CN106404680A - 用于柑橘黄龙病田间快速现场检测的装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了用于柑橘黄龙病田间快速现场检测的装置，其特征在于，包括：GPS模块、探测器阵列、控制电路模块、USB2.0接口模块、分光系统、电池模块、光学聚焦透镜模块、光源模块、样品采集窗口、触摸屏、环形垫圈和反射盖；本发明实现了柑橘健康叶片、感染黄龙病的叶片、缺氮的叶片、缺镁的叶片和缺锌的叶片的检测识别，检测快速、实时、无损、准确且活体检测，检测成本低，无环境污染。

Description

用于柑橘黄龙病田间快速现场检测的装置和方法

技术领域

本发明涉及柑橘种植领域，特别涉及一种基于光谱技术的柑橘黄龙病田间快速现场检测的装置及方法。

背景技术

目前国内外用于柑橘黄龙病诊断的技术主要包括：田间症状鉴定、指示植物鉴定、电镜观察、血清学检测、分子生物学检测和光谱检测等。应用最普遍的也主要是以田间症状鉴定为主，黄龙病最典型的症状是叶片斑驳黄化和“红鼻果”，可以作为该病田间形态学鉴定的主要依据。但该病的症状受环境影响较大，在不同国家和地区，病害不同的侵染阶段，植株所显示的症状具有差异。且特异性不强，易与缺素、天牛等其他原因引起的相似症状混淆。因此需要结合其他鉴定手段进一步确诊。

指示植物鉴定在南非一般采用伏令夏橙或奥兰多桔柚，而我国主要采用椪柑作为指示植物进行病害的鉴定。以指示植物在病原物侵染后，能表现出具有特征性症状进行鉴别。该方法较田间诊断可靠，但鉴定周期较长，不利于快速检测。而电镜观察由于需要相当昂贵的设备且不具备特异性很少用来进行黄龙病检测，而血清学检测由于目前尚未筛选获得特异性较好的血清导致相关产品的开发进展缓慢。

目前应用最多的还是局限于基于PCR技术的各种分子生物学检测手段，如巢式(半巢式)PCR、免疫捕获PCR、竞争性定量PCR、实时荧光定量PCR、多重PCR和环介导的恒温扩增技术(LAMP)等检测方法。其中以常规PCR、定量PCR和巢式PCR在黄龙病检测中最为常用，通过检测韧皮部杆菌中特有的DNA片段来进行鉴定，目前该类方法包含了柑橘黄龙病检测中最灵敏最可靠的方法。但这些技术大都需要一套特定的昂贵设备，且操作需要一定的基础和熟练度，很难进行田间检测的推广，一般仅限用于实验室检测。

发明内容

本发明提供了用于柑橘黄龙病田间快速现场检测的装置和方法，在保证叶片完整的同时，可以通过采集叶片光谱，实现柑橘苗木健康、早期感染黄龙病、缺氮营养、缺锌营养和缺镁营养的有效识别，投票模型的应用保证苗木健康状态和营养状况的100％识别，操作简单，科学指导柑橘种植，降低风险。

本发明通过以下技术方案来实现上述目的：一种用于柑橘黄龙病田间快速现场检测的装置，包括：

GPS模块、探测器阵列、控制电路模块、USB2.0接口模块、分光系统、电池模块、光学聚焦透镜模块、光源模块、样品采集窗口、触摸屏、环形垫圈和反射盖；

其中，所述GPS模块将感染黄龙病的柑橘苗木信息和GPS坐标同时发送到中心端；所述探测器阵列用于接受从光照模块发射出的光经反射盖反射回来的反射信息；所述控制电路模块用于对电路进行调控和温度补偿；所述USB2.0接口模块用于数据传输和设备充电；所述分光系统用于将光源发出的光按照不同的波长进行分散；所述电池模块为该装置提供电源；所述光学聚焦透镜模块用于将反射光变成平行光；所述样品采集窗口用于放置样品进行光谱采集；所述触摸屏用于测量结果及定位信息的显示和保存；所述环形垫圈用于抑制杂散光进入检测装置；所述反射盖用于将携带样品信息的光反射回检测器；

