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基于高光譜圖像的生菜葉部病害檢測方法研究

訪問量：1498 發(fā)布時(shí)間：2024-05-24

病原體對(duì)植物的侵入是一個(gè)長期的過程，在此過程中葉片的表皮油脂、細(xì)胞壁以及纖維素等會(huì)發(fā)生改變，植物的先天免疫系統(tǒng)也會(huì)促使葉片內(nèi)部產(chǎn)生抗病性相關(guān)的酶、蛋白質(zhì)、植保素等分子有機(jī)質(zhì)的變化。目前，高光譜技術(shù)的靈敏度已經(jīng)達(dá)到了單分子層級(jí),因此這些微觀層面的變化均能夠?qū)Ω吖庾V的光譜特征產(chǎn)生影響。同時(shí)病害侵染具有較強(qiáng)的階段性，在侵入期以及病原體成為宿主的共生期植物病害特征具有顯著的變化,因此分析這些病害特征對(duì)光譜特性產(chǎn)生的影響，尋找兩者之間的相關(guān)性，有利于建立光譜和病害之間的表征關(guān)系，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)各類病害及病期的準(zhǔn)確檢測。

一、實(shí)驗(yàn)材料

生菜俗稱葉用萵苣，是菊科萵苣屬植物，最早由歐洲的地中海地區(qū)傳入中國。因其既具有藥用價(jià)值又具有食用價(jià)值，在國內(nèi)迅速得到廣泛種植。春季和秋季是生菜受病害感染的高發(fā)季節(jié)，病原體潛伏越冬后通過土壤以及施肥等途徑進(jìn)入葉片受損的薄弱部位，在建立寄生關(guān)系后，逐步破壞葉片內(nèi)部的健康組織。

本實(shí)驗(yàn)所用病害生菜樣本采摘自某果蔬種植基地。選擇大小8cm×12cm左右的葉片進(jìn)行采摘，對(duì)采摘的病變?nèi)~片按病害類別和病害周期進(jìn)行分類。下圖為采集到的部分生菜實(shí)驗(yàn)樣本。

二、實(shí)驗(yàn)設(shè)備

光譜儀是一種以透射光柵為分光元件的成像光譜儀，通過將這種成像光譜儀附加到CMOS相機(jī)前，可通過空間掃描獲得目標(biāo)物的影像和連續(xù)的光譜信息。彩譜FigSpec?系列成像高光譜相機(jī)采用高衍射效率的透射式光柵分光模組與高靈敏度面陣列相機(jī)、結(jié)合內(nèi)置掃描成像及輔助攝像頭技術(shù)，解決了傳統(tǒng)高光譜相機(jī)需外接推掃成像機(jī)構(gòu)及調(diào)焦復(fù)雜等難以操作的問題。可與標(biāo)準(zhǔn)C接口的成像鏡頭或顯微鏡直接集成，實(shí)現(xiàn)光譜影像的快速采集。

三、病害脅迫下生菜微觀結(jié)構(gòu)

生菜葉片的表皮組織主要有氣孔和表皮細(xì)胞。侵染病毒的孢子主要通過氣孔進(jìn)入到葉片的內(nèi)部細(xì)胞組織中，隨著侵害程度的演化，植物體的抗病性導(dǎo)致細(xì)胞壁發(fā)生相應(yīng)的變化，(木質(zhì)素等沉淀加厚細(xì)胞壁，抵御病毒侵入)因此葉片表面氣孔的破壞程度以及細(xì)胞壁的變化情況與病害發(fā)展的關(guān)聯(lián)性較強(qiáng)。實(shí)驗(yàn)中主要針對(duì)氣孔和細(xì)胞壁這2個(gè)特征指標(biāo)進(jìn)行研究，下圖分別為健康、炭疽初期和炭疽中期生菜葉片的表皮細(xì)胞和氣泡的微結(jié)構(gòu)圖。

四、生菜葉片病害檢測機(jī)理分析

當(dāng)生菜葉片受到外部光源照射時(shí)，其內(nèi)部的基團(tuán)和大分子吸收某些頻率的射線，并由振動(dòng)運(yùn)動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)引起偶極矩的凈變化，分子由于振動(dòng)能量的驅(qū)使從基態(tài)躍遷到激發(fā)態(tài)，然而激發(fā)態(tài)是一種不穩(wěn)定的狀態(tài)，最終分子將回歸基態(tài)，回歸過程中會(huì)釋放掉吸收的能量。綠葉類植物的能量部分通過熱能、光的方式釋放，部分通過其他的能量形式散逸掉，因此反射光的能量比激發(fā)光的能量弱，波長比激發(fā)光的波長要長。葉片內(nèi)部組織微結(jié)構(gòu)的變化直接導(dǎo)致分子能量鍵結(jié)構(gòu)發(fā)生改變從而對(duì)照射光的吸收特性產(chǎn)生影響，對(duì)光譜特征的影響可以通過光譜曲線進(jìn)行描述。下圖是利用高光譜圖像技術(shù)對(duì)健康葉片、炭疽病初期及中期葉片進(jìn)行高光譜圖像采集實(shí)驗(yàn)后得到的葉片反射光譜強(qiáng)度曲線圖。