專利名稱：可見和近紅外光譜的植物葉片或冠層灰霉病診斷方法與系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及植物葉片與冠層灰霉病害診斷系統(tǒng)，尤其是涉及一種可見和近紅外光譜的植物葉片或冠層灰霉病診斷方法和系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
植物灰霉病害對(duì)于植物生長(zhǎng)的危害十分嚴(yán)重。病害不僅能夠?qū)е陆?jīng)濟(jì)植物的產(chǎn)物產(chǎn)量和質(zhì)量的下降，同時(shí)會(huì)引起農(nóng)藥等藥物的大量投入以及防治費(fèi)用的上升，從而增加了農(nóng)林生產(chǎn)成本并會(huì)造成嚴(yán)重的環(huán)境污染?，F(xiàn)有的病害檢測(cè)方法在實(shí)際農(nóng)林業(yè)生產(chǎn)中都存在取樣、測(cè)定、數(shù)據(jù)分析等方面需要耗費(fèi)大量的人力、物力的缺點(diǎn)，且實(shí)時(shí)性差，無(wú)法滿足具體生產(chǎn)實(shí)踐的需要。肉眼觀測(cè)存在著疲勞、情緒等主觀因素的干擾；基于分子水平的檢測(cè)方法，如生物測(cè)定技術(shù)、核酸序列分析技術(shù)、分子標(biāo)記技術(shù)，PCR技術(shù)等，雖然較為準(zhǔn)確，但不能實(shí)時(shí)操作，且需要專業(yè)人員操作，耗時(shí)，成本較高；通過(guò)以往的病害發(fā)生數(shù)據(jù)進(jìn)行的統(tǒng)計(jì)預(yù)測(cè)在精度方面不夠高，缺少實(shí)效性，并且只適用于在一個(gè)很大的地域范圍內(nèi)進(jìn)行粗略估計(jì)，很難對(duì)小區(qū)或單株進(jìn)行。
可見和近紅外光譜技術(shù)是指利用可見和近紅外譜區(qū)(波長(zhǎng)約為325nm-2500nm)包含的物質(zhì)信息，主要用于有機(jī)質(zhì)定性和定量分析的一種分析技術(shù)?？梢姾徒t外光譜易于獲取，信息量豐富?？梢姽獠ǘ蔚墓庾V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(nèi)部的特征信息。植物的光譜特性是植物在生長(zhǎng)過(guò)程中與環(huán)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(dāng)植物遭受病蟲害侵染后，其外部形態(tài)和生理效應(yīng)發(fā)生變化，如卷葉、落葉、枯萎等，導(dǎo)致冠層形狀變化；葉綠素組織遭受破壞，光合作用減弱，養(yǎng)分水分吸收、運(yùn)輸、轉(zhuǎn)化等機(jī)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(huì)發(fā)生不同程度的變化。同時(shí)測(cè)量植物的可見光和近紅外光譜信息可以對(duì)植物生長(zhǎng)健康狀況進(jìn)行快色、準(zhǔn)確的檢測(cè)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種基于可見和近紅外光譜的植物葉片或冠層灰霉病害診斷方法和系統(tǒng)。應(yīng)用可見和近紅外光譜技術(shù)，采集被測(cè)植物葉片或冠層的可見和近紅外光譜信息，分析得到被測(cè)植物灰霉病害的感染程度，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)無(wú)損的植物灰霉病害檢測(cè)的診斷。
