可見和近紅外光譜特徵波段的植物葉片灰黴病害診斷方法
2023-05-07 20:22:16 1
專利名稱：可見和近紅外光譜特徵波段的植物葉片灰黴病害診斷方法
技術領域：
本發明涉及一種植物葉片灰黴病害診斷系統，尤其涉及一種可見和近紅外光譜特徵波段的植物葉片灰黴病害診斷方法。
背景技術：
灰黴病是當前果蔬生產上的一種毀滅性病害，該病會危及花、果、葉等並造成爛瓜、爛果，對設施保護地的果蔬生產構成極大威脅。同時會引起農藥等藥物的大量投入以及防治費用的上升，從而增加了農林生產成本並會造成嚴重的環境汙染。現有的病害檢測方法在實際農林業生產中都存在取樣、測定、數據分析等方面需要耗費大量的人力、物力的缺點，且實時性差，無法滿足具體生產實踐的需要。肉眼觀測容易產生疲勞，收到情緒等主觀因素的影響；生物測定技術、核酸序列分析技術、分子標記技術，PCR技術等，雖然較為準確，但不能實時操作，且需要專業人員操作，耗時，成本較高；通過以往的病害發生數據進行的統計預測在精度方面不夠高，缺少實效性，並且只適用於在一個很大的地域範圍內進行粗略估計，很難對小區或單株進行。
可見/近紅外光譜技術是指利用可見/近紅外譜區(波長約為325nm-2500nm)包含的物質信息，主要用於有機質定性和定量分析的一種分析技術。可見/近紅外光譜易於獲取，信息量豐富。可見光波段的光譜信息能夠反映植物表面的顏色信息，而近紅外光譜則反映植物內部的特徵信息。植物的光譜特性是植物在生長過程中與環境因子(包括生物因子和非生物因子)相互作用的綜合光譜信息。當植物遭受病蟲害侵染後，其外部形態和生理效應發生變化，如卷葉、落葉、枯萎等，導致冠層形狀變化；葉綠素組織遭受破壞，光合作用減弱，養分水分吸收、運輸、轉化等機能衰退。受害植物的光譜特性與健康植物的光譜特性相比會發生不同程度的變化。
然而可見/近紅外光譜區域範圍較大，雖然現在有很多用來測量整個可見/近紅外光譜區域範圍的光譜儀，但是這些設備都比較大，不利於便攜測量。通過研究發現，存在能夠反映病害程度的若干個特徵波段，其光譜信息變化和病害程度密切相關，而與其他因素，如缺水、缺肥、蟲害等相關較少。因此通過測量這些特徵波段的光譜信息能夠客觀的反映病害感染程度，而不受到其他因素的影響。基於大量試驗，得到在可見/近紅外光譜區域裡反映病害程度的若干個特徵波段。從而設計出基於單片機嵌入式系統的可攜式設備，然後通過能夠檢測這些特徵波段光敏傳感器獲取特徵波段的透射率信息，採用簡單的回歸方法代替在光譜分析中常用的需要大量計算的化學計量學方法來進行建模。實現模型算法在單片機中的嵌入，製成可攜式的病害程度檢測儀。
發明內容
本發明的目的在於提供一種基於可見/近紅外光譜特徵波段的植物葉片灰黴病害診斷方法，可快速、準確地採集被測植物葉片可見/近紅外光譜特徵波段透射率信息，分析得到被測植物灰黴病害的感染程度，從而實現實時無損的植物灰黴病害檢測的診斷系統。
本發明解決其技術問題採用的技術方案是，該方法的步驟如下1)先用儀器的探頭夾住植物葉片，通過探頭上的光源照射葉片表面，光線被在葉片另一側探頭上的數個光敏傳感器接收，每個光敏傳感器採集一個特徵波段上的植物的葉片光譜透射率信息；2)採集到的葉片光譜透射率信息通過數據線經過信號調理電路去除噪音，A/D轉換器輸入單片機；3)病害光譜分析程序將得到的光譜透射率信息作為輸入部分，輸入病害光譜模型，通過模型的計算，輸出病害感染程度；4)LCD顯示器輸出顯示儀器對病害程度結果。
