基于多光谱荧光成像技术和SVM的葡萄霜霉病早期检测研究

葡萄霜霉病是全球危害最严重的葡萄病害,对该病进行早期检测和防治,可提高葡萄品质和产量,提出一种基于多光谱荧光成像技术（MFI）和支持向量机模型（SVM）的霜霉病早期检测方法。对人工接种霜霉病的葡萄叶片（145个）和健康对照叶片（145个）从叶背面连续6天进行多光谱荧光成像,获得试验叶片16个荧光参数（4个单独波段F440,F520,F690,F740及其相互比值）的图像。在分析不同荧光波段图像随接种天数（DPI）变化规律基础上,通过单因素方差分析和相关性分析,优选出进行霜霉病早期检测的4个波段特征F520,F690,F440/F740,F690/740,利用这4个特征构建基于SVM的霜霉病检测模型。试验发现,16个荧光参数都有早期检测霜霉病的潜力,四个单独波段中F440和F520比F690和F740对霜霉病的侵染更敏感,6DPI才显症的病斑能在F440和F520波段2DPI（接种后第二天）的荧光图像中凸显,接种叶片F440和F520波段荧光强度均随着DPI增加快速升高,在2DPI显著高于健康叶片（p<0.01）,并随着DPI增加更加显著（p<0.0001）;接种叶片F690和F740波段荧光强度均随着DPI增加逐渐减小,1DPI-3DPI与健康叶片无显著差异,从4DPI开始显著低于健康叶片（p<0.05）,并在5DPI-6DPI更加显著（p<0.01）;健康叶片荧光参数变化很小。F440极易受干扰,变异系数最大,F520最稳定。随着DPI增加,叶片被侵染程度加深,4个特征融合的SVM模型对健康和接种叶片检测准确率逐渐提高,1DPI的准确率为65.6%,3DPI检测准确率为82.2%,整个试验周期（1DPI-6DPI）的平均检测准确率达84.6%,高于单一特征中最优波段F520的阈值检测结果（1DPI的准确率为61.1%,3DPI检测准确率为78.9%,整个试验周期为80.0%）。结果表明利用MFI技术和SVM模型能实现霜霉病显症前的早期检测,为便携式葡萄霜霉病早期诊断设备的开发提供了理论依据。     

基于叶绿素荧光光谱分析的黄瓜霜霉病害预测模型

为了实现对黄瓜病害的快速无损准确预测,基于激光诱导叶绿素荧光光谱分析技术,建立了温室黄瓜霜霉病害的预测模型.通过测定健康叶片、病菌接种3d叶片和接种6d叶片的光谱曲线,采用一阶导数光谱预处理方法,结合主成分分析数据降维方法对三组光谱数据进行特征信息提取后,建立主成分得分散点图,依据累积贡献率选取10个主成分代替导数光谱...     

基于高光谱成像的南瓜叶片叶绿素分布可视化研究

叶绿素浓度是植物生长的指示剂,而叶片的SPAD值则可以反映植物叶绿素含量,从而监测植物的生长状况。本文采用可见-近红外(380～1 030 nm)高光谱成像技术可以实现南瓜叶片SPAD值的可视化,同时根据叶片霜霉病疫情与叶绿素含量呈显著正相关进而可以快速诊断霜霉病疫情。通过测定健康叶片和感染不同霜霉病疫情的叶片光谱曲线,采用竞争性自适应重加权算法(CARS)进行特征波段的选择,可以得到10条特征波段,再结合偏最小二乘回归法(PLSR)进行南瓜叶片SPAD的预测。结果表明,通过对48个样本的训练,对23个样本进行预测,可以得到南瓜叶片SPAD较好的预测效果,其中R_C=0.918,RMSECV=3.932; R_CV=0.846,RMSECV=5.254; R_P=0.881,RMSEP=3.714。根据叶片光谱特征波段与SPAD之间的线性回归方程可以计算叶片各个像素点的SPAD值,最后采用图像处理技术可以得到南瓜叶片SPAD的可视化分布图,同时也反映了霜霉病的感染分布,进而判断南瓜叶片的霜霉病疫情。该研究为监测植物生长状况及判别南瓜叶片霜霉病疫情奠定了理论基础。     

不同水分处理下草莓叶绿素荧光参数的变化

以草莓为实验材料,研究不同水分处理对叶片叶绿素荧光参数的影响.研究表明,随着施水量的增加,草莓叶片的叶绿素荧光参数存在着明显的差异,过多或过少的水分均降低了叶片的PSⅡ活性.总体看来,保持土壤含水量为田间最大持水量的80%(T8)时的最大荧光(Fm)、PS Ⅱ最大光化学效率(Fv/Fm)、PS Ⅱ实际光化学效率(Yie...     