本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題采用的技術(shù)方案是一、一種可見和近紅外光譜的植物葉片或冠層灰霉病診斷方法1)可見和近紅外光譜儀采集被測(cè)植物的單一葉片或冠層的光譜信息，通過(guò)數(shù)據(jù)線輸入計(jì)算機(jī)，光譜分析處理軟件分析植物的單一葉片或冠層的光譜信息；2)反射率100％的標(biāo)定白板用于光譜采集前標(biāo)定光譜儀；3)通過(guò)計(jì)算機(jī)中的光譜分析處理軟件，應(yīng)用化學(xué)計(jì)量學(xué)方法建立的病害光譜模型，實(shí)時(shí)檢測(cè)病害感染程度。
二、一種可見和近紅外光譜的植物葉片或冠層灰霉病診斷系統(tǒng)包括可見和近紅外光譜儀、標(biāo)定白板和計(jì)算機(jī)；被測(cè)物體和標(biāo)定白板的反射光進(jìn)入可見和近紅外光譜儀，可見和近紅外光譜儀有兩個(gè)接口，其中電源線接口，通過(guò)電源線和外接電源相連接，數(shù)據(jù)線接口通過(guò)RS232串口數(shù)據(jù)線和計(jì)算機(jī)相連，計(jì)算機(jī)上設(shè)有光譜分析處理軟件，被測(cè)植物葉片或冠層放置在可見和近紅外光譜儀和光源之間。
所述的光譜儀探頭和植物葉片或冠層夾角45°，光源照射方向和植物葉片或冠層夾角同樣為45°，并使得光譜儀探頭和光源照射方向成90°。
所述的光源為日光或鹵素?zé)簟?br> 與背景技術(shù)相比本發(fā)明具有的有益效果是(1)利用光譜技術(shù)進(jìn)行病害識(shí)別，可實(shí)現(xiàn)多種植物灰霉病害的快速、穩(wěn)定、實(shí)時(shí)的診斷。光譜的測(cè)定過(guò)程一般可在30秒內(nèi)完成(多通道儀器可在1秒內(nèi)完成)；(2)不使用化學(xué)試劑，降低了檢測(cè)成本，減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，能夠很好的應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測(cè)。能夠?qū)χ参锊『M(jìn)行無(wú)損檢測(cè)，不影響植物的生長(zhǎng)；(3)能夠應(yīng)用到其他的植物病害上，其他植物病害的特征是病害發(fā)病區(qū)域以葉片為主，且發(fā)生在葉片上表面；(4)整個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)只由一個(gè)便攜式的可見和近紅外光譜儀、一臺(tái)計(jì)算機(jī)、一塊標(biāo)定白板組成；(5)當(dāng)測(cè)量系統(tǒng)的各組件都連接完畢后，最后的光譜分析工作通過(guò)帶有建立好的化學(xué)計(jì)量學(xué)模型的光譜分析處理軟件完成；(6)通過(guò)對(duì)檢測(cè)出染病的植物進(jìn)行藥物處理，可以減少由于全面噴灑而造成的藥物用量，降低生產(chǎn)成本并減少污染。


圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)原理框圖。
圖2是本發(fā)明的安裝示意圖。
圖3是本發(fā)明方法的工作流程圖。
圖4是光譜儀的正面局部視圖。
圖中1、光譜儀開關(guān)，2、一對(duì)鎳-氫電池，3、電池使用指示燈，4、光譜儀開啟指示燈，5、計(jì)算機(jī)連接的RS232串口數(shù)據(jù)線，6、電源線接口，7、可見和近紅外光譜儀，8、光源，9、被測(cè)物體。
具體實(shí)施例方式
