维高光谱矩阵，M和N分别为高光谱图像的宽和高，B为高光谱图像维数，即波段数，将三维高光谱矩阵转换为(M×N)×B的二维矩阵，用X＝[x₁,x₂,…,x_i,…,x_D]表示高光谱图像，其中D＝M×N，x_i为B维的向量，由同一位置上B个波段的像元值组成；

2-2)将数据矩阵X按列进行中心标准化，为了方便将标准化后的数据矩阵仍然记为X；

2-3)计算高光谱图像X的均值矢量μ和协方差矩阵Σ：

其中，μ＝[μ₁,μ₂,…,μ_D],I_j(i)表示第i个像元在第j个波段上的像元值；

2-4)求解协方差矩阵Σ的特征值λ和特征向量T：

(λI-Σ)T＝0

其中，I为单位矩阵，令λ₁,λ₂,…,λ_B为协方差矩阵的特征根，且λ₁≧λ₂≧…≧λ_B，其对应的特征向量为T₁,T₂,…,T_B，得正交变换矩阵：

W＝[T₁,T₂,…,T_B]

正交变换矩阵满足：

WW^T＝W^TW＝1

2-5)高光谱图像线性变换：

Y＝W^TX

Y为变换后的图像矩阵，图像矩阵中排在前面的几个主成分，即方差贡献率最大的几个主成分；

2-6)以第一主成分为x轴，第二主成分或第三主成分为y轴，绘制二维特征的散点图，图中散点是基于谱相似性聚类的，将散点基于密度进行着色，由于背景与玉米种子成分存在明显差异,各自均有不同的组成结构，所以背景像元与玉米种子像元有明显分开的趋势,从而区分背景像元与玉米种子像元；

3)数据处理：对获得的去除背景后的玉米种子高光谱图像进行标准正态变量变换预处理，并将多粒玉米种子排列的图像切割为单粒玉米种子图像；

4)分割未成熟区域：将步骤3)处理后的高光谱图像再次进行主成分分析，然后采用最大类间方差法分割图像，可分割为两部分，乳线以上未成熟度区域和乳线以下成熟区域；其中：

4-1)对步骤3)获得的单粒玉米种子高光谱图像再次进行主成分分析，具体步骤同步骤2)；

4-2)在PC1图像中能较完整地体现出以乳线为分割的未成熟区域与成熟区域的差异，选择第一主成分图像，进行灰度化处理，采用最大类间方差法对PC1图像中未成熟区域和成熟区域进行分割处理；

4-3)再依次进行填充空洞、腐蚀、和膨胀等图像处理方法得到玉米种子未成熟区域二值图像，计算未成熟区的全部像素点；

5)成熟度确定：将步骤3)单粒种子图像二值化，计算种子面积；计算步骤4)得到的未成熟区域面积；计算未成熟度区域面积占玉米籽粒整体面积的比值，低于0.3为成熟度高的种子，高于0.3为成熟度低的种子。