植物叶片微观结构对荧光测量的影响分析

为了更好地研究叶绿素荧光特性和分析植物生长状况,提出了从植物叶片微观结构的特点出发分析影响叶绿素荧光测量的一种研究方法。采用波长为460nm的LED作为光源激发叶绿素荧光,经滤光片后,通过CCD分别获取宏观叶绿素荧光和微观叶绿素荧光,对荧光图像进行预处理并获得叶绿素荧光比率Rfd均值;在显微镜下用CMOS获取叶片的显微图像,测量上表皮厚度、栅栏组织厚度和叶片厚度等微观结构几何参数;统计分析了叶片微观结构对宏观荧光测量的影响情况。结果表明,对于像植物这种复杂的活体被测对象,测量时应该考虑植物叶片微观结构对植物叶绿素荧光测量的影响。     

基于叶绿素荧光光谱指数的温室黄瓜病害预测

温室蔬菜病害的发生及大面积流行严重影响设施农业的生产管理, 大大降低设施农业的经济效益。为了实现温室蔬菜病害的无损准确预测, 以黄瓜霜霉病害为例, 利用激光诱导叶绿素荧光构建光谱特征指数, 建立了温室蔬菜病害的预测模型。在试验中采用对比分析的方法, 通过对作物健康叶片接种病菌孢子, 分别采集健康、接种2 d、接种6 d和出现明显病症共4组试验样本的光谱曲线, 定性分析了荧光强度随叶片样本感染病菌孢子的变化规律;利用光谱曲线不同波段峰谷值创建了叶绿素荧光光谱指数k₁=F₆₈₅/F₅₁₂和k₂=F₇₃₄/F₅₁₂, 根据数值的变化范围, 设定k₁和k₂分别为20和10时可以作为判断样本出现明显病症与未出现明显病症的特征值, 其判断的准确率分别达到96%和94%;利用构建的光谱指数与样本健康状况的分类结果, 选择光谱指数F₆₈₅/F₅₁₂,F₆₈₅-F₇₃₄,F₇₁₅/F₆₁₂可以定性判断样本健康状况, 并选择光谱指数F₆₈₅/F₅₁₂,F₇₃₄/F₅₁₂,F₆₈₅-F₇₃₄,F₇₁₅/F₆₁₂作为建立定量分析模型的输入量, 以预测集分类准确率作为评价标准, 对比判别分析、BP神经网络、支持向量机三种数据建模方法, 结果表明支持向量机作为霜霉病害预测的建模方法, 其预测能力达到91.38%。利用激光诱导叶绿素荧光构建光谱指数方法, 研究植物病害的预测问题, 具有很好的分类和鉴别效果。     

基于高光谱成像技术的脐橙叶片的叶绿素含量及其分布测量

为实现脐橙叶片叶绿素含量无损检测及其分布可视化表征,采用高光谱成像技术,结合自适应重加权算法(CARS)和连续投影算法(SPA),筛选特征光谱变量,进行脐橙叶片叶绿素含量及可视化分布研究。选取叶绿素测量位置的7×7矩形感兴趣区域,提取并计算脐橙叶片平均光谱。基于Kennard-ston方法,将148个脐橙叶片样品划分成建模集和预测集(111∶37)。采用CARS和SPA算法分别筛选出了32个和6个叶绿素特征光谱变量,用于建立偏最小二乘(PLS)回归模型。采用37个未参与建模的脐橙叶片样品评价模型的预测能力,经比较,CARS-PLS和SPA-PLS模型均优于变量筛选前的PLS模型,且CARS-PLS和SPA-PLS模型的预测能力几乎相同,其预测集相关系数分别为0.90和0.91,均方根误差分别为1.53和1.60。SPA-PLS模型计算脐橙叶片每个像素点的叶绿素含量,经伪彩色变换,绘制了脐橙叶片叶绿素含量可视化分布图。实验结果表明:变量筛选方法结合高光谱成像技术,能够实现脐橙叶片叶绿素含量无损检测及叶绿素分布可视化表达,并简化了数学模型。     