如圖1、圖2、圖4所示，本系統(tǒng)包括可見和近紅外光譜儀7、光源8，標(biāo)定白板和計(jì)算機(jī)；可見和近紅外光譜儀通過(guò)固定部分與固定裝置連接，可見和近紅外光譜儀上有兩個(gè)接口，電源線接口6通過(guò)電源線和外接電源相連接，計(jì)算機(jī)連接的RS232串口數(shù)據(jù)線5通過(guò)一根RS232串口數(shù)據(jù)線和計(jì)算機(jī)相連(和可見和近紅外光譜儀連接的部分為一個(gè)串行口，和計(jì)算機(jī)相連的部分為USB接口)，可見和近紅外光譜儀7另配一對(duì)鎳-氫電池2；鹵素?zé)敉ㄟ^(guò)電源線和外接電源相連，可見和近紅外光譜儀上分別有電池使用指示燈3和可見和近紅外光譜儀開啟指示燈4；可見和近紅外光譜儀探頭視場(chǎng)角為10°和25°兩種(其中測(cè)量葉片時(shí)建議采用視場(chǎng)角為10°的探頭，當(dāng)測(cè)量冠層時(shí)建議采用視場(chǎng)角為25°的探頭)；植物放在可見和近紅外光譜儀和光源之間，可見和近紅外光譜儀探頭和植物冠層或葉片(被測(cè)物體9)夾角45°，光源8照射方向和植物冠層或葉片夾角同樣為45°，并使得可見和近紅外光譜儀探頭和光源照射方向成90°。可見和近紅外光譜儀探頭和光譜采集對(duì)象(單一葉片和總體冠層)表面之間的距離根據(jù)對(duì)象大小和探頭視場(chǎng)角確定(如圖2所示)?？梢姾徒t外光譜儀能夠?qū)崟r(shí)采集被測(cè)植物的葉片與冠層的光譜信息。
可見和近紅外光譜儀采用Analytical Spectral Devices公司的Fieldspechandheld光譜分析儀；標(biāo)定白板的反射率為100％。光譜采集范圍從325nm到2500nm，包括了整個(gè)可見光和近紅外區(qū)域。鹵素?zé)魹槿毡緝?yōu)秀(USHIO)公司JC14.5V-50W。
光譜數(shù)據(jù)采集過(guò)程。將可見和近紅外光譜儀和外接電源相連(也可以使用電池)，此時(shí)電池使用指示燈亮起)，如室內(nèi)無(wú)自然光，需將鹵素?zé)艉屯饨与娫聪噙B)，按下光譜儀電源開關(guān)1，可見和近紅外光譜儀開啟指示燈亮起(可見和近紅外光譜儀需在計(jì)算機(jī)開機(jī)之前打開)，可見和近紅外光譜儀預(yù)熱15-30分鐘，并且在可見和近紅外光譜儀開始工作的第一個(gè)小時(shí)里每隔5-15分鐘通過(guò)計(jì)算機(jī)里的光譜測(cè)量軟件進(jìn)行暗電流校正。預(yù)熱結(jié)束后通過(guò)RS232串口數(shù)據(jù)線連接光譜儀和計(jì)算機(jī)。啟動(dòng)計(jì)算機(jī)，進(jìn)入光譜測(cè)量軟件。
在測(cè)量對(duì)象光譜數(shù)據(jù)之前，需進(jìn)行標(biāo)定白板校正。將標(biāo)定白板放置在測(cè)量對(duì)象表面的位置上并且確定在探頭視場(chǎng)角內(nèi)只有標(biāo)定白板，然后點(diǎn)擊光譜測(cè)量軟件標(biāo)定白板校正按鈕。校正完成后將要測(cè)量的對(duì)象表面位置和之前標(biāo)定白板放置位置一致，光譜采集參數(shù)也一致，繼而進(jìn)行光譜數(shù)據(jù)采集，光譜數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)保存。
光譜采集過(guò)程。光線通過(guò)探頭射到一個(gè)全息衍射光柵上，然后光線按照不同的波長(zhǎng)分開，并分別被陣列接收器接收。接收器將光積分成電信號(hào)并保存；然后電信號(hào)通過(guò)一個(gè)16位的A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，通過(guò)RS-232串口數(shù)據(jù)線輸入計(jì)算機(jī)。
本發(fā)明系統(tǒng)的可見和近紅外光譜儀可通過(guò)設(shè)置如可調(diào)節(jié)角度、高度、移動(dòng)底座的三腳架，屋頂可沿設(shè)計(jì)軌跡移動(dòng)的懸掛機(jī)構(gòu)或安裝有可調(diào)節(jié)機(jī)械伸展臂高度、角度的車輛等固定裝置進(jìn)行固定，亦可手持，分別用于室內(nèi)及室外使用。同時(shí)可見和近紅外光譜采集所用的光源為日光，當(dāng)室內(nèi)無(wú)陽(yáng)光時(shí)采用鹵素?zé)簟?br> 在野外田間工作時(shí)，可手持可見和近紅外光譜儀或者將可見和近紅外光譜儀安裝在三角支架上方，如植物距離道路較近，為了方便快速測(cè)量，亦可安裝在從車輛上伸出的機(jī)械臂上。
