高光谱成像系统：辣椒早疫病潜育期的光谱特性判别方法

辣椒早疫病是影响辣椒安全生长的常见生物灾害，具有突发性和易感性等特点，容易引发大的经济损失。在辣椒生长过程中，针对病害潜育期侵染情况进行科学监测预警是保证作物健康生长的重要前提。传统的病害检测方法是依靠肉眼对明显病症的观察，但受作物种植面积'产量等因素影响，加上早疫病流行迅速导致很难控制病害的发展。因此，对辣椒早疫病潜育期进行检测识别能够及时指导病害防治，在作物感染发病之前控制病情预防病害传播，对作物生长具有重大指导意义。

01实验内容

以辣椒叶片为研究对象，通过高光谱成像仪连续动态监测离体辣椒叶片早疫病的侵染情况并获取对应的高光谱图像，选取整个叶片表面为感兴趣区域，并提取感兴趣区的平均光谱，获取不同采集时间的健康与接种样本平均光谱曲线。

图1基于光谱特性的作物病害潜育期高光谱图像判别流程图

02结果

遵循作物病害侵染的一般过程，为了使得监测图像覆盖整个病害潜育期，高光谱图像实行连续动态采集。为了综合考虑整个叶片在接种前后的光谱变化，将整个叶片在400~1000nm光谱范围内的光谱反射率按256个波段分别取平均后，得到整个叶片的平均光谱曲线，有效减少叶片表面的偶然误差。

图2感兴趣区域选择流程图

图3健康与接种样本的平均光谱随时间的演变趋势

（a）健康组（b）感染组

从图3(a)可以看出，随着时间推移，健康组辣椒叶片平，均光谱曲线在760~1000nm范围内存在明显分离，叶片的平均光谱反射率整体逐渐下降，主要由于叶片在离体培养后导致细胞代谢缓慢，出现失水现象。健康组叶片在其他波段范围内的整体光谱曲线较为密集重合，说明在动态监测期间内，健康组叶片生理状态较为稳定。

图3(b)接种组叶片在：500~670、680-760及760-1000nm波长范围内的平均光谱曲线存在明显差异，表明随着接种时间的推移接种组叶片的生理活性一直波动，在一定程度上也说明了接种的有效性。其中，接种叶片光谱曲线随着采集时间在500~670nm范围内逐步分离，且平均光谱反射率逐渐增大，主要是因为病原菌侵染导致叶片细胞中叶绿素'叶黄素等色素含量下降，对光的吸收减弱，光谱反射率增加680~760nm属于可见光与近红外区域的交接处，为绿色植物的,红边位置，是描述植物色素状态和健康状况的重要指示波段。在该波段范围内，植物的光谱反射率增长最快。

通常情况下，植物生长状态越好，红边位置会出现,红移；反之，则会蓝移，此时可看出接种组样本随着接种时间的推移，红边逐渐发生左移即蓝移。由图3可见，与健康作物的平均光谱曲线相比，感染植物的平均光谱曲线会发生不同程度的变化，这为利用光谱特性进行作物病害潜育期最早可识别时间判别提供了可能性。当然，仅从样本在采集时段的平均光谱曲线整体变化趋势上无法直接得出病害潜育期最早可识别时间，需要合适的测度方法对光谱曲线之间的差异性进行深度挖掘。

表1 样本 RGB 图像和主成分分布可视化图像随采集时间的变化

推荐：

便携式高光谱成像系统iSpecHyper-VS1000

专门用于公安刑侦、物证鉴定、医学医疗、精准农业、矿物地质勘探等领域的最新产品，主要优势具有体积小、帧率高、高光谱分辨率高、高像质等性价比特点采用了透射光栅内推扫原理高光谱成像，系统集成高性能数据采集与分析处理系统，高速USB3.0接口传输，全靶面高成像质量光学设计，物镜接口为标准C-Mount，可根据用户需求更换物镜。

审核编辑 黄宇