所述的病害光譜模型的建立包括以下步驟1)通過試驗得到能夠反映病害感染程度的若干個特徵波段。
2)建立這些特徵波段光譜透射率信息和病害感染程度之間的病害光譜模型。
與背景技術相比，本發明具有的有益效果是(1)利用光譜技術進行病害識別，只要能夠找到可以反映病害程度的若干個光譜特徵波段，本發明的思路可以應用於植物多種病害的快速、準確、穩定、實時、非破壞性的診斷。其他植物病害的特徵是病害發病區域以葉片為主；(2)不使用化學試劑，降低了檢測成本，加快了分析速度，減輕勞動強度，能夠很好的應用於環境監測。能夠對分析樣本進行無損鑑別，不用破壞植物葉片；(3)由於系統的病害檢測是基於若干個特徵波段而不是整個可見/近紅外光譜的全部光譜信息。因此無需基於計算量大的化學計量學方法，程序簡單，可編寫嵌入進單片機中。
(4)整個檢測系統只是一個帶有若干個光敏傳感器和LED燈的嵌入式單片機的可攜式系統，易於攜帶；(5)光譜分析工作通過光譜分析處理軟體完成，使用方便，具有一定的社會效益和經濟效益；(6)通過對檢測出染病的植物進行藥物處理，可以減少由於全面噴灑而造成的藥物用量，降低生產成本並減少汙染。
圖1為本發明系統的結構原理框圖；圖2為本發明系統的軟體流程圖。
具體實施例方式
如圖1所示，一種基於可見和近紅外光譜特徵波段的植物葉片灰黴病害診斷系統，是一個帶有若干個光敏傳感器和光源的嵌入式單片機的可攜式系統。
用儀器的探頭夾住葉片，通過探頭上的光源照射葉片表面，光線被在葉片另一側探頭上的數個光敏傳感器接受，每個光敏傳感器採集一個特徵波段上的植物的葉片光譜透射率信息。通過數據線經過信號調理電路去除噪音，A/D轉換器輸入單片機，光譜分析處理軟體分析植物葉片的光譜信息。通過單片機裡嵌入的病害光譜分析程序得到葉片感染灰黴病害的程度，並將病害程度顯示在LCD顯示器上。
本發明系統的光譜測量簡單，只需將系統探頭夾住葉片，即可進行病害程度檢測。
如圖2所示，病害光譜分析處理軟體中的病害光譜模型建立包括以下步驟1)採集校正樣本集光譜信息。光譜測量之前先用反射率為100％的標定白板對可見和近紅外光譜儀進行標定。然後採集不同生長階段，不同灰黴病害感染程度的大量植物葉片進行校正集樣本的建立。然後通過可見和近紅外光譜儀採集校正集中植物葉片的全波段(325-2500nm)的光譜透射率信息。
2)反映病害感染程度的光譜預處理。由於採集到的原始光譜信號存在外界和可見和近紅外光譜儀本身精度的幹擾，因此將會影響特徵波段的選擇。採用卷積平滑、標準化、歸一化、中心化、多元散射校正、一階求導、二階求導、小波處理等方法進行光譜預處理。預處理後的光譜信息性噪比提高，反映病害感染程度的信息更加明顯。光譜的預處理可以為單一方法，也可以是多種方法的結合。
3)建立病害感染程度的光譜校正模型。校正樣本集中的葉片經過可見和近紅外光譜儀採集透射率信息以後，經灰黴病害專家進行每片葉片的病害感染程度的評估。通過化學計量學方法建立預處理後的光譜葉片透射率信息和病害感染程度的化學計量學模型。線性的化學計量學方法包括主成分回歸、多元線形回歸、逐步回歸、偏最小二乘回歸、線形支持向量機等；非線形的化學計量學方法包括人工神經網絡、非線形支持向量機、遺傳算法、模糊算法等。