在室內(nèi)工作時(shí)，可手持可見和近紅外光譜儀或者將可見和近紅外光譜儀安裝在房頂可沿設(shè)計(jì)軌跡移動(dòng)的懸掛機(jī)構(gòu)上。可見和近紅外光譜儀同樣可以固定在三角支架上。
如圖3所示，病害光譜分析處理軟件中的病害光譜模型建立為基礎(chǔ)部分，在軟件制作階段就已建立，包括以下步驟1)校正樣本集光譜信息的采集。光譜測(cè)量之前先用標(biāo)定白板對(duì)可見和近紅外光譜儀進(jìn)行標(biāo)定。然后分別采集不同生長(zhǎng)階段，感染不同程度灰霉病及健康的植物葉片建立校正樣本集。然后通過(guò)光譜儀采集校正樣本集中植物葉片的全波段(325nm-2500nm)的光譜反射率信息。
2)反映病害感染程度的光譜預(yù)處理。由于采集到的原始光譜信號(hào)存在外界和光譜儀本身精度的干擾，因此將會(huì)影響特征波段的選擇。采用卷積平滑、標(biāo)準(zhǔn)化、歸一化、中心化、多元散射校正、一階求導(dǎo)、二階求導(dǎo)、小波處理等方法進(jìn)行光譜預(yù)處理。預(yù)處理后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(yù)處理可以為單一方法，也可以是多種方法的結(jié)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(jīng)過(guò)可見和近紅外光譜儀采集透射率信息以后，由灰霉病害專家進(jìn)行每片葉片的病害感染程度的評(píng)估。通過(guò)化學(xué)計(jì)量學(xué)方法建立預(yù)處理后的光譜葉片透射率信息和病害感染程度的模型。線性的化學(xué)計(jì)量學(xué)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(jī)等；非線形的化學(xué)計(jì)量學(xué)方法包括人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、非線形支持向量機(jī)、遺傳算法、模糊算法等。建立好的病害光譜模型具有很好的魯棒性和適應(yīng)性，能夠進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用。
如圖3所示，病害光譜分析處理軟件在實(shí)際應(yīng)用中包括以下步驟1)光譜測(cè)量之前先用標(biāo)定白板對(duì)可見和近紅外光譜儀進(jìn)行標(biāo)定。通過(guò)可見和近紅外光譜儀采集被測(cè)植物的冠層或單一葉片全波段光譜信息。實(shí)際應(yīng)用時(shí)的光譜采集所采用的測(cè)量方法和條件必須和校正樣本集光譜采集時(shí)一致，比如測(cè)量裝置設(shè)置、光譜采樣間隔、采樣時(shí)間、采樣次數(shù)等。采集到的光譜反射率信息通過(guò)數(shù)據(jù)線輸入計(jì)算機(jī)。
2)病害光譜分析處理軟件將采集到的全波段光譜信息作為輸入部分，輸入病害光譜模型。病害光譜模型先按照校正樣本集光譜的預(yù)處理方法對(duì)光譜信息進(jìn)行處理，然后通過(guò)光譜信息和病害感染程度之間的關(guān)系模型，輸出病害感染程度。
3)根據(jù)病害感染程度分析決策是否對(duì)測(cè)量植物噴藥，并確定劑量、噴頭形狀及噴藥種類。
4)只要實(shí)際應(yīng)用中的植物在建立好的病害光譜模型包含的植物類型中，就可以對(duì)植物進(jìn)行葉片或冠層上的灰霉病害快速、無(wú)損的檢測(cè)。
對(duì)于容易感染灰霉病的植物的不同，所建立的病害光譜模型是不同的。因此病害光譜模型的建立要按照不同植物分別進(jìn)行。
