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光譜成像技術應用于植物病害早期檢測

光譜成像技術應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能失調、組織結構受到破壞,是寄主植物和病原物相互作用的結果。

植物受到病害的侵染過程分為侵入期、潛育期、發病期。其中潛育期短的幾天,長的可達一年。肉眼觀察到葉片病斑時已經是發病期。如何在潛育期盡早識別,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施藥的核心難題。通過對農作物早期病害的監測預警進行及早干預、針對防治,在提高產量的同時降低農藥施放量減少環境污染,實現環境安全型農業。同時,植物病害早期檢測的研究,不但可以增加人們應對病害來臨的時間,將病害消滅在萌芽階段,盡可能的減少農作物損失,保證農產品的品質。還可以大幅度的減少農藥化肥的使用量,讓農產品更加的綠色安全。鑒于此,早期植物病害檢測成為精準農業、生態健康的重要課題。

傳統的通過肉眼識別經驗評估病害已經遠遠不能滿足需求,而一般的實驗室檢測費時費力。光譜成像技術具有高通量(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)、可視化與數字化等特點,已成為植物病害檢測的熱點前沿技術。

易科泰生態技術公司致力于光譜成像技術創新應用,提供植物病害早期檢測光譜成像全面解決方案:

?? FluorCam葉綠素熒光成像技術/多光譜熒光成像技術

?? Specim高光譜成像技術

?? Thermo-RGB紅外熱成像技術

FluorCam葉綠素熒光成像/多光譜熒光成像技術

FluorCam葉綠素熒光成像技術作為植物光合作用的非損傷性2D探針,最早應用于植物病害檢測及表型分析研究等。下圖研究結果引自早期的兩篇學術論文“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葉綠素熒光成像技術基礎上,采用UV紫外光(320nm -400nm)激發多光譜熒光成像技術,既可用于葉綠素熒光動態成像分析,還可對F440、F520、F690、F740四個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最受追捧的技術。

Specim高光譜成像技術

高光譜成像技術可以非損傷、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用的作物檢測技術,用于作物病害檢測診斷、養分檢測、生長狀態監測及食品質量檢測等。Specim高光譜成像技術不僅可以檢測植物健康或者受到的病害,還可以進一步對植物病害的種類進行鑒別、嚴重程度進行分級、病害時期進行判斷。Specim IQ智能手持式高光譜儀還可以創建病害檢測模型和App,從而實現快速、高通量野外作物病害檢測的目的。下圖研究結果引自“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

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

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應用案例:

案例一:西班牙科爾多瓦CSIC可持續農業研究所研究人員利用FluorCam多光譜熒光成像紅外熱成像RGB成像對感染O. cumana的向日葵葉片進行早期診斷。同時還可以檢測對O. cumana的應激反應,進而來實現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周和對照植株的前兩對葉片的RGB成像圖和熱成像圖。

?? 下圖左為接種O. cumana向日葵和未接種(對照)植株在整個葉發育過程中的多光譜熒光參數F440(A),F520(B),F440 / F520(C)和F440 / F680(D)平均值。上圖右為8日齡葉片的各個參數熒光圖像。

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案例二:德國萊布尼茨農業工程研究所研究人員利用FluorCam葉綠素熒光成像Specim高光譜成像對感染鐮刀菌的小麥穗早期癥狀進行檢測。超過疾病嚴重程度5%(6 dai)的感染限度,葉綠素熒光成像可靠地識別感染的麥穗。高光譜成像在接種后7天容易檢測到病癥,直至疾病嚴重程度為50%。

上圖為累積Fv / Fm值(%),(a)在單個麥穗的枯萎病發展的不同時期(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。

上圖為不同感染時間麥穗的高光譜成像圖,綠色:健康組織;紅色:患病組織。

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案例三:波蘭科學院農業科學研究所研究人員利用Specim高光譜成像紅外熱成像對油菜感染鏈格孢屬Alternaria真菌,宿主(Alternaria alternataAlternaria brassicaeAlternaria brassicicola)和非寄主(Alternaria dauci)病原體,引起的生物脅迫進行早期檢測。

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。

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北京易科泰生態技術公司提供植物病害早期檢測全面技術方案:

2? FluorPen、FluorCam葉綠素熒光/多光譜熒光技術

2? SpectraPen/PolyPen、Specim高光譜測量技術

2? Thermo-RGB紅外熱成像技術

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

2? EcoDrone無人機遙感技術方案

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