4)選取反映病害感染程度的若干個特徵波段。由於全波段的可見近紅外光譜範圍從約325nm到約2500nm，根據採樣間隔的不同，採集到的光譜數據一般都有數百到數千個。所有數據點都用做模型的建立，在單片機中的實現會導致模型建立時間過長，模型精度下降等。所以對於基於單片機的模型建立需要選擇能夠反映葉片病害感染程度的若干個最優的特徵波段。特徵波段的選擇是在建立好的化學計量學模型的基礎上，通過分析每個波段在最終反映病害感染程度的貢獻程度，選擇貢獻程度大的少數幾個波段。從而得到能夠反映病害感染程度的若干個特徵波段。
5)通過化學計量學方法，建立這些特徵波段光譜透射率信息和病害感染程度之間的病害光譜模型。該資料庫模型具有很好的魯棒性和適應性，模型簡單實用，能夠寫入單片機，進行實際應用。
如圖2所示，病害光譜分析處理軟體在實際應用中包括以下步驟1)通過儀器的光敏傳感器採集特徵波段上的植物的葉片光譜透射率信息。由於先前化學計量學模型建立時，進行光譜預處理是為了能更好地得到最優的特徵波段，而在實際應用過程中不用進行光譜預處理。
2)病害光譜分析程序將得到的光譜透射率信息作為輸入部分，輸入病害光譜模型。只要實際應用中的植物在建立好的病害光譜模型包含的植物類型中，通過模型的計算，輸出病害感染程度。
3)LCD顯示器輸出顯示儀器對病害程度結果。用戶根據病害感染程度分析決策是否對拍攝植物噴藥，並確定劑量、噴頭形狀及噴藥種類。
對於容易感染灰黴病的植物的不同，所得到的特徵波段和建立的病害光譜模型是不同的。因此特徵波段的選擇和病害光譜模型的建立要按照不同植物分別進行。
上述具體實施方式
用來解釋說明本發明，而不是對本發明進行限制，在本發明的精神和權利要求的保護範圍內，對本發明作出的任何修改和改變，都落入本發明的保護範圍。
權利要求
1.一種可見和近紅外光譜特徵波段的植物葉片灰黴病害診斷方法，其特徵在於該方法的步驟如下1)先用儀器的探頭夾住植物葉片，通過探頭上的光源照射葉片表面，光線被在葉片另一側探頭上的數個光敏傳感器接收，每個光敏傳感器採集一個特徵波段上的植物的葉片光譜透射率信息；2)採集到的葉片光譜透射率信息通過數據線經過信號調理電路去除噪音，A/D轉換器輸入單片機；3)病害光譜分析程序將得到的光譜透射率信息作為輸入部分，輸入病害光譜模型，通過模型的計算，輸出病害感染程度；4)LCD顯示器輸出顯示儀器對病害程度結果。
2.權利要求1所述的基於可見和近紅外光譜特徵波段的植物葉片灰黴病害診斷方法，其特徵在於病害光譜模型的建立包括以下步驟1)通過試驗得到能夠反映病害感染程度的若干個特徵波段；2)建立這些特徵波段光譜透射率信息和病害感染程度之間的病害光譜模型。
全文摘要
本發明公開了一種可見和近紅外光譜特徵波段的植物葉片灰黴病害診斷方法。光線照到葉片上，被數個光敏傳感器接收，每個光敏傳感器採集一個特徵波段上的植物的葉片光譜透射率信息，通過數據線經過信號調理電路去除噪音，A/D轉換器輸入單片機；病害光譜分析程序將得到的光譜透射率信息作為輸入部分，輸入病害光譜模型，通過模型的計算，輸出病害感染程度；LCD顯示器輸出顯示儀器對病害程度結果。本發明可以應用於植物多種病害的診斷，檢測無須使用化學試劑，成本低，分析速度快，檢測無損，不破壞植物；本發明基於特徵波段進行檢測，易於攜帶，程序簡單，可以減少藥物用量，降低生產成本並減少汙染。
文檔編號C12Q1/04GK101074925SQ20071006909
公開日2007年11月21日 申請日期2007年6月12日 優先權日2007年6月12日
發明者何勇, 吳迪, 馮雷 申請人:浙江大學