小型手持智能型高光譜相機如何精準(zhǔn)進行植物表型鑒定和病害檢測？

導(dǎo)讀 

    高光譜成像傳感器是近幾年研究用于監(jiān)測不同環(huán)境中農(nóng)作物和植被的有效工具。植物的生理學(xué)，形態(tài)學(xué)或生物化學(xué)信息可以通過非接觸的方式以及不同尺度下評估。例如，利用高光譜傳感器用于植物表型分析或精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)中的生理脅迫研究。截至目前，市面上有各種非成像和成像高光譜傳感器可供選擇，這些儀器進行測量的過程相當(dāng)復(fù)雜。因此，現(xiàn)代化檢測及研究中對易于用戶操作的高光譜傳感器的需求日益增加。芬蘭最新發(fā)布的一款新型小型手持式智能型高光譜相機——SPECIM IQ，就是基于用戶的現(xiàn)代化便攜操作而設(shè)計的。SPECIM IQ的機身小巧輕便，只有1.3kg，實現(xiàn)輕松手持操作；同時在相機中直接集成了操作控制系統(tǒng)，通過相機自帶的觸摸屏就可實時實現(xiàn)基本數(shù)據(jù)的采集和分析過程（如預(yù)處理和分類例程），實現(xiàn)智能化操作。便攜手持、現(xiàn)場實時快速檢測、全自動智能分析、高質(zhì)量數(shù)據(jù)，相信 SPECIM IQ 如此多的現(xiàn)代化特征會讓您的高光譜研究更加得心應(yīng)手！

    以下我們將SPECIM IQ采集的高光譜數(shù)據(jù)與已經(jīng)十分成熟高光譜成像儀技術(shù)SPECIM V10E 進行定性對比，發(fā)現(xiàn)SPECIM IQ便攜手持的設(shè)計并未影響到相機的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性，一致地獲得了高質(zhì)量高光譜數(shù)據(jù)。同時，手持智能型SPECIM IQ還可以實現(xiàn)對植物表型的鑒定以及病害研究檢測等，在植物科學(xué)研究及其他領(lǐng)域具有無限可能。

1、手持智能型高光譜相機SPECIM IQ與SPECIM V10E的定性對比

    通過與性能卓越的SPECIM V10E相機對比，我們評估了新型SPECIM IQ的成像質(zhì)量。SPECIM V10E在推掃式高光譜相機領(lǐng)域是一款具有代表性且廣受好評的產(chǎn)品，與SPECIM IQ具有相同的光譜范圍（400-1000nm）。在實驗過程中，通過采用4倍的光譜合并，達(dá)到與SPECIM IQ相似的光譜采集，共有211個波段，每行數(shù)據(jù)具有1600個像素。研究人員利用兩款設(shè)備分別在室內(nèi)（鹵素?zé)艄庠矗┖褪彝猓ㄗ匀还夤庠矗哂胁煌伾臉颖荆杭埰途垡蚁┠z片，進行了高光譜數(shù)據(jù)采集和對比。

 圖1 智能型高光譜相機SPECIM IQ（207mm*91mm*74mm） 

    經(jīng)過對比，得到如圖2所示結(jié)果。對相同樣本，兩款設(shè)備采集的光譜形狀高度重合：實驗室的平均值是0.009，室外平均值為0.043。SPECIM IQ和SPECIM V10E的平均標(biāo)準(zhǔn)偏差分別為室內(nèi)（0.017和0.021）和室外相同（0.029和0.029），但SPECIM IQ更為均，SPECIM V10E在光譜邊界處具有更高的噪聲水平（400 -450nm和400-450nm）900-1000nm，見圖2）。研究表明，除了925-970nm范圍內(nèi)的大氣水汽吸收帶之外，周圍光譜的原始信號較弱，導(dǎo)致反射信號的快速增加。

圖2 平均光譜包含綠色紙片（A）和紫色聚乙烯片（B）的標(biāo)準(zhǔn)差，C表示室內(nèi)測試的不同顏色的樣本  

圖3 室外數(shù)據(jù)的光譜對比（A-D）：綠色紙片、暗黃色紙片、紫色聚乙烯膠片以及藍(lán)色聚乙烯膠片

2、手持智能型高光譜相機SPECIM IQ對擬南芥的生理脅迫研究

    通過植被指數(shù)可評估不同狀態(tài)下植被的生理結(jié)構(gòu)和功能特性，包括生物量、冠層結(jié)構(gòu)、葉面積指數(shù)、葉綠素含量以及植物冠層的光利用效率等。研究人員利用SPECIM IQ對擬南芥的兩個變種在脅迫狀態(tài)下的生理狀態(tài)分別進行了研究。由于缺乏PsbS蛋白質(zhì)和紫黃質(zhì)脫環(huán)氧化酶，擬南芥的變種樣本對光能量利用能力減弱（非光化學(xué)淬滅），但在室溫條件下可正常發(fā)育，在高光照條件下，突變體可能受光損傷，這些都是肉眼無法察覺的。利用SPECIM IQ對18個樣本進行數(shù)據(jù)采集，并對所采集的數(shù)據(jù)進行植被指數(shù)計算，在此基礎(chǔ)上，對樣本的葉綠素含量和類胡蘿卜素轉(zhuǎn)化的敏感程度進行了評估（圖4）。 