所述光源模块包括在光路上按照特定的角度布置低功率真空卤素灯，覆盖波长范围为：950–1650nm，两盏灯对称布置在检测器两侧。

优选的，每盏卤素灯光源的光轴沿光路方向与所述圆环形的轴线成45°夹角。

优选的，所述光谱采集模块包括接收样品反射光的光学变换模块以及接收该变换模块所传送光子的探测器阵列。

优选的，所述输出光学变换模块，实现光子的聚焦和平行发射，将光子信息传送到光敏传感器，模块均位于检测装置内部。

一种利用柑橘黄龙病田间快速现场检测的装置测定柑橘黄龙病的方法，包括以下步骤：

(1)利用所述装置测定叶片光谱，测量时将装置带到野外，直接将装置对着柑橘苗木上的叶片进行采集，叶片位于环形垫圈和聚四氟乙烯反射盖中间；

(2)在同一叶片上至少选择5个检测点，所述光照模块向这些检测点发送检测光，利用光谱采集模块采集每个检测点处在波长为950–1650nm范围内所对应的叶片的反射率；

(3)将上述检测点采集的光谱信息输入控制单元，控制单元对几个检测点光谱求平均，平均光谱作为最终的分析光谱X；

(4)将所得平均光谱X输入控制单元，控制单元分别将X带入黄龙病/正常叶片识别模型、黄龙病/缺氮叶片识别模型、黄龙病/缺锌叶片识别模型、黄龙病/缺镁叶片识别模型4个定性判别模型中，最后依据每个模型对光谱X的判别结果带入投票模型，最终计算得到叶片的健康状态和营养状况。

本发明实现了柑橘苗木正常、早期感染黄龙病、缺氮营养、缺锌营养和缺镁营养等健康状态和多项营养状况的有效识别，检测快速准确，检测成本低，无环境污染。

附图说明

图1为本发明用于柑橘黄龙病田间快速现场检测的装置示意图；

图2为本发明用于柑橘黄龙病田间快速现场检测的装置光照模块示意图；

图3为采用本发明装置光谱采集环形软性遮光圈和聚四氟乙烯反射盖示意图；

图4为采用本发明装置采集的正常、感染黄龙病、缺氮、缺镁、缺锌柑橘叶片反射率光谱示意图；

图5为本发明方法投票模型构建原理图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明用于柑橘黄龙病田间快速现场检测的装置做详细描述。

如图1所示：用于测定柑橘黄龙病田间快速现场检测的装置，包括：

GPS模块1：用于对感染黄龙病的柑橘苗木信息和GPS坐标同时发送到中心端；

探测器阵列2用于接受从光照模块8发射出的光经反射盖12反射回来的反射信息；控制电路模块3用于对电路进行调控和温度补偿；

USB2.0接口模块4用于数据传输和设备充电，最高速度(480Mb/s)；分光系统5用于将光源发出的光按照不同的波长进行分散。电池模块6为设备提供电源，续航能力大于6小时；光学聚焦透镜模块7，用于将反射光变成平行光；

如图2所示：光源模块8用于发射近红外波段范围的光，采用双集成真空钨灯，两盏灯对称分布在装置顶端呈45°；

样品采集窗口9用于放置样品进行光谱采集，起到保护光源和固定光程的作用；

如图3所示：触摸屏10用于测量结果及定位信息的显示和保存；环形垫圈11用于抑制杂散光进入检测装置；聚四氟乙烯反射盖12用于将携带样品信息的光反射回检测器。

本发明所述的光照模块8、光谱采集模块以及控制单元3均为用电部件，为了保证光照模块8、光谱采集模块以及控制单元3的正常工作，在没有特殊说明的前提下应当理解为光照模块8、光谱采集模块以及控制单元3均连接有相匹配的电源，光照模块8、光谱采集模块以及控制单元3可以采用同一便携式电源模块6，也可以根据实际需要单独设置电源，或者是通过光照模块8、光谱采集模块以及控制单元3之间的电路实现电源信号的传递。各用电部件之间的空间位置关系没有严格限制，但为了便于加工和安装尽可能的采用集成度较高的电路布置。

利用上述的测定柑橘黄龙病田间快速现场检测的装置测定柑橘叶片生长多性状指标参数的方法，包括以下步骤：

(1)利用所述装置测定叶片光谱，测量时将装置带到野外，直接将装置对着柑橘苗木上的叶片进行采集，叶片位于环形软性材料和反射材料中间；

(2)在同一叶片上至少选择5个检测点，所述光照模块向这些检测点发送检测光，利用光谱采集模块采集每个检测点处在波长为950–1650nm范围内所对应的叶片的反射率；

