CN101074925A - 可见和近红外光谱特征波段的植物叶片灰霉病害诊断方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可见和近红外光谱特征波段的植物叶片灰霉病害诊断方法。光线照到叶片上，被数个光敏传感器接收，每个光敏传感器采集一个特征波段上的植物的叶片光谱透射率信息，通过数据线经过信号调理电路去除噪音，A/D转换器输入单片机；病害光谱分析程序将得到的光谱透射率信息作为输入部分，输入病害光谱模型，通过模型的计算，输出病害感染程度；LCD显示器输出显示仪器对病害程度结果。本发明可以应用于植物多种病害的诊断，检测无须使用化学试剂，成本低，分析速度快，检测无损，不破坏植物；本发明基于特征波段进行检测，易于携带，程序简单，可以减少药物用量，降低生产成本并减少污染。

Description

可见和近红外光谱特征波段的植物叶片灰霉病害诊断方法

技术领域

本发明涉及一种植物叶片灰霉病害诊断系统，尤其涉及一种可见和近红外光谱特征波段的植物叶片灰霉病害诊断方法。

背景技术

灰霉病是当前果蔬生产上的一种毁灭性病害，该病会危及花、果、叶等并造成烂瓜、烂果，对设施保护地的果蔬生产构成极大威胁。同时会引起农药等药物的大量投入以及防治费用的上升，从而增加了农林生产成本并会造成严重的环境污染。现有的病害检测方法在实际农林业生产中都存在取样、测定、数据分析等方面需要耗费大量的人力、物力的缺点，且实时性差，无法满足具体生产实践的需要。肉眼观测容易产生疲劳，收到情绪等主观因素的影响；生物测定技术、核酸序列分析技术、分子标记技术，PCR技术等，虽然较为准确，但不能实时操作，且需要专业人员操作，耗时，成本较高；通过以往的病害发生数据进行的统计预测在精度方面不够高，缺少实效性，并且只适用于在一个很大的地域范围内进行粗略估计，很难对小区或单株进行。

可见/近红外光谱技术是指利用可见/近红外谱区(波长约为325nm-2500nm)包含的物质信息，主要用于有机质定性和定量分析的一种分析技术。可见/近红外光谱易于获取，信息量丰富。可见光波段的光谱信息能够反映植物表面的颜色信息，而近红外光谱则反映植物内部的特征信息。植物的光谱特性是植物在生长过程中与环境因子(包括生物因子和非生物因子)相互作用的综合光谱信息。当植物遭受病虫害侵染后，其外部形态和生理效应发生变化，如卷叶、落叶、枯萎等，导致冠层形状变化；叶绿素组织遭受破坏，光合作用减弱，养分水分吸收、运输、转化等机能衰退。受害植物的光谱特性与健康植物的光谱特性相比会发生不同程度的变化。

然而可见/近红外光谱区域范围较大，虽然现在有很多用来测量整个可见/近红外光谱区域范围的光谱仪，但是这些设备都比较大，不利于便携测量。通过研究发现，存在能够反映病害程度的若干个特征波段，其光谱信息变化和病害程度密切相关，而与其他因素，如缺水、缺肥、虫害等相关较少。因此通过测量这些特征波段的光谱信息能够客观的反映病害感染程度，而不受到其他因素的影响。基于大量试验，得到在可见/近红外光谱区域里反映病害程度的若干个特征波段。从而设计出基于单片机嵌入式系统的便携式设备，然后通过能够检测这些特征波段光敏传感器获取特征波段的透射率信息，采用简单的回归方法代替在光谱分析中常用的需要大量计算的化学计量学方法来进行建模。实现模型算法在单片机中的嵌入，制成便携式的病害程度检测仪。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于可见/近红外光谱特征波段的植物叶片灰霉病害诊断方法，可快速、准确地采集被测植物叶片可见/近红外光谱特征波段透射率信息，分析得到被测植物灰霉病害的感染程度，从而实现实时无损的植物灰霉病害检测的诊断系统。

本发明解决其技术问题采用的技术方案是，该方法的步骤如下：

1)先用仪器的探头夹住植物叶片，通过探头上的光源照射叶片表面，光线被在叶片另一侧探头上的数个光敏传感器接收，每个光敏传感器采集一个特征波段上的植物的叶片光谱透射率信息；

2)采集到的叶片光谱透射率信息通过数据线经过信号调理电路去除噪音，A/D转换器输入单片机；

3)病害光谱分析程序将得到的光谱透射率信息作为输入部分，输入病害光谱模型，通过模型的计算，输出病害感染程度；

4)LCD显示器输出显示仪器对病害程度结果。

所述的病害光谱模型的建立包括以下步骤：

1)通过试验得到能够反映病害感染程度的若干个特征波段。

2)建立这些特征波段光谱透射率信息和病害感染程度之间的病害光谱模型。

与背景技术相比，本发明具有的有益效果是：

(1)利用光谱技术进行病害识别，只要能够找到可以反映病害程度的若干个光谱特征波段，本发明的思路可以应用于植物多种病害的快速、准确、稳定、实时、非破坏性的诊断。其他植物病害的特征是病害发病区域以叶片为主；

