光譜成像技術(shù)應(yīng)用于植物病害早期檢測

植物在病原物的侵害影響下生理機(jī)能失調(diào)、組織結(jié)構(gòu)受到破壞，是寄主植物和病原物相互作用的結(jié)果。

植物受到病害的侵染過程分為侵入期、潛育期、發(fā)病期。其中潛育期短的幾天，長的可達(dá)一年。肉眼觀察到葉片病斑時(shí)已經(jīng)是發(fā)病期。如何在潛育期盡早識(shí)別，解決在變量施藥過程中定位噴霧和噴灑劑量的問題是精準(zhǔn)施藥的核心難題。通過對(duì)農(nóng)作物早期病害的監(jiān)測預(yù)警進(jìn)行及早干預(yù)、針對(duì)防治，在提高產(chǎn)量的同時(shí)降低農(nóng)藥施放量減少環(huán)境污染，實(shí)現(xiàn)環(huán)境安全型農(nóng)業(yè)。同時(shí)，植物病害早期檢測的研究，不但可以增加人們應(yīng)對(duì)病害來臨的時(shí)間，將病害消滅在萌芽階段，盡可能的減少農(nóng)作物損失，保證農(nóng)產(chǎn)品的品質(zhì)。還可以大幅度的減少農(nóng)藥化肥的使用量，讓農(nóng)產(chǎn)品更加的綠色安全。鑒于此，早期植物病害檢測成為精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)、生態(tài)健康的重要課題。

傳統(tǒng)的通過肉眼識(shí)別經(jīng)驗(yàn)評(píng)估病害已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足需求，而一般的實(shí)驗(yàn)室檢測費(fèi)時(shí)費(fèi)力。光譜成像技術(shù)具有高通量（可大范圍快速檢測）、非接觸非損傷、高靈敏度（可以早起檢測診斷）、可視化與數(shù)字化等特點(diǎn)，已成為植物病害檢測的熱點(diǎn)前沿技術(shù)。

易科泰生態(tài)技術(shù)公司致力于光譜成像技術(shù)創(chuàng)新應(yīng)用，提供植物病害早期檢測光譜成像全面解決方案：

• FluorCam葉綠素?zé)晒獬上窦夹g(shù)/多光譜熒光成像技術(shù)
• Specim高光譜成像技術(shù)
• Thermo-RGB紅外熱成像技術(shù)

FluorCam葉綠素?zé)晒獬上?多光譜熒光成像技術(shù)

FluorCam葉綠素?zé)晒獬上窦夹g(shù)作為植物光合作用的非損傷性2D探針，最早應(yīng)用于植物病害檢測及表型分析研究等。下圖研究結(jié)果引自早期的兩篇學(xué)術(shù)論文“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”

多光譜熒光成像是在FluorCam葉綠素?zé)晒獬上窦夹g(shù)基礎(chǔ)上，采用UV紫外光（320nm -400nm）激發(fā)多光譜熒光成像技術(shù)，既可用于葉綠素?zé)晒鈩?dòng)態(tài)成像分析，還可對(duì)F440、F520、F690、F740四個(gè)波段的植物熒光成像分析，成為近幾年來植物病害檢測研究非常受追捧的技術(shù)。

Specim高光譜成像技術(shù)

高光譜成像技術(shù)可以非損傷、高通量采集植物二維空間信息和光譜信息，通過植物“光譜指紋”靈敏反映植物表型信息、病害信息等，近幾年來已成為一種新的廣泛應(yīng)用的作物檢測技術(shù)，用于作物病害檢測診斷、養(yǎng)分檢測、生長狀態(tài)監(jiān)測及食品質(zhì)量檢測等。Specim高光譜成像技術(shù)不僅可以檢測植物健康或者受到的病害，還可以進(jìn)一步對(duì)植物病害的種類進(jìn)行鑒別、嚴(yán)重程度進(jìn)行分級(jí)、病害時(shí)期進(jìn)行判斷。Specim IQ智能手持式高光譜儀還可以創(chuàng)建病害檢測模型和App，從而實(shí)現(xiàn)快速、高通量野外作物病害檢測的目的。下圖研究結(jié)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紅外熱成像技術(shù)

