光谱成像技术应用于植物病害早期检测
2019-04-17 来源:本站 点击次数:7065
植物在病原物的侵害影响下生理机能失调、组织结构受到破坏，是寄主植物和病原物相互作用的结果。
植物受到病害的侵染过程分为侵入期、潜育期、发病期。其中潜育期短的几天，长的可达一年。肉眼观察到叶片病斑时已经是发病期。如何在潜育期尽早识别，解决在变量施药过程中定位喷雾和喷洒剂量的问题是精准施药的核心难题。通过对农作物早期病害的监测预警进行及早干预、针对防治，在提高产量的同时降低农药施放量减少环境污染，实现环境安全型农业。同时，植物病害早期检测的研究，不但可以增加人们应对病害来临的时间，将病害消灭在萌芽阶段，尽可能的减少农作物损失，保证农产品的品质。还可以大幅度的减少农药化肥的使用量，让农产品更加的绿色安全。鉴于此，早期植物病害检测成为精准农业、生态健康的重要课题。
传统的通过肉眼识别经验评估病害已经远远不能满足需求，而一般的实验室检测费时费力。光谱成像技术具有高通量（可大范围快速检测）、非接触非损伤、高灵敏度（可以早起检测诊断）、可视化与数字化等特点，已成为植物病害检测的热点前沿技术。
易科泰生态技术公司致力于光谱成像技术创新应用，提供植物病害早期检测光谱成像全面解决方案：
FluorCam叶绿素荧光成像/多光谱荧光成像技术
FluorCam叶绿素荧光成像技术作为植物光合作用的非损伤性2D探针，最早应用于植物病害检测及表型分析研究等。下图研究结果引自早期的两篇学术论文“J Soukupova, et al. Early detection of biotic and abiotic stress by kinetic imaging of chlorophyll fluorescence, 2001.”和“J Kim, et al. In vivo monitoring of the incorporation of chemicals into Cucumber and Rice leaves by chlorophyll fluorescenc imaging, 2002”
多光谱荧光成像是在FluorCam叶绿素荧光成像技术基础上，采用UV紫外光（320nm -400nm）激发多光谱荧光成像技术，既可用于叶绿素荧光动态成像分析，还可对F440、F520、F690、F740四个波段的植物荧光成像分析，成为近几年来植物病害检测研究最受追捧的技术。
Specim高光谱成像技术
高光谱成像技术可以非损伤、高通量采集植物二维空间信息和光谱信息，通过植物“光谱指纹”灵敏反映植物表型信息、病害信息等，近几年来已成为一种新的广泛应用的作物检测技术，用于作物病害检测诊断、养分检测、生长状态监测及食品质量检测等。Specim高光谱成像技术不仅可以检测植物健康或者受到的病害，还可以进一步对植物病害的种类进行鉴别、严重程度进行分级、病害时期进行判断。Specim IQ智能手持式高光谱仪还可以创建病害检测模型和App，从而实现快速、高通量野外作物病害检测的目的。下图研究结果引自“J Behmann, et al. Specim IQ: Evaluation of a new, miniaturized handheld hyperspectral camera and its application for plant phenotyping and disease detection, 2018”
Thermo-RGB红外热成像技术
植物胁迫、气孔导度动态都会引起温度变化，红外热成像技术可以高灵敏度（温度灵敏度可以达到0.015摄氏度）、高通量、非损伤快速检测植物温度时空动态变化，成为植物病害检测的有力工具之一。Thermo-RGB红外热成像技术将红外热成像与RGB成像融合分析，可以精确区分阳光照射叶片（Sunlit leaves）、阴影叶片、土壤等不同层次的覆盖度和温度，并可精准进行ROI选区分析、频率直方图、颜色分析等。
应用案例：
案例一：西班牙科尔多瓦CSIC可持续农业研究所研究人员利用FluorCam多光谱荧光成像、红外热成像、RGB成像对感染O. cumana的向日葵叶片进行早期诊断。同时还可以检测对O. cumana的应激反应，进而来实现向日葵品系的快速表型分析。
上图为接种O. cumana向日葵和未接种（对照）植株的叶片的温度变化。（A）两种处理的叶温的平均测量值。（B）接种后2.5周和对照植株的前两对叶片的RGB成像图和热成像图。
下图左为接种O. cumana向日葵和未接种（对照）植株在整个叶发育过程中的多光谱荧光参数F440（A），F520（B），F440 / F520（C）和F440 / F680（D）平均值。上图右为8日龄叶片的各个参数荧光图像。
案例二：德国莱布尼茨农业工程研究所研究人员利用FluorCam叶绿素荧光成像与Specim高光谱成像对感染镰刀菌的小麦穗早期症状进行检测。超过疾病严重程度5％（6 dai）的感染限度，叶绿素荧光成像可靠地识别感染的麦穗。高光谱成像在接种后7天容易检测到病症，直至疾病严重程度为50％。
上图为累积Fv / Fm值（％），（a）在单个麦穗的枯萎病发展的不同时期（b）在11天的不同感染水平下麦穗的Fv / Fm值的平均累积百分比。
上图为不同感染时间麦穗的高光谱成像图，绿色：健康组织；红色：患病组织。
案例三：波兰科学院农业科学研究所研究人员利用Specim高光谱成像与红外热成像对油菜感染链格孢属Alternaria真菌，宿主（Alternaria alternata，Alternaria brassicae和Alternaria brassicicola）和非寄主（Alternaria dauci）病原体，引起的生物胁迫进行早期检测。