圖4  在非脅迫適應(yīng)（NSA）和脅迫適應(yīng)（SA）擬南芥野生型（Col-0）和PQ缺陷突變體（npq1和npq4）之間觀察到的差異。 左側(cè)面板顯示選定感興趣區(qū)域的假彩色圖像（A）; NDVI（C）; REIP（E）; 和由SPECIM IQ采集數(shù)據(jù)計算的PRI（G）。 右側(cè)面板顯示計算出的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差（B）; NDVI（D）; REIP（F）; 和PRI（H）從三個單獨的植物隨機分布在成像框架，不同的字母表示基于LSD的顯著差異（a = 0.05）。 

    研究表明，SPECIM IQ可用于擬南芥中葉綠素（NDVI）和葉黃素（PRI）的含量的檢測，并能精確評估植株樣本的狀態(tài)。通過驗證具有代表性的植被指數(shù)，可為其它植被指數(shù)的評估計算提供樣例，并為在植被研究領(lǐng)域獲得更多生理信息奠定了基礎(chǔ)。

3、手持智能型高光譜相機SPECIM IQ對大麥白粉病的研究 

    高光譜成像作為非接觸式的測量傳感器，在植物疾病嚴(yán)重程度與宿主植物對特定植物病原體的易感性的評估方面有很大的應(yīng)用。本研究利用SPECIM IQ評估了不同大麥品種在冠層尺度上的白粉病嚴(yán)重程度，并對品種Milford和Tocada進行了4個和7個不同的白粉病易感性等級的比較。研究準(zhǔn)確地檢測了兩個品種的白粉病癥狀，并通過高光譜成像結(jié)合數(shù)據(jù)分析方法評估品種的不同疾病嚴(yán)重程度。

    研究人員利用SPECIM IQ對在溫室中培養(yǎng)的360個大麥植物樣本（穩(wěn)定的漫射光條件下培養(yǎng)）進行檢測，并使用的白色參考板（見圖5）和SPECIM IQ的內(nèi)置功能對高光譜數(shù)據(jù)進行歸一化。研究人員利用SPECIM IQ Studio的光譜角匹配方法（SAM）進行感染檢測并與支持向量機分類（SVM）方法進行對比，檢測到上部葉中具有類似病狀的區(qū)域。

圖5 使用光譜角匹配（SAM）和支持向量機（SVM）對白粉病進行分類，圖像左側(cè)包含白色參考面板

    研究表明，大麥白粉病的樣本檢測到的疾病癥狀分別為所有植物像素的25.8％和4.4％，而健康部分只有2.0％和2.2％?，F(xiàn)有的錯誤分類主要是白色參考邊界處（看起來像葉面上的白色菌絲體）混合像素的影響。為了消除這種系統(tǒng)偏差，通過減去錯誤分類像素量來確定疾病嚴(yán)重程度，預(yù)測分析的品種的2.2％至23.7％的強烈差異。因此，SPECIM IQ可用來測量評估復(fù)雜冠層的疾病嚴(yán)重性，控制光源照明條件保證高信號質(zhì)量，此項研究也證明SPECIM IQ空間分辨率足以確定大麥葉片上的單一癥狀。

4、總結(jié)

    手持智能型SPECIM IQ相機在植物生理和病害檢測中具有巨大潛力。通過SPECIM IQ與SPECIM V10E室內(nèi)和室外環(huán)境中對不同材質(zhì)色卡輻射測量評估，得到兩者的光譜特性高度一致性。根據(jù)植被指數(shù)分析得到的結(jié)果表明手持智能型SPECIM IQ在植物研究和表型分型策略的背景下的應(yīng)用潛力：對于白粉病的評估，表明SPECIM IQ具有足夠的測量能力，并且與SVM相結(jié)合，在量化中對視覺評估的高度一致性。

    作為最新智能型的高光譜相機設(shè)備，手持式SPECIM IQ除具有高精度的數(shù)據(jù)質(zhì)量外，其設(shè)備本身具有高緊湊性、可移動性強和快速集成處理能力，為科技新領(lǐng)域的應(yīng)用創(chuàng)造了有利條件。手持智能型SPECIM IQ的發(fā)布讓高光譜傳感器技術(shù)以實驗室設(shè)備的質(zhì)量水平傳輸?shù)綔厥液同F(xiàn)場，而無需任何載體平臺或控制和存儲設(shè)備，因此，該款設(shè)備的誕生無疑可以支持各個場景下的不同應(yīng)用，并推動現(xiàn)代高光譜技術(shù)在更多領(lǐng)域的發(fā)展和影響。