高光譜成像系統(tǒng)：辣椒早疫病潛育期的光譜特性判別方法

辣椒早疫病是影響辣椒安全生長的常見生物災(zāi)害，具有突發(fā)性和易感性等特點(diǎn)，容易引發(fā)大的經(jīng)濟(jì)損失。在辣椒生長過程中，針對病害潛育期侵染情況進(jìn)行科學(xué)監(jiān)測預(yù)警是保證作物健康生長的重要前提。傳統(tǒng)的病害檢測方法是依靠肉眼對明顯病癥的觀察，但受作物種植面積'產(chǎn)量等因素影響，加上早疫病流行迅速導(dǎo)致很難控制病害的發(fā)展。因此，對辣椒早疫病潛育期進(jìn)行檢測識(shí)別能夠及時(shí)指導(dǎo)病害防治，在作物感染發(fā)病之前控制病情預(yù)防病害傳播，對作物生長具有重大指導(dǎo)意義。

01實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

以辣椒葉片為研究對象，通過高光譜成像儀連續(xù)動(dòng)態(tài)監(jiān)測離體辣椒葉片早疫病的侵染情況并獲取對應(yīng)的高光譜圖像，選取整個(gè)葉片表面為感興趣區(qū)域，并提取感興趣區(qū)的平均光譜，獲取不同采集時(shí)間的健康與接種樣本平均光譜曲線。

圖1基于光譜特性的作物病害潛育期高光譜圖像判別流程圖

02結(jié)果

遵循作物病害侵染的一般過程，為了使得監(jiān)測圖像覆蓋整個(gè)病害潛育期，高光譜圖像實(shí)行連續(xù)動(dòng)態(tài)采集。為了綜合考慮整個(gè)葉片在接種前后的光譜變化，將整個(gè)葉片在400~1000nm光譜范圍內(nèi)的光譜反射率按256個(gè)波段分別取平均后，得到整個(gè)葉片的平均光譜曲線，有效減少葉片表面的偶然誤差。

圖2感興趣區(qū)域選擇流程圖

圖3健康與接種樣本的平均光譜隨時(shí)間的演變趨勢

（a）健康組（b）感染組

從圖3(a)可以看出，隨著時(shí)間推移，健康組辣椒葉片平，均光譜曲線在760~1000nm范圍內(nèi)存在明顯分離，葉片的平均光譜反射率整體逐漸下降，主要由于葉片在離體培養(yǎng)后導(dǎo)致細(xì)胞代謝緩慢，出現(xiàn)失水現(xiàn)象。健康組葉片在其他波段范圍內(nèi)的整體光譜曲線較為密集重合，說明在動(dòng)態(tài)監(jiān)測期間內(nèi)，健康組葉片生理狀態(tài)較為穩(wěn)定。

圖3(b)接種組葉片在：500~670、680-760及760-1000nm波長范圍內(nèi)的平均光譜曲線存在明顯差異，表明隨著接種時(shí)間的推移接種組葉片的生理活性一直波動(dòng)，在一定程度上也說明了接種的有效性。其中，接種葉片光譜曲線隨著采集時(shí)間在500~670nm范圍內(nèi)逐步分離，且平均光譜反射率逐漸增大，主要是因?yàn)椴≡秩緦?dǎo)致葉片細(xì)胞中葉綠素'葉黃素等色素含量下降，對光的吸收減弱，光譜反射率增加680~760nm屬于可見光與近紅外區(qū)域的交接處，為綠色植物的,紅邊位置，是描述植物色素狀態(tài)和健康狀況的重要指示波段。在該波段范圍內(nèi)，植物的光譜反射率增長最快。

通常情況下，植物生長狀態(tài)越好，紅邊位置會(huì)出現(xiàn),紅移；反之，則會(huì)藍(lán)移，此時(shí)可看出接種組樣本隨著接種時(shí)間的推移，紅邊逐漸發(fā)生左移即藍(lán)移。由圖3可見，與健康作物的平均光譜曲線相比，感染植物的平均光譜曲線會(huì)發(fā)生不同程度的變化，這為利用光譜特性進(jìn)行作物病害潛育期最早可識(shí)別時(shí)間判別提供了可能性。當(dāng)然，僅從樣本在采集時(shí)段的平均光譜曲線整體變化趨勢上無法直接得出病害潛育期最早可識(shí)別時(shí)間，需要合適的測度方法對光譜曲線之間的差異性進(jìn)行深度挖掘。

表1 樣本 RGB 圖像和主成分分布可視化圖像隨采集時(shí)間的變化

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審核編輯 黃宇