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高光譜近感技術在葡萄病害檢測中的應用

閱讀:2076      發布時間:2019-1-9
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    葡萄栽培(PV)技術指在葡萄園內對葡萄進行監控與現場管理的一系列方法,它在葡萄生產的數量和質量上,均涉及到單一栽培的空間變異監測和管理。PV非常重視作物監測,它通過直接在現場進行觀測,收集有關作物物候期、營養和健康狀況以及預期產量等的信息。特別是對不同類型應激的診斷,包括一系列影響作物生產力的因素,和綜合蟲害管理戰略(IPMS)的采用方面,PV正變得越來越重要。

    葡萄園監測系統的開發主要涉及遙感技術(RS),利用衛星獲取葡萄園多光譜圖像,但在實際操作中,由于技術、資金、天氣等的局限,無法獲得關于單個葡萄園內可變性的信息。采用一種基于高光譜成像(HSI)的方法,即利用一種能夠檢測較大植物光譜數據集的設備,可以幫助解決植物病害檢測的問題,同時可以更好地確定它們在田間的存在和分布。

    意大利科學家S. Serranti在一個試驗中使用兩款Specim高光譜成像設備:Specim Imspector V10 和Specim Spectral Camera N17利用偏小二乘判別分析(PLS-DA)模型對健康葉片和不同程度感染霜霉病的葡萄進行了區分,以識別葡萄葉片中由于霜霉病病理的存在而導致的不同程度的癥狀。

 

圖:在VIS-NIR (400-1000nm)范圍內進行不同的類選擇。a:健康組織,b:霜霉病感染組織,c:壞死組織

 

圖:在健康、感染和壞死葉片的VIS-NIR (400-1000 nm)范圍內的預處理光譜

光譜的預處理(Fig.5)突出了所選葉之間的差異。特別是健康和受感染的葉子。可以看到,當其中一條曲線光譜區間內有一個谷值時,另一條曲線在光譜區間內有一個峰值,反之亦然。

 

圖:在NIR(1000-1700 nm)范圍內進行等級選擇。a:健康組織,b:霜霉病感染組織,c:壞死組織。

Fig.2給出了在VIS-NIR范圍(400-1000 nm)獲得的每個參考類別的葉子(即健康的、受感染的和壞死的)所選擇的區域的示例, NIR范圍(1000-1700 nm)所選擇的區域如Fig.3所示。

 

圖:健康、受感染和壞死葉片的NIR(1000-1700 nm)平均預處理光譜

光譜預處理未突出健康葉片光譜和受感染葉片光譜的可能差異,但是壞死葉片光譜與其他兩類葉片光譜的區別較大(Fig.7)。

 

圖:兩種分類模型區分葡萄葉片健康狀況

    結果表明在400 ~ 1000 nm之間的VIS-NIR光譜區間,是適合于對健康、霜霉病感染和壞死葉片進行鑒別的光譜范圍。以此建立分類模型可以作為診斷早期葡萄園病的有力工具。采用此技術來識別/區分霜霉病感染葡萄葉還有一個很大的優勢,即Specim高光譜成像設備操作相對靈活簡單,針對不同方案在不同環境均可實現穩定試驗。

 

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