基于热红外成像的小麦条锈病早期检测

由条形柄锈菌引起的小麦条锈病是一种世界性范围内普遍流行的重大病害,实现其早期检测对病害的有效防控与小麦的安全生产具有重要意义。旨在实验室环境下分析小麦接种条锈病菌后16天的热红外图像与叶片温度变化,研究热红外成像技术用于小麦条锈病早期检测的可行性。实验发现,随着接种天数的增加,接种病害的小麦植株较健康小麦,叶片的平均温度会逐渐降低,叶片间的最大温差会不断加大。接种后第6天,热红外成像技术可观测到小麦条锈病病斑,较肉眼观察提前了4天。接种后第16天,接种叶片的平均温度比健康叶片低2.5 ℃,最大温差比健康叶片高2.28 ℃。同时,通过对健康、发病以及潜伏期的小麦叶片的显微结构分析,发现条锈病孢子入侵叶片,使细胞结构破环,气孔导度增大,蒸腾作用加剧,从而导致叶片表面温度降低。可见,热红外成像技术可以对小麦条锈病进行早期检测。     

光学相关论题 生物光学

Q632006010790低强度微波电磁场作用下菠菜和烟草光合细胞叶绿素荧光动力学过程及光合色素系统的差异=Difference ofchlorphyll fluorescence dynamics process and system ofphotosynthetic pigment in leaf of spinach and tobacco un-der the action of lowlevel microwave electromagnetic field[刊,中]/习岗(华南农业大学理学院.广东,广州(510642)),李英…∥光子学报.—2005,34(7).—1023-1027在300MHz低强度微波电磁场作用下,菠菜和烟草叶片光合细胞叶绿素荧光动力学过程和光合色素呈现不同的变化。菠菜的荧光动力学参量F0和FⅥFⅤ…     

水稻叶绿素浓度对荧光光谱的影响

为了加强对水稻生长状况的监测,指导水稻的田间施肥,提高施肥利用效率,以增加农作物产量、提高粮食品质,实验室搭建了基于激光诱导荧光技术的荧光探测系统,以研究水稻叶片的叶绿素含量与荧光峰值比之间的相关性。文中测量样本为水稻分蘖期和拔节期的倒二叶,栽培地区位于中国江汉平原。文中先采用凯氏定氮法和相应公式结合测得水稻叶片的叶绿素含量(mg·g-1),再用搭建的荧光探测系统采集了水稻叶片不同叶绿素含量的荧光光谱(激发波长为355 nm)。获得了水稻叶片在不同叶绿素含量下的荧光光谱数据库,定量分析了荧光峰值比F₇₄₀/F₆₈₅(荧光谱峰740 nm、685 nm处的荧光强度比)与叶绿素含量的相关性,发现叶绿素含量的变化对荧光光谱特性影响明显。由实验数据分析可知荧光参数中的峰值比(F₇₄₀/F₆₈₅)与叶绿素含量呈现很好的线性正相关,相关系数(R2)在水稻的分蘖期和拔节期分别达到了0.901 3和0.912 5。实验分析结果表明诱导荧光光谱技术具有方便、快捷、无损等优点,在农作物生长状况的遥感定量监测等方面也具有一定发展潜力。     

稀土配合物分子印迹荧光探针的制备及检测孔雀石绿的残留

孔雀石绿是一种人工合成的三苯甲烷类化合物.孔雀石绿的常规检测方法前期处理复杂、耗时长、需要使用大型仪器等缺点导致不能及时的对其进行检测.所以研究出一种能够高效、便捷、快速的检测孔雀石绿残留的方法具有十分重要的意义.分子印迹聚合物(M IPs)是一种多孔隙材料,具有特定的识别位点,可以对特定的目标分子进行识别和吸附.稀土...     

Ultrastructural analysis of Vitis vinifera leaf tissues showing atypical symptoms of Plasmopara viticola

In an abandoned farm in Tuscany a year by year regression of downy mildew disease on grapevines was observed and a decrease in virulence as well as vigor and fertility of the causal fungus, Plasmopara viticola. Anomalous spots of the fungus (i.e. atypical coloration of leaves or mosaic) on leaf tissues of a sensitive Vitis vinifera grapevine were observed. The anomalous symptoms were often associated with the typical 'oil spots' and were present under environmental conditions favourable for a normal development of the disease. An ultrastructural study was carried out on leaf tissues of grapevine plants aimed at clarifying the cause of this phenomenon and detecting whether there were alterations in P. viticola mycelium and endophytes present. ELISA was also performed to check the presence of grapevine viruses in the plants. TEM results demonstrated that characteristic P. viticola was present in leaf samples showing oil spots, while, both the fungus and the host tissues showed cytological alterations in leaves with mosaic symptoms. Finally, hyphae were absent in leaf tissues without downy mildew spots, but showing severe ultrastructural modifications. Several plant virus infections were found in these grapevines. Literature reports that the development and sporulation of some phytopathogenic fungi inside their hosts can be limited by virus infections. Further experimental approaches are required to determine if resistance to P. viticola can be induced by viral infections in grapevines.     

