Spectral and textural analysis of high resolution data for the automatic detection of grape vine diseases

par Hania Al saddik

Thèse de doctorat en Génie informatique, automatique et traitement du signal

Sous la direction de Frédéric Cointault et de Jean-Claude Simon.

Soutenue le 04-07-2019

à Bourgogne Franche-Comté , dans le cadre de École doctorale Environnements, Santé (Dijon ; Besançon ; 2012-....) , en partenariat avec Agroécologie (Dijon) (laboratoire) .

Le président du jury était Ludovic Macaire.

Le jury était composé de Johan Debayle, Olivier Brousse, Sylvie Duthoit.

Les rapporteurs étaient Jean-Michel Roger, Johan Debayle.

  • Titre traduit

    Analyses spectrale et texturale de données haute résolution pour la détection automatique des maladies de la vigne


  • Résumé

    La Flavescence dorée est une maladie contagieuse et incurable de la vigne détectable sur les feuilles. Le projet DAMAV (Détection Automatique des MAladies de la Vigne) a été mis en place, avec pour objectif de développer une solution de détection automatisée des maladies de la vigne à l’aide d’un micro-drone. Cet outil doit permettre la recherche des foyers potentiels de la Flavescence dorée, puis plus généralement de toute maladie détectable sur le feuillage à l’aide d’un outil multispectral dédié haute résolution.Dans le cadre de ce projet, cette thèse a pour objectif de participer à la conception et à l’implémentation du système d’acquisition multispectral et de développer les algorithmes de prétraitement d’images basés sur les caractéristiques spectrales et texturales les plus pertinentes reliées à la Flavescence dorée.Plusieurs variétés de vigne ont été considérées telles que des variétés rouges et blanches; de plus, d’autres maladies que ‘Flavescence dorée’ (FD) telles que Esca et ‘Bois noir’ (BN) ont également été testées dans des conditions de production réelles. Le travail de doctorat a été essentiellement réalisé au niveau feuille et a impliqué une étape d’acquisition suivie d’une étape d’analyse des données.La plupart des techniques d'imagerie, même multispectrales, utilisées pour détecter les maladies dans les grandes cultures ou les vignobles, opèrent dans le domaine du visible. Dans DAMAV, il est conseillé que la maladie soit détectée le plus tôt possible. Des informations spectrales sont nécessaires, notamment dans l’infrarouge. Les réflectances des feuilles des plantes peuvent être obtenues sur les longueurs d'onde les plus courtes aux plus longues. Ces réflectances sont intimement liées aux composants internes des feuilles. Cela signifie que la présence d'une maladie peut modifier la structure interne des feuilles et donc altérer sa signature.Un spectromètre a été utilisé sur le terrain pour caractériser les signatures spectrales des feuilles à différents stades de croissance. Afin de déterminer les réflectances optimales pour la détection des maladies (FD, Esca, BN), une nouvelle méthodologie de conception d'indices de maladies basée sur deux techniques de réduction de dimensions, associées à un classifieur, a été mise en place. La première technique de sélection de variables utilise les Algorithmes Génétiques (GA) et la seconde s'appuie sur l'Algorithme de Projections Successives (SPA). Les nouveaux indices de maladies résultants surpassent les indices de végétation traditionnels et GA était en général meilleur que SPA. Les variables finalement choisies peuvent ainsi être mises en oeuvre en tant que filtres dans le capteur MS.Les informations de réflectance étaient satisfaisantes pour la recherche d’infections (plus que 90% de précision pour la meilleure méthode) mais n’étaient pas suffisantes. Ainsi, les images acquises par l’appareil MS peuvent être ensuite traitées par des techniques bas-niveau basées sur le calcul de paramètres de texture puis injectés dans un classifieur. Plusieurs techniques de traitement de texture ont été testées mais uniquement sur des images couleur. Une nouvelle méthode combinant plusieurs paramètres texturaux a été élaborée pour en choisir les meilleurs. Nous avons constaté que les informations texturales pouvaient constituer un moyen complémentaire non seulement pour différencier les feuilles de vigne saines des feuilles infectées (plus que 85% de précision), mais également pour classer le degré d’infestation des maladies (plus que 74% de précision) et pour distinguer entre les maladies (plus que 75% de précision). Ceci conforte l’hypothèse qu’une caméra multispectrale permet la détection et l’identification de maladies de la vigne en plein champ.


  • Résumé

    ‘Flavescence dorée’ is a contagious and incurable disease present on the vine leaves. The DAMAV project (Automatic detection of Vine Diseases) aims to develop a solution for automated detection of vine diseases using a micro-drone. The goal is to offer a turnkey solution for wine growers. This tool will allow the search for potential foci, and then more generally any type of detectable vine disease on the foliage. To enable this diagnosis, the foliage is proposed to be studied using a dedicated high-resolution multispectral camera.The objective of this PhD-thesis in the context of DAMAV is to participate in the design and implementation of a Multi-Spectral (MS) image acquisition system and to develop the image pre-processing algorithms, based on the most relevant spectral and textural characteristics related to ‘Flavescence dorée’.Several grapevine varieties were considered such as red-berried and white-berried ones; furthermore, other diseases than ‘Flavescence dorée’ (FD) such as Esca and ‘Bois noir’ (BN) were also tested under real production conditions. The PhD work was basically performed at a leaf-level scale and involved an acquisition step followed by a data analysis step.Most imaging techniques, even MS, used to detect diseases in field crops or vineyards, operate in the visible electromagnetic radiation range. In DAMAV, it is advised to detect the disease as early as possible. It is therefore necessary to investigate broader information in particular in the infra-red. Reflectance responses of plants leaves can be obtained from short to long wavelengths. These reflectance signatures describe the internal constituents of leaves. This means that the presence of a disease can modify the internal structure of the leaves and hence cause an alteration of its reflectance signature.A spectrometer is used in our study to characterize reflectance responses of leaves in the field. Several samples at different growth stages were used for the tests. To define optimal reflectance features for grapevine disease detection (FD, Esca, BN), a new methodology that designs spectral disease indices based on two dimension reduction techniques, coupled with a classifier, has been developed. The first feature selection technique uses the Genetic Algorithms (GA) and the second one relies on the Successive Projection Algorithm (SPA). The new resulting spectral disease indices outperformed traditional vegetation indices and GA performed in general better than SPA. The features finally chosen can thus be implemented as filters in the MS sensor.In general, the reflectance information was satisfying for finding infections (higher than 90% of accuracy for the best method) but wasn’t enough. Thus, the images acquired with the developed MS device can further be pre-processed by low level techniques based on the calculation of texture parameters injected into a classifier. Several texture processing techniques have been tested but only on colored images. A method that combines many texture features is elaborated, allowing to choose the best ones. We found that the combination of optimal textural information could provide a complementary mean for not only differentiating healthy from infected grapevine leaves (higher than 85% of accuracy), but also for grading the disease severity stages (higher than 73% of accuracy) and for discriminating among diseases (higher than 72% of accuracy). This is in accordance with the hypothesis that a multispectral camera can enable detection and identification of diseases in grapevine fields.


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