(3)如图4所示：将上述检测点采集的光谱信息输入控制单元，控制单元对几个检测点光谱求平均，平均光谱作为最终的分析光谱X；

(4)如图5所示：将所得平均光谱X输入控制单元，控制单元分别将X带入黄龙病/正常叶片识别模型、黄龙病/缺氮叶片识别模型、黄龙病/缺锌叶片识别模型、黄龙病/缺镁叶片识别模型4个定性判别模型中，最后依据每个模型对光谱X的判别结果带入投票模型，最终计算得到叶片X的性状特征。

本发明实现了橘苗木正常、早期感染黄龙病、缺氮营养、缺锌营养和缺镁营养等多项生长状态的有效识别，检测快速准确，检测成本低，无环境污染。

利用本发明提供的方法建立模型的相关指标见表1，其中，模型1-4分别为黄龙病/正常叶片识别模型、黄龙病/缺氮叶片识别模型、黄龙病/缺锌叶片识别模型、黄龙病/缺镁叶片识别模型；整体模型为正常叶片、黄龙病叶片、缺氮、缺镁和缺锌叶片一起建立的识别模型，投票模型为本发明中提高的方法。结合不同的预处理方法，本发明提出的投票模型方法可以实现柑橘苗木是否感染黄龙病100％早期活体识别，同时可以实现苗木健康状态和营养状况的100％识别。

表1利用本发明方法对黄龙病识别比较结果

Claims (5)

1.用于柑橘黄龙病田间快速现场检测的装置，其特征在于，包括：GPS模块、探测器阵列、控制电路模块、USB2.0接口模块、分光系统、电池模块、光学聚焦透镜模块、光源模块、样品采集窗口、触摸屏、环形垫圈和反射盖；

其中，所述GPS模块将感染黄龙病的柑橘苗木信息和GPS坐标同时发送到中心端；所述探测器阵列用于接受从光照模块发射出的光经反射盖反射回来的反射信息；所述控制电路模块用于对电路进行调控和温度补偿；所述USB2.0接口模块用于数据传输和设备充电；所述分光系统用于将光源发出的光按照不同的波长进行分散；所述电池模块为该装置提供电源；所述光学聚焦透镜模块用于将反射光变成平行光；所述样品采集窗口用于放置样品进行光谱采集；所述触摸屏用于测量结果及定位信息的显示和保存；所述环形垫圈用于抑制杂散光进入检测装置；所述反射盖用于将携带样品信息的光反射回检测器；

所述光源模块包括在光路上按照特定的角度布置低功率真空卤素灯，覆盖波长范围为：950–1650nm，两盏灯对称布置在检测器两侧。

2.如权利要求1所述的柑橘黄龙病田间快速现场检测的装置，其特征在于，每盏卤素灯光源的光轴沿光路方向与所述圆环形的轴线成45°夹角。

3.如权利要求1所述的柑橘黄龙病田间快速现场检测的装置，其特征在于，所述光谱采集模块包括接收样品反射光的光学变换模块以及接收该变换模块所传送光子的探测器阵列。

4.如权利要求3所述的柑橘黄龙病田间快速现场检测的装置，其特征在于，所述输出光学变换模块，实现光子的聚焦和平行发射，将光子信息传送到光敏传感器，模块均位于检测装置内部。

5.一种利用如权利要求1～4任一所述的柑橘黄龙病田间快速现场检测的装置测定柑橘黄龙病的方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)利用所述装置测定叶片光谱，测量时将装置带到野外，直接将装置对着柑橘苗木上的叶片进行采集，叶片位于环形垫圈和聚四氟乙烯反射盖中间；

(2)在同一叶片上至少选择5个检测点，所述光照模块向这些检测点发送检测光，利用光谱采集模块采集每个检测点处在波长为950–1650nm范围内所对应的叶片的反射率；

(3)将上述检测点采集的光谱信息输入控制单元，控制单元对几个检测点光谱求平均，平均光谱作为最终的分析光谱X；

(4)将所得平均光谱X输入控制单元，控制单元分别将X带入黄龙病/正常叶片识别模型、黄龙病/缺氮叶片识别模型、黄龙病/缺锌叶片识别模型、黄龙病/缺镁叶片识别模型4个定性判别模型中，最后依据每个模型对光谱X的判别结果带入投票模型，最终计算得到叶片的健康状态和营养状况。