植物脅迫、氣孔導(dǎo)度動(dòng)態(tài)都會(huì)引起溫度變化，紅外熱成像技術(shù)可以高靈敏度（溫度靈敏度可以達(dá)到0.015攝氏度）、高通量、非損傷快速檢測植物溫度時(shí)空動(dòng)態(tài)變化，成為植物病害檢測的有力工具之一。Thermo-RGB紅外熱成像技術(shù)將紅外熱成像與RGB成像融合分析，可以精確區(qū)分陽光照射葉片（Sunlit leaves）、陰影葉片、土壤等不同層次的覆蓋度和溫度，并可精準(zhǔn)進(jìn)行ROI選區(qū)分析、頻率直方圖、顏色分析等。

應(yīng)用案例：

案例一：西班牙科爾多瓦CSIC可持續(xù)農(nóng)業(yè)研究所研究人員利用FluorCam多光譜熒光成像、紅外熱成像、RGB成像對(duì)感染O. cumana的向日葵葉片進(jìn)行早期診斷。同時(shí)還可以檢測對(duì)O. cumana的應(yīng)激反應(yīng)，進(jìn)而來實(shí)現(xiàn)向日葵品系的快速表型分析。

上圖為接種O. cumana向日葵和未接種（對(duì)照）植株的葉片的溫度變化。（A）兩種處理的葉溫的平均測量值。（B）接種后2.5周和對(duì)照植株的前兩對(duì)葉片的RGB成像圖和熱成像圖。

下圖左為接種O. cumana向日葵和未接種（對(duì)照）植株在整個(gè)葉發(fā)育過程中的多光譜熒光參數(shù)F440（A），F(xiàn)520（B），F(xiàn)440 / F520（C）和F440 / F680（D）平均值。上圖右為8日齡葉片的各個(gè)參數(shù)熒光圖像。

案例二：德國萊布尼茨農(nóng)業(yè)工程研究所研究人員利用FluorCam葉綠素?zé)晒獬上?/span>與Specim高光譜成像對(duì)感染鐮刀菌的小麥穗早期癥狀進(jìn)行檢測。超過疾病嚴(yán)重程度5％（6 dai）的感染限度，葉綠素?zé)晒獬上窨煽康刈R(shí)別感染的麥穗。高光譜成像在接種后7天容易檢測到病癥，直至疾病嚴(yán)重程度為50％。

上圖為累積Fv / Fm值（％），（a）在單個(gè)麥穗的枯萎病發(fā)展的不同時(shí)期（b）在11天的不同感染水平下麥穗的Fv / Fm值的平均累積百分比。

上圖為不同感染時(shí)間麥穗的高光譜成像圖，綠色：健康組織；紅色：患病組織。

案例三：波蘭科學(xué)院農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所研究人員利用Specim高光譜成像與紅外熱成像對(duì)油菜感染鏈格孢屬Alternaria真菌，宿主（Alternaria alternata，Alternaria brassicae和Alternaria brassicicola）和非寄主（Alternaria dauci）病原體，引起的生物脅迫進(jìn)行早期檢測。

上圖左為在接種（Alternaria brassicae）3天（左）和7天（右）油菜葉的熱成像圖及葉片溫度分布的頻率直方圖；上右圖為接種鏈格孢（Alternaria alternata）油菜葉的高光譜成像圖與光譜曲線。

北京易科泰生態(tài)技術(shù)公司提供植物病害早期檢測全面技術(shù)方案：

² FluorPen、FluorCam葉綠素?zé)晒?多光譜熒光技術(shù)

² SpectraPen/PolyPen、Specim高光譜測量技術(shù)

² Thermo-RGB紅外熱成像技術(shù)

² 多功能植物病害檢測集成方案

² PlantScreen植物高通量表型成像分析平臺(tái)

² EcoDrone無人機(jī)遙感技術(shù)方案