(2)不使用化学试剂，降低了检测成本，加快了分析速度，减轻劳动强度，能够很好的应用于环境监测。能够对分析样本进行无损鉴别，不用破坏植物叶片；

(3)由于系统的病害检测是基于若干个特征波段而不是整个可见/近红外光谱的全部光谱信息。因此无需基于计算量大的化学计量学方法，程序简单，可编写嵌入进单片机中。

(4)整个检测系统只是一个带有若干个光敏传感器和LED灯的嵌入式单片机的便携式系统，易于携带；

(5)光谱分析工作通过光谱分析处理软件完成，使用方便，具有一定的社会效益和经济效益；

(6)通过对检测出染病的植物进行药物处理，可以减少由于全面喷洒而造成的药物用量，降低生产成本并减少污染。

附图说明

图1为本发明系统的结构原理框图；

图2为本发明系统的软件流程图。

具体实施方式

如图1所示，一种基于可见和近红外光谱特征波段的植物叶片灰霉病害诊断系统，是一个带有若干个光敏传感器和光源的嵌入式单片机的便携式系统。

用仪器的探头夹住叶片，通过探头上的光源照射叶片表面，光线被在叶片另一侧探头上的数个光敏传感器接受，每个光敏传感器采集一个特征波段上的植物的叶片光谱透射率信息。通过数据线经过信号调理电路去除噪音，A/D转换器输入单片机，光谱分析处理软件分析植物叶片的光谱信息。通过单片机里嵌入的病害光谱分析程序得到叶片感染灰霉病害的程度，并将病害程度显示在LCD显示器上。

本发明系统的光谱测量简单，只需将系统探头夹住叶片，即可进行病害程度检测。

如图2所示，病害光谱分析处理软件中的病害光谱模型建立包括以下步骤：

1)采集校正样本集光谱信息。光谱测量之前先用反射率为100％的标定白板对可见和近红外光谱仪进行标定。然后采集不同生长阶段，不同灰霉病害感染程度的大量植物叶片进行校正集样本的建立。然后通过可见和近红外光谱仪采集校正集中植物叶片的全波段(325-2500nm)的光谱透射率信息。

2)反映病害感染程度的光谱预处理。由于采集到的原始光谱信号存在外界和可见和近红外光谱仪本身精度的干扰，因此将会影响特征波段的选择。采用卷积平滑、标准化、归一化、中心化、多元散射校正、一阶求导、二阶求导、小波处理等方法进行光谱预处理。预处理后的光谱信息性噪比提高，反映病害感染程度的信息更加明显。光谱的预处理可以为单一方法，也可以是多种方法的结合。

3)建立病害感染程度的光谱校正模型。校正样本集中的叶片经过可见和近红外光谱仪采集透射率信息以后，经灰霉病害专家进行每片叶片的病害感染程度的评估。通过化学计量学方法建立预处理后的光谱叶片透射率信息和病害感染程度的化学计量学模型。线性的化学计量学方法包括：主成分回归、多元线形回归、逐步回归、偏最小二乘回归、线形支持向量机等；非线形的化学计量学方法包括：人工神经网络、非线形支持向量机、遗传算法、模糊算法等。

4)选取反映病害感染程度的若干个特征波段。由于全波段的可见近红外光谱范围从约325nm到约2500nm，根据采样间隔的不同，采集到的光谱数据一般都有数百到数千个。所有数据点都用做模型的建立，在单片机中的实现会导致模型建立时间过长，模型精度下降等。所以对于基于单片机的模型建立需要选择能够反映叶片病害感染程度的若干个最优的特征波段。特征波段的选择是在建立好的化学计量学模型的基础上，通过分析每个波段在最终反映病害感染程度的贡献程度，选择贡献程度大的少数几个波段。从而得到能够反映病害感染程度的若干个特征波段。

5)通过化学计量学方法，建立这些特征波段光谱透射率信息和病害感染程度之间的病害光谱模型。该数据库模型具有很好的鲁棒性和适应性，模型简单实用，能够写入单片机，进行实际应用。

如图2所示，病害光谱分析处理软件在实际应用中包括以下步骤：

1)通过仪器的光敏传感器采集特征波段上的植物的叶片光谱透射率信息。由于先前化学计量学模型建立时，进行光谱预处理是为了能更好地得到最优的特征波段，而在实际应用过程中不用进行光谱预处理。

2)病害光谱分析程序将得到的光谱透射率信息作为输入部分，输入病害光谱模型。只要实际应用中的植物在建立好的病害光谱模型包含的植物类型中，通过模型的计算，输出病害感染程度。

3)LCD显示器输出显示仪器对病害程度结果。用户根据病害感染程度分析决策是否对拍摄植物喷药，并确定剂量、喷头形状及喷药种类。

对于容易感染灰霉病的植物的不同，所得到的特征波段和建立的病害光谱模型是不同的。因此特征波段的选择和病害光谱模型的建立要按照不同植物分别进行。

上述具体实施方式用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。

Claims (2)

1、一种可见和近红外光谱特征波段的植物叶片灰霉病害诊断方法，其特征在于该方法的步骤如下：

1)先用仪器的探头夹住植物叶片，通过探头上的光源照射叶片表面，光线被在叶片另一侧探头上的数个光敏传感器接收，每个光敏传感器采集一个特征波段上的植物的叶片光谱透射率信息；

2)采集到的叶片光谱透射率信息通过数据线经过信号调理电路去除噪音，A/D转换器输入单片机；

3)病害光谱分析程序将得到的光谱透射率信息作为输入部分，输入病害光谱模型，通过模型的计算，输出病害感染程度；

4)LCD显示器输出显示仪器对病害程度结果。

2、权利要求1所述的基于可见和近红外光谱特征波段的植物叶片灰霉病害诊断方法，其特征在于：病害光谱模型的建立包括以下步骤：

1)通过试验得到能够反映病害感染程度的若干个特征波段；

2)建立这些特征波段光谱透射率信息和病害感染程度之间的病害光谱模型。

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