小型手持智能型高光譜相機如何進行植物表型鑒定和病害檢測？

導讀 

    高光譜成像傳感器是近幾年研究用于監測不同環境中農作物和植被的有效工具。植物的生理學，形態學或生物化學信息可以通過非接觸的方式以及不同尺度下評估。例如，用高光譜傳感器用于植物表型分析或農業中的生理脅迫研究。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復雜。因此，現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。芬蘭發布的款新型小型手持式智能型高光譜相機——SPECIM IQ，就是基于用戶的現代化便攜操作而設計的。SPECIM IQ的機身小巧輕便，只有1.3kg，實現輕松手持操作；同時在相機中直接集成了操作控制系統，通過相機自帶的觸摸屏就可實時實現基本數據的采集和分析過程（如預處理和分類例程），實現智能化操作。便攜手持、現場實時快速檢測、全自動智能分析、高質量數據，相信 SPECIM IQ 如此多的現代化征會讓您的高光譜研究更加得心應手！

    以下我們將SPECIM IQ采集的高光譜數據與已經十分成熟高光譜成像儀技術SPECIM V10E 進行定性對比，發現SPECIM IQ便攜手持的設計并未影響到相機的數據準確性，致地獲得了高質量高光譜數據。同時，手持智能型SPECIM IQ還可以實現對植物表型的鑒定以及病害研究檢測等，在植物科學研究及其他域具有無限可能。

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

    通過與性能的SPECIM V10E相機對比，我們評估了新型SPECIM IQ的成像質量。SPECIM V10E在推掃式高光譜相機域是款具有代表性且*的產品，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，達到與SPECIM IQ相似的光譜采集，共有211個波段，每行數據具有1600個像素。研究人員用兩款設備分別在室內（鹵素燈光源）和室外（自然光光源）對具有不同顏色的樣本：紙片和聚乙烯膠片，進行了高光譜數據采集和對比。

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

    經過對比，得到如圖2所示結果。對相同樣本，兩款設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的平均標準偏差分別為室內（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范圍內的大氣水汽吸收帶之外，周圍光譜的原始信號較弱，導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）的標準差，C表示室內測試的不同顏色的樣本  

圖3 室外數據的光譜對比（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

    通過植被指數可評估不同狀態下植被的生理結構和功能性，包括生物量、冠層結構、葉面積指數、葉綠素含量以及植物冠層的光用效率等。研究人員用SPECIM IQ對擬南芥的兩個變種在脅迫狀態下的生理狀態分別進行了研究。由于缺乏PsbS蛋白質和紫黃質脫環氧化酶，擬南芥的變種樣本對光能量用能力減弱（非光化學淬滅），但在室溫條件下可正常發育，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。用SPECIM IQ對18個樣本進行數據采集，并對所采集的數據進行植被指數計算，在此基礎上，對樣本的葉綠素含量和類胡蘿卜素轉化的敏感程度進行了評估（圖4）。 

圖4  在非脅迫適應（NSA）和脅迫適應（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。 左側面板顯示選定感興趣區域的假彩色圖像（A）; NDVI（C）; REIP（E）; 和由SPECIM IQ采集數據計算的PRI（G）。 右側面板顯示計算出的平均值和標準差（B）; NDVI（D）; REIP（F）; 和PRI（H）從三個單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，并能評估植株樣本的狀態。通過驗證具有代表性的植被指數，可為其它植被指數的評估計算提供樣例，并為在植被研究域獲得更多生理信息奠定了基礎。

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，在植物疾病嚴重程度與宿主植物對定植物病原體的易感性的評估方面有很大的應用。本研究用SPECIM IQ評估了不同大麥品種在冠層尺度上的白粉病嚴重程度，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的比較。研究準確地檢測了兩個品種的白粉病癥狀，并通過高光譜成像結合數據分析方法評估品種的不同疾病嚴重程度。

    研究人員用SPECIM IQ對在溫室中培養的360個大麥植物樣本（穩定的漫射光條件下培養）進行檢測，并使用的白色參考板（見圖5）和SPECIM IQ的內置功能對高光譜數據進行歸化。研究人員用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。為了消除這種系統偏差，通過減去錯誤分類像素量來確定疾病嚴重程度，預測分析的品種的2.2％至23.7％的強烈差異。因此，SPECIM IQ可用來測量評估復雜冠層的疾病嚴重性，控制光源照明條件保證高信號質量，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癥狀。

4、總結

    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室內和室外環境中對不同材質色卡輻射測量評估，得到兩者的光譜性高度致性。根據植被指數分析得到的結果表明手持智能型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相結合，在量化中對視覺評估的高度致性。

    作為智能型的高光譜相機設備，手持式SPECIM IQ除具有高精度的數據質量外，其設備本身具有高緊湊性、可移動性強和快速集成處理能力，為科技新域的應用創造了有條件。手持智能型SPECIM IQ的發布讓高光譜傳感器技術以實驗室設備的質量水平傳輸到溫室和現場，而無需任何載體平臺或控制和存儲設備，因此，該款設備的誕生無疑可以支持各個場景下的不同應用，并推動現代高光譜技術在更多域的發展和影響。