阵列式光纤光谱仪的小麦霉变在线检测

小麦是我国战略性储藏粮食品种，但小麦易受霉菌感染而发生霉变，影响其食用安全。加强小麦有害霉菌侵染程度的早期检测是控制其危害的需要措施。然而，现有的平板计数和荧光染色等检测方法，普遍存在前处理繁杂、时效性差等不足。故此，拟运用阵列式光纤光谱仪结合化学计量学方法，建立霉变小麦的实时在线检测方法，并为进一步开发粮食品质与安全在线检测装备提供参考。小麦样品经辐照灭菌后分别接种五种谷物中常见有害霉菌：串珠镰刀菌83227、层出镰刀菌195647、雪腐镰刀菌3.503、寄生曲霉3.3950和赭曲霉3.3486，并置于28 ℃和85%相对湿度环境中储藏7 d以加速霉变。在样品储藏的第0，1，3，5和7 d，运用阵列式光纤光谱仪和漫反射探头在线采集样品的漫反射特征光谱，并依据国标平板计数法测定样品菌落总数水平。光谱采集步骤为：在线检测平台上，设置样品运动速度0.15 m·s-1和光谱仪积分时间20 ms，采集波段为600~1 600 nm，重复测量3次。然后，首先对小麦原始光谱进行平滑、多元散射校正和导数变换等预处理以消除光谱噪音；随后，运用主成分分析(PCA)对受不同霉变程度(储藏阶段)的小麦样品进行区分；最后，利用线性判别分析(LDA)和偏最小二乘回归分析(PLSR)建立小麦有害霉菌侵染程度的定性定量分析模型。小麦在储藏期内经历未霉变、开始霉变和严重霉变三个阶段。原始和二阶微分光谱显示霉菌侵染引起小麦光谱特征发生显著改变，PCA结果表明不同储藏阶段(霉变程度)小麦样品存在一定分离趋势。利用前十个主成分得分建立的LDA判别模型，对不同霉变程度小麦样品的识别率达90.0%以上。结果表明：小麦样品菌落总数的PLSR定量预测模型的预测决定系数(R2_p)为0.859 2，预测均方根误差(RMSEP)为0.401 Log CFU·g-1，相对分析偏差(RPD)达2.65。应用阵列式光纤光谱仪结合计量学方法在线评估小麦霉变具有一定可行性。下一步研究中，应扩大样品量，补充自然霉变及受更多代表性霉菌侵染的小麦样品，以不断增强模型的鲁棒性和方法的适用性。     

稻谷有害霉菌侵染的近红外光谱快速检测

稻谷是我国主要储粮品种。为快速、准确鉴定稻谷霉变状态,建立了一种基于近红外光谱的稻谷霉菌污染定性、定量分析方法。首先,将四种谷物中常见有害霉菌(黄曲霉3.17、黄曲霉3.3950、寄生曲霉3.3950、灰绿曲霉3.0100)分别接种在灭菌稻谷样品上。其次,将接种霉菌样品进行人工模拟储藏(28 ℃、RH 80%),并采集不同储藏时间(0,2,4,7和10 d)稻谷的近红外漫反射光谱信号。最后,利用主成分分析(PCA)、判别分析(DA)和偏最小二乘回归(PLSR)方法建立稻谷霉菌污染的快速分析模型。结果显示,近红外光谱可有效区分感染不同霉菌的稻谷样品,平均判别正确率达87.5%。稻谷霉变随储藏时间逐渐加深,近红外光谱对感染单一霉菌稻谷样品霉变状态的判别正确率达92.5%,多种霉菌的判别正确率达87.5%。稻谷中的菌落总数的PLSR模型定量结果为：有效决定系数(R2_P)为0.882 3、验证均方根误差(RMSEP)为0.339 Lg CFU·g-1,相对标准偏差(RPD)为2.93。结果表明,近红外光谱法可以作为一种快速、无损的分析方法来判定稻谷霉菌侵染状况,确保稻谷储运安全。     

