基于高光谱图像的生菜叶部病害检测方法研究

病原体对植物的侵入是一个长期的过程，在此过程中叶片的表皮油脂、细胞壁以及纤维素等会发生改变，植物的先天免疫系统也会促使叶片内部产生抗病性相关的酶、蛋白质、植保素等分子有机质的变化。目前，高光谱技术的灵敏度已经达到了单分子层级,因此这些微观层面的变化均能够对高光谱的光谱特征产生影响。同时病害侵染具有较强的阶段性，在侵入期以及病原体成为宿主的共生期植物病害特征具有显著的变化,因此分析这些病害特征对光谱特性产生的影响，寻找两者之间的相关性，有利于建立光谱和病害之间的表征关系，从而实现对各类病害及病期的准确检测。

一、实验材料

生菜俗称叶用莴苣，是菊科莴苣属植物，最早由欧洲的地中海地区传入中国。因其既具有药用价值又具有食用价值，在国内迅速得到广泛种植。春季和秋季是生菜受病害感染的高发季节，病原体潜伏越冬后通过土壤以及施肥等途径进入叶片受损的薄弱部位，在建立寄生关系后，逐步破坏叶片内部的健康组织。

本实验所用病害生菜样本采摘自某果蔬种植基地。选择大小8cm×12cm左右的叶片进行采摘，对采摘的病变叶片按病害类别和病害周期进行分类。下图为采集到的部分生菜实验样本。

二、实验设备

光谱仪是一种以透射光栅为分光元件的成像光谱仪，通过将这种成像光谱仪附加到CMOS相机前，可通过空间扫描获得目标物的影像和连续的光谱信息。彩谱FigSpec®系列成像高光谱相机采用高衍射效率的透射式光栅分光模组与高灵敏度面阵列相机、结合内置扫描成像及辅助摄像头技术，解决了传统高光谱相机需外接推扫成像机构及调焦复杂等难以操作的问题。可与标准C接口的成像镜头或显微镜直接集成，实现光谱影像的快速采集。

三、病害胁迫下生菜微观结构

生菜叶片的表皮组织主要有气孔和表皮细胞。侵染病毒的孢子主要通过气孔进入到叶片的内部细胞组织中，随着侵害程度的演化，植物体的抗病性导致细胞壁发生相应的变化，(木质素等沉淀加厚细胞壁，抵御病毒侵入)因此叶片表面气孔的破坏程度以及细胞壁的变化情况与病害发展的关联性较强。实验中主要针对气孔和细胞壁这2个特征指标进行研究，下图分别为健康、炭疽初期和炭疽中期生菜叶片的表皮细胞和气泡的微结构图。

四、生菜叶片病害检测机理分析

当生菜叶片受到外部光源照射时，其内部的基团和大分子吸收某些频率的射线，并由振动运动或转动运动引起偶极矩的净变化，分子由于振动能量的驱使从基态跃迁到激发态，然而激发态是一种不稳定的状态，最终分子将回归基态，回归过程中会释放掉吸收的能量。绿叶类植物的能量部分通过热能、光的方式释放，部分通过其他的能量形式散逸掉，因此反射光的能量比激发光的能量弱，波长比激发光的波长要长。叶片内部组织微结构的变化直接导致分子能量键结构发生改变从而对照射光的吸收特性产生影响，对光谱特征的影响可以通过光谱曲线进行描述。下图是利用高光谱图像技术对健康叶片、炭疽病初期及中期叶片进行高光谱图像采集实验后得到的叶片反射光谱强度曲线图。

从上图可以看出各病害阶段的光谱反射强度曲线在形态上具有一致性，这说明虽然防御系统导致了抗病性有机质的增加，但是这些有机质并未改变叶片内基团分子键结构的