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的制作方法
技術領域：
本發明涉及植物葉片與冠層灰霉病害診斷系統，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。
背景技術：
植物灰霉病害對于植物生長的危害十分嚴重。病害不僅能夠導致經濟植物的產物產量和質量的下降，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并會造成嚴重的環境污染。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。肉眼觀測存在著疲勞、情緒等主觀因素的干擾；基于分子水平的檢測方法，如生物測定技術、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，并且只適用于在一個很大的地域范圍內進行粗略估計，很難對小區或單株進行。
可見和近紅外光譜技術是指利用可見和近紅外譜區(波長約為325nm-2500nm)包含的物質信息，主要用于有機質定性和定量分析的一種分析技術?？梢姾徒t外光譜易于獲取，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征信息。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后，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。同時測量植物的可見光和近紅外光譜信息可以對植物生長健康狀況進行快色、準確的檢測。

發明內容
本發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。應用可見和近紅外光譜技術，采集被測植物葉片或冠層的可見和近紅外光譜信息，分析得到被測植物灰霉病害的感染程度，實現實時無損的植物灰霉病害檢測的診斷。
本發明解決其技術問題采用的技術方案是一、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植物的單一葉片或冠層的光譜信息，通過數據線輸入計算機，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％的標定白板用于光譜采集前標定光譜儀；3)通過計算機中的光譜分析處理軟件，應用化學計量學方法建立的病害光譜模型，實時檢測病害感染程度。
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包括可見和近紅外光譜儀、標定白板和計算機；被測物體和標定白板的反射光進入可見和近紅外光譜儀，可見和近紅外光譜儀有兩個接口，其中電源線接口，通過電源線和外接電源相連接，數據線接口通過RS232串口數據線和計算機相連，計算機上設有光譜分析處理軟件，被測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燈。
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，可實現多種植物灰霉病害的快速、穩定、實時的診斷。光譜的測定過程一般可在30秒內完成(多通道儀器可在1秒內完成)；(2)不使用化學試劑，降低了檢測成本，減輕勞動強度，能夠很好的應用于環境監測。能夠對植物病害進行無損檢測，不影響植物的生長；(3)能夠應用到其他的植物病害上，其他植物病害的特征是病害發病區域以葉片為主，且發生在葉片上表面；(4)整個檢測系統只由一個便攜式的可見和近紅外光譜儀、一臺計算機、一塊標定白板組成；(5)當測量系統的各組件都連接完畢后，最后的光譜分析工作通過帶有建立好的化學計量學模型的光譜分析處理軟件完成；(6)通過對檢測出染病的植物進行藥物處理，可以減少由于全面噴灑而造成的藥物用量，降低生產成本并減少污染。


圖1是本發明的結構原理框圖。
圖2是本發明的安裝示意圖。
圖3是本發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，2、一對鎳-氫電池，3、電池使用指示燈，4、光譜儀開啟指示燈，5、計算機連接的RS232串口數據線，6、電源線接口，7、可見和近紅外光譜儀，8、光源，9、被測物體。
具體實施例方式
如圖1、圖2、圖4所示，本系統包括可見和近紅外光譜儀7、光源8，標定白板和計算機；可見和近紅外光譜儀通過固定部分與固定裝置連接，可見和近紅外光譜儀上有兩個接口，電源線接口6通過電源線和外接電源相連接，計算機連接的RS232串口數據線5通過一根RS232串口數據線和計算機相連(和可見和近紅外光譜儀連接的部分為一個串行口，和計算機相連的部分為USB接口)，可見和近紅外光譜儀7另配一對鎳-氫電池2；鹵素燈通過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角為10°和25°兩種(其中測量葉片時建議采用視場角為10°的探頭，當測量冠層時建議采用視場角為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°?？梢姾徒t外光譜儀探頭和光譜采集對象(單一葉片和總體冠層)表面之間的距離根據對象大小和探頭視場角確定(如圖2所示)?？梢姾徒t外光譜儀能夠實時采集被測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；標定白板的反射率為100％。光譜采集范圍從325nm到2500nm，包括了整個可見光和近紅外區域。鹵素燈為日本優秀(USHIO)公司JC14.5V-50W。