基于石墨相氮化碳量子点直接荧光猝灭法检测碘离子的研究

石墨相氮化碳(g-C₃N₄)荧光纳米材料具有原料便宜、制备容易、荧光量子产率高、光学稳定性好、毒性低等优点,并且避免有机荧光染料复杂的合成步骤或者金属半导体量子点对环境潜在的危害,这些优点使得g-C₃N₄纳米材料成为新兴的荧光探针用于检测金属离子。最近,已有文献报道重金属汞离子能够高灵敏高选择性地猝灭g-C₃N₄量子点的荧光,加入碘离子能够提取被键合的汞离子形成碘化汞(HgI₂)进而恢复g-C₃N₄量子点的荧光,从而建立一种高灵敏检测碘离子的荧光传感器。然而,该方法依然需要重金属汞离子的参与,限制了该方法的推广应用。通过硝酸氧化块体g-C₃N₄并结合水热法处理制备了一种水溶性好、荧光强度高的g-C₃N₄量子点。该量子点的荧光发射波长位于368 nm,且其荧光发射波长不随激发波长的改变而改变,表明该量子点的尺寸比较均一。笔者发现碘离子在220 nm处有一个较强的吸收峰,与该量子点的激发光谱(中心波长245 nm)具有较大的重叠,从而产生内滤效应引起该量子点的荧光发生猝灭。利用这一性质,构建了一种选择性检测碘离子的新型荧光传感器。在最优检测条件下,g-C₃N₄量子点的荧光猝灭强度(ΔF)与碘离子浓度(X,μmol·L-1)在10～400 μmol·L-1之间具有良好的线性关系,线性方程为ΔF=0.325 79X+6.039 05(R2=0.999 5),检出限为5.0 μmol·L-1。通过“混合即检测”并且不需要借助与重金属离子的配位作用就能够检测碘离子,因此该方法具有快速、环保以及操作简便等优点。     

叶绿素荧光分析技术在野生植物响应多环芳烃（菲）胁迫的应用研究

以叶绿素荧光分析为技术手段，通过研究土壤中多环芳烃（菲）胁迫对野生大豆叶绿素荧光特性以及光能分配参数的影响。结果表明：土壤菲胁迫降低了PSⅡ反应中心活性和电子传递能力，导致其光能利用能力降低。200 mg·kg-1菲胁迫促使F_v/F_m，q_P，ETR和NPQ的发生变化，降低了光合电子传递链上的电子传递能力和光合反应活性；在不同光强的调控下，土壤菲胁迫浓度的增大使得大豆幼苗叶片叶绿素荧光响应曲线Ф_PSⅡ和q_P参数呈现降低趋势，NPQ的上调启动了叶黄素循环途径耗散过剩的辐射激发能，以维持光合机构的正常生理功能。土壤菲胁迫下野生大豆叶片的F_m，F_v/F_m，F_v/Fo和PI_ABS等参数均随着菲含量的增加而降低，即土壤菲胁迫抑制了野生大豆叶片的PSⅡ光化学活性。通过对PSⅡ电子供体侧和受体侧的电子供应及传递能力的研究发现，土壤菲胁迫下野生大豆叶片OJIP曲线上0.3 ms时(即K点)的荧光强度增加，即放氧复合体(OEC)活性降低。土壤菲胁迫还导致OJIP曲线上J点和I点荧光强度的增加，说明土壤菲胁迫导致了野生大豆叶片PSⅡ受体侧电子接受能力的降低，使电子由Q_A向Q_B传递受阻。野生大豆叶片的光能吸收和分配参数也明显受到土壤菲胁迫的影响；随着土壤菲浓度的增加野生大豆叶片PSⅡ反应中心吸收光能用于Q-_A以后的电子传递能量比例和单位反应中心捕获用于电子传递的能量降低，即吸收的光能用于光化学反应的比例降低。因此，土壤菲胁迫下导致PSⅡ电子供体侧OEC的损伤和PSⅡ电子受体侧电子传递能力的降低，以及光能分配利用的改变均是导致其PSⅡ反应中心的活性降低的重要原因。研究结果表明，以叶绿素荧光分析技术可为环境中多环芳烃（菲）胁迫对植物光合作用的影响机理研究提供指导。