上图左为在接种（Alternaria brassicae）3天（左）和7天（右）油菜叶的热成像图及叶片温度分布的频率直方图；上右图为接种链格孢（Alternaria alternata）油菜叶的高光谱成像图与光谱曲线。
北京易科泰生态技术公司提供植物病害早期检测全面技术方案：
FluorPen、FluorCam叶绿素荧光/多光谱荧光技术
SpectraPen/PolyPen、Specim高光谱测量技术
Thermo-RGB红外热成像技术
多功能植物病害检测集成方案
PlantScreen植物高通量表型成像分析平台
EcoDrone无人机遥感技术方案
植物受到病害的侵染过程分为侵入期、潜育期、发病期。其中潜育期短的几天，长的可达一年。肉眼观察到叶片病斑时已经是发病期。如何在潜育期尽早识别，解决在变量施药过程中定位喷雾和喷洒剂量的问题是精准施药的核心难题。通过对农作物早期病害的监测预警进行及早干预、针对防治，在提高产量的同时降低农药施放量减少环境污染，实现环境安全型农业。同时，植物病害早期检测的研究，不但可以增加人们应对病害来临的时间，将病害消灭在萌芽阶段，尽可能的减少农作物损失，保证农产品的品质。还可以大幅度的减少农药化肥的使用量，让农产品更加的绿色安全。鉴于此，早期植物病害检测成为精准农业、生态健康的重要课题。
易科泰生态技术公司致力于光谱成像技术创新应用，提供植物病害早期检测光谱成像全面解决方案：
- FluorCam叶绿素荧光成像技术/多光谱荧光成像技术
- Specim高光谱成像技术
- Thermo-RGB红外热成像技术
FluorCam叶绿素荧光成像技术作为植物光合作用的非损伤性2D探针，最早应用于植物病害检测及表型分析研究等。下图研究结果引自早期的两篇学术论文“J Soukupova, et al. Early detection of biotic and abiotic stress by kinetic imaging of chlorophyll fluorescence, 2001.”和“J Kim, et al. In vivo monitoring of the incorporation of chemicals into Cucumber and Rice leaves by chlorophyll fluorescenc imaging, 2002”
高光谱成像技术可以非损伤、高通量采集植物二维空间信息和光谱信息，通过植物“光谱指纹”灵敏反映植物表型信息、病害信息等，近几年来已成为一种新的广泛应用的作物检测技术，用于作物病害检测诊断、养分检测、生长状态监测及食品质量检测等。Specim高光谱成像技术不仅可以检测植物健康或者受到的病害，还可以进一步对植物病害的种类进行鉴别、严重程度进行分级、病害时期进行判断。Specim IQ智能手持式高光谱仪还可以创建病害检测模型和App，从而实现快速、高通量野外作物病害检测的目的。下图研究结果引自“J Behmann, et al. Specim IQ: Evaluation of a new, miniaturized handheld hyperspectral camera and its application for plant phenotyping and disease detection, 2018”
植物胁迫、气孔导度动态都会引起温度变化，红外热成像技术可以高灵敏度（温度灵敏度可以达到0.015摄氏度）、高通量、非损伤快速检测植物温度时空动态变化，成为植物病害检测的有力工具之一。Thermo-RGB红外热成像技术将红外热成像与RGB成像融合分析，可以精确区分阳光照射叶片（Sunlit leaves）、阴影叶片、土壤等不同层次的覆盖度和温度，并可精准进行ROI选区分析、频率直方图、颜色分析等。
应用案例：
案例一：西班牙科尔多瓦CSIC可持续农业研究所研究人员利用FluorCam多光谱荧光成像、红外热成像、RGB成像对感染O. cumana的向日葵叶片进行早期诊断。同时还可以检测对O. cumana的应激反应，进而来实现向日葵品系的快速表型分析。
下图左为接种O. cumana向日葵和未接种（对照）植株在整个叶发育过程中的多光谱荧光参数F440（A），F520（B），F440 / F520（C）和F440 / F680（D）平均值。上图右为8日龄叶片的各个参数荧光图像。
案例二：德国莱布尼茨农业工程研究所研究人员利用FluorCam叶绿素荧光成像与Specim高光谱成像对感染镰刀菌的小麦穗早期症状进行检测。超过疾病严重程度5％（6 dai）的感染限度，叶绿素荧光成像可靠地识别感染的麦穗。高光谱成像在接种后7天容易检测到病症，直至疾病严重程度为50％。
案例三：波兰科学院农业科学研究所研究人员利用Specim高光谱成像与红外热成像对油菜感染链格孢属Alternaria真菌，宿主（Alternaria alternata，Alternaria brassicae和Alternaria brassicicola）和非寄主（Alternaria dauci）病原体，引起的生物胁迫进行早期检测。
北京易科泰生态技术公司提供植物病害早期检测全面技术方案：
FluorPen、FluorCam叶绿素荧光/多光谱荧光技术
SpectraPen/PolyPen、Specim高光谱测量技术
Thermo-RGB红外热成像技术
多功能植物病害检测集成方案
PlantScreen植物高通量表型成像分析平台
EcoDrone无人机遥感技术方案
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