光譜數據采集過程。將可見和近紅外光譜儀和外接電源相連(也可以使用電池)，此時電池使用指示燈亮起)，如室內無自然光，需將鹵素燈和外接電源相連)，按下光譜儀電源開關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算機開機之前打開)，可見和近紅外光譜儀預熱15-30分鐘，并且在可見和近紅外光譜儀開始工作的第一個小時里每隔5-15分鐘通過計算機里的光譜測量軟件進行暗電流校正。預熱結束后通過RS232串口數據線連接光譜儀和計算機。啟動計算機，進入光譜測量軟件。
在測量對象光譜數據之前，需進行標定白板校正。將標定白板放置在測量對象表面的位置上并且確定在探頭視場角內只有標定白板，然后點擊光譜測量軟件標定白板校正按鈕。校正完成后將要測量的對象表面位置和之前標定白板放置位置一致，光譜采集參數也一致，繼而進行光譜數據采集，光譜數據實時保存。
光譜采集過程。光線通過探頭射到一個全息衍射光柵上，然后光線按照不同的波長分開，并分別被陣列接收器接收。接收器將光積分成電信號并保存；然后電信號通過一個16位的A/D轉換器轉換成數字信號，通過RS-232串口數據線輸入計算機。
本發明系統的可見和近紅外光譜儀可通過設置如可調節角度、高度、移動底座的三腳架，屋頂可沿設計軌跡移動的懸掛機構或安裝有可調節機械伸展臂高度、角度的車輛等固定裝置進行固定，亦可手持，分別用于室內及室外使用。同時可見和近紅外光譜采集所用的光源為日光，當室內無陽光時采用鹵素燈。
在野外田間工作時，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，為了方便快速測量，亦可安裝在從車輛上伸出的機械臂上。
在室內工作時，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計軌跡移動的懸掛機構上?？梢姾徒t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。光譜測量之前先用標定白板對可見和近紅外光譜儀進行標定。然后分別采集不同生長階段，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處理。由于采集到的原始光譜信號存在外界和光譜儀本身精度的干擾，因此將會影響特征波段的選擇。采用卷積平滑、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采集透射率信息以后，由灰霉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。建立好的病害光譜模型具有很好的魯棒性和適應性，能夠進行實際應用。
如圖3所示，病害光譜分析處理軟件在實際應用中包括以下步驟1)光譜測量之前先用標定白板對可見和近紅外光譜儀進行標定。通過可見和近紅外光譜儀采集被測植物的冠層或單一葉片全波段光譜信息。實際應用時的光譜采集所采用的測量方法和條件必須和校正樣本集光譜采集時一致，比如測量裝置設置、光譜采樣間隔、采樣時間、采樣次數等。采集到的光譜反射率信息通過數據線輸入計算機。
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處理方法對光譜信息進行處理，然后通過光譜信息和病害感染程度之間的關系模型，輸出病害感染程度。
3)根據病害感染程度分析決策是否對測量植物噴藥，并確定劑量、噴頭形狀及噴藥種類。
4)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，就可以對植物進行葉片或冠層上的灰霉病害快速、無損的檢測。
對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范圍內，對本發明作出的任何修改和改變，都落入本發明的保護范圍。
權利要求
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植物的單一葉片或冠層的光譜信息，通過數據線輸入計算機，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％的標定白板用于光譜采集前標定光譜儀；3)通過計算機中的光譜分析處理軟件，應用化學計量學方法建立的病害光譜模型，實時檢測病害感染程度。
2.可見和近紅外光譜的植物葉片或冠層灰霉病診斷系統，其特征在于包括可見和近紅外光譜儀、標定白板和計算機；被測物體和標定白板的反射光進入可見和近紅外光譜儀，可見和近紅外光譜儀有兩個接口，其中電源線接口，通過電源線和外接電源相連接，數據線接口通過RS232串口數據線和計算機相連，計算機上設有光譜分析處理軟件，被測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.根據權利要求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，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.根據權利要求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，其特征在于所述的光源為日光或鹵素燈。
全文摘要
本發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?？梢姾徒t外光譜儀采集被測植物的單一葉片或冠層的光譜信息，通過數據線輸入計算機，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％的標定白板用于光譜采集前標定光譜儀；通過計算機中的光譜分析處理軟件，應用化學計量學方法建立的病害光譜模型，實時檢測病害感染程度。本發明可實現多種植物灰霉病害的快速、穩定、實時的診斷；不使用化學試劑，降低了檢測成本，減輕勞動強度，能夠很好的應用于環境監測；能夠對植物病害進行無損檢測，不影響植物的生長；通過對檢測出染病的植物進行藥物處理，減少由于全面噴灑而造成的用藥過量和環境污染。
文檔編號C12Q1/04GK101074926SQ20071006909
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