一种基于高光谱转基因玉米籽粒的识别装置与方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种基于高光谱转基因玉米籽粒的识别装置与方法，包括以下步骤：通过本发明专利技术的高光谱仪器获得转cry1Ab/cry2Aj‑G10evo基因玉米和非其亲本玉米的高光谱图像；通过图像处理的方法获得感兴趣区域光谱信息，进行光谱数据预处理；分别利用所有的光谱和提取的特征光谱建立PLS和SVM辨别分析模型。本发明专利技术建立的转基因玉米籽粒SG‑PLS模型的识别率达到了90％以上。相对于传统的分子检测方法来说，本发明专利技术可实现转基因玉米和非转基因玉米籽粒的快速、可视化无损鉴别，而且操作简单、无需大量的实验处理、成本低，具有良好的应用前景和可观的市场价值。

Device and method for identifying high frequency transgenic corn seed

The invention discloses a method and device for identifying transgenic maize based on hyperspectral, which comprises the following steps: cry1Ab/cry2Aj G10evo transgenic maize and non parental maize hyperspectral image by Hyperspectral instrument of the present invention; obtain the ROI spectral information by means of image processing method, spectral data preprocessing; respectively using spectral spectrum and extract all the established PLS and SVM discriminant analysis model. Identification of PLS model grain SG transgenic maize the rate reached more than 90%. Compared with the traditional molecular detection method, the invention can realize the rapid and visualization of GM and non GM maize grain nondestructive identification, and simple operation, without the treatment, a large number of low cost, has good application prospects and considerable market value.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于转基因育种筛查的无损检测
，具体涉及一种基于高光谱转基因玉米籽粒的识别装置与方法。
技术介绍
玉米(ZeamaysL.)是世界重要的粮食、饲料兼能源作物，也是重要的工业原料，在世界粮食生产中占有重要的地位。为了满足世界人口持续的增长以及畜牧业的稳步发嵌、生物能源的大规模推广，定向改造玉米植物遗传性状，避免不良性状的连锁表达，育种周期短等优点使植物转基因技术在玉米育种中得到迅猛发展。高温、高湿的特殊生长环境使得玉米田极易受到杂草和虫害的胁迫，而两种或多种特征的复合性状转基因作物也成为近年新型转基因作物的研究热点，例如利用农杆菌介导的玉米遗传转化法，最终获得含有抗虫和耐除草剂性状，较大程度提高了资源利用效率，将成为未来转基因作物的发展趋势。然而玉米转育的难度远比预想的要大得多，育种效率较低，杂交后代常表现为异常分离，携带目的基因的后代不易纯合，而且每代还必须进行转基因的检测和跟踪。传统的分子检测方法会一定程度的破坏蛋白质或基因片段，损坏转基因作物的原有表观性状，费时费力，程序复杂，成本较高，非专业人员难以胜任，不适用于转基因与非转基因的实时在线快速检测鉴别，更无法再进行转基因作物的育种培养。目前，近红外光谱技术因为快速无损的特点开始在转基因识别中得到应用，但是近红外光谱技术只能获取检测对象的部分区域的光谱信息，缺少对检测对象的空间信息的研究，而高光谱成像技术融合了图像与光谱信息，能够将研究对象的光谱信息与空间信息同时采集，对样本的内外部信息可以更大范围的获取，既能体现检测对象的颜色、形状、大小等表观性状，也能体现检测对象的化学组分、生理构造等内部信息。这些特点决定了高光谱图像技术在转基因育种筛选中具有独特的优势，具有重要的应用价值和大规模推广前景。
技术实现思路