上述具體實(shí)施方式
用來(lái)解釋說(shuō)明本發(fā)明，而不是對(duì)本發(fā)明進(jìn)行限制，在本發(fā)明的精神和權(quán)利要求的保護(hù)范圍內(nèi)，對(duì)本發(fā)明作出的任何修改和改變，都落入本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.可見和近紅外光譜的植物葉片或冠層灰霉病診斷方法，其特征在于該方法的步驟如下1)可見和近紅外光譜儀采集被測(cè)植物的單一葉片或冠層的光譜信息，通過(guò)數(shù)據(jù)線輸入計(jì)算機(jī)，光譜分析處理軟件分析植物的單一葉片或冠層的光譜信息；2)反射率100％的標(biāo)定白板用于光譜采集前標(biāo)定光譜儀；3)通過(guò)計(jì)算機(jī)中的光譜分析處理軟件，應(yīng)用化學(xué)計(jì)量學(xué)方法建立的病害光譜模型，實(shí)時(shí)檢測(cè)病害感染程度。
2.可見和近紅外光譜的植物葉片或冠層灰霉病診斷系統(tǒng)，其特征在于包括可見和近紅外光譜儀、標(biāo)定白板和計(jì)算機(jī)；被測(cè)物體和標(biāo)定白板的反射光進(jìn)入可見和近紅外光譜儀，可見和近紅外光譜儀有兩個(gè)接口，其中電源線接口，通過(guò)電源線和外接電源相連接，數(shù)據(jù)線接口通過(guò)RS232串口數(shù)據(jù)線和計(jì)算機(jī)相連，計(jì)算機(jī)上設(shè)有光譜分析處理軟件，被測(cè)植物葉片或冠層放置在可見和近紅外光譜儀和光源之間。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的可見和近紅外光譜的植物葉片或冠層灰霉病診斷系統(tǒng)，其特征在于所述的光譜儀探頭和植物葉片或冠層夾角45°，光源照射方向和植物葉片或冠層夾角同樣為45°，并使得光譜儀探頭和光源照射方向成90°。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的可見和近紅外光譜的植物葉片或冠層灰霉病診斷系統(tǒng)，其特征在于所述的光源為日光或鹵素?zé)簟?br> 全文摘要
本發(fā)明公開了一種可見和近紅外光譜的植物葉片或冠層灰霉病診斷方法和系統(tǒng)?？梢姾徒t外光譜儀采集被測(cè)植物的單一葉片或冠層的光譜信息，通過(guò)數(shù)據(jù)線輸入計(jì)算機(jī)，光譜分析處理軟件分析植物的單一葉片或冠層的光譜信息；反射率100％的標(biāo)定白板用于光譜采集前標(biāo)定光譜儀；通過(guò)計(jì)算機(jī)中的光譜分析處理軟件，應(yīng)用化學(xué)計(jì)量學(xué)方法建立的病害光譜模型，實(shí)時(shí)檢測(cè)病害感染程度。本發(fā)明可實(shí)現(xiàn)多種植物灰霉病害的快速、穩(wěn)定、實(shí)時(shí)的診斷；不使用化學(xué)試劑，降低了檢測(cè)成本，減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，能夠很好的應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測(cè)；能夠?qū)χ参锊『M(jìn)行無(wú)損檢測(cè)，不影響植物的生長(zhǎng)；通過(guò)對(duì)檢測(cè)出染病的植物進(jìn)行藥物處理，減少由于全面噴灑而造成的用藥過(guò)量和環(huán)境污染。
文檔編號(hào)C12Q1/04GK101074926SQ20071006909
公開日2007年11月21日 申請(qǐng)日期2007年6月12日 優(yōu)先權(quán)日2007年6月12日
發(fā)明者何勇, 吳迪, 馮雷 申請(qǐng)人:浙江大學(xué)