鉴于上述现有技术发展现状，本专利技术的目的一方面提供一种基于高光谱数据识别转基因玉米籽粒的方法，该方法能够有效地识别转双价基因(cry1Ab/cry2Aj-G10evo)玉米籽粒及其亲本，识别的精度高，在大量转基因玉米的育种筛选上，可以有效地缩短育种进程，节约人力、物力。另一方面，基于本专利技术的检测方法提供一直转基因玉米籽粒的无损可视化检查方法的专用转置。为实现上述的专利技术目的，本专利技术所采用的具体技术方案如下：一种基于高光谱识转双价基因(cry1Ab/cry2Aj-G10evo)玉米籽粒及其亲本的装置与方法，其特征在于：包括：(1)高光谱图像采集装置的搭建；(2)高光谱图像特征参数的提取和判别模型的技术，其中：(1)高光谱图像采集装置的搭建：高光谱图像采集系统包括高光谱成像仪、线光源、镜头和电控平台等部分构成，其示意图如图2所示。成像光谱仪，为高光谱成像数据采集系统的核心部件。本专利技术中采用的成像光谱仪是由芬兰SPECIM公司(SpectralimagingLTD.,Oulu,Finland)生产的ImSpectorN17E光谱仪，光谱范围是874～1734nm，光谱分辨率为5nm。相机与成像光谱仪配套，为日本Hamamatsu公司(HamamatsuPhotonicsK.K.，HamamatsuCity,Japan)生产的型号为OLES23的C-mount成像镜头，焦距为23mm；相机镜头和载物台之间的距离是25.8cm。光源，专利技术所用系统配有两个150W卤钨灯的2900Lightsource线光源(IlluminationTechnologiesInc.,USA)，光源通过两支光纤将信息输出，组成该成像系统的左右对称光源，可在0～100％范围内手动调节光强，其尺寸为11.5H*19W*23Dcm，使用寿命为200～8000h，工作温度范围为0～40℃，电控位移平台，系统采用了台湾五铃光学股份有限公司生产的IRCP0076型(IsuzuOpticsCrop.,Taiwan，China)电控位移平台，可驱动载有样本的传送带，速度为19mm/sec。数据采集与分析软件，高光谱图像的采集软件是由台湾五铃光学股份有限公司提供的配套采集软件，高光谱图像的处理软件是由TheEnvironmentforVisualizingImages4.6(ENVI4.6)软件(ITT,VisualInformationSolutions,Boulder,Colorado,USA)实现。基于上述的高光谱图像采集装置，本专利技术提供的基于高光谱转基因玉米籽粒的识别方法，包括如下步骤：S1：将待识别的转基因玉米籽粒置入高光谱成像装置，采集高光谱图像；S2：对采集到的近红外光谱图像处理之前进行校正，图像校正公式如下：其中，R、Iraw、Iwhite、Idark分别代表经校正后的图像、原始采集的图像、白板图像、黑板图像。S3：通过分析软件ENVI4.6对经过校正后的玉米籽粒近红外高光谱图像选取单粒玉米为感兴趣区域(regionofinterest，ROI)。计算感兴趣区域内的所有像素点的光谱的平均值作为该样本的光谱数据。S4：采用Savitzky-Golay平滑(SG)预处理，进行主成分(PCA)分析。S5：对经过预处理的光谱数据进行特征波长选择，分别采用二阶导数光谱(2ndspectra)，主成分分析载荷(PCAloadings)方法进行特征波长选择。通过k-means方法建立建模集和预测集。分别基于选择的特征波长，建立PLS-DA，SVM判别分析模型。这些判别分析模型基于不同的原理，从不同的角度对数据进行判别分析，而从中选择合适的判别分析模型。步骤S4中SG是一种有效的去除光谱数据中噪声、提高信噪比的有效方法。多项式次数以及平滑点数对其平滑效果具有决定性的影响。本专利技术SG平滑采用2次多项式7点平滑。具体算法如下：式中，hi为平滑系数，H为归一化因子，xk为波长K处理后得到的值；步骤S4中利用k-means方法建立建模集和预测集。建立判别分析模型前，随机选取K个聚类质心点为μ1，μ2，……μk，重复下面过程直到收敛：对于每一个样例i，计算其应该属于的类c(i)＝argargminj||x(i)-μj||2对于每一个类j，重新计算该类的质心式中，x(i)为样例i与各类中距离最近的那个类，μj为质心代表我们对属于同一类的样本中心的猜测。步骤S5中PLS-DA判别分析模型，以代表类别的整数值代替化学值进行分析，根据得到的预测结果进行判别分析。为了对样本的类别进行判定，也因为预测结果中预测值不是代表类别的整数而是实际数值，故需设定判别阈值。在本研究中，将0.5设定为判别阈值，即当实际值与预测值的差的绝对值大于0.5时，则判别错误，反之则视为判别正确。步骤S5中SVM判别分析模型，是使用y＝sign(f(x))来推断任一输入x所对应的类别，输出值只允许取类别值。本专利技术在SVM建模中，采用径向基函数(RBF)作为核函数。SVM模型的参数惩罚系数c寻优范围为2-8到28。相对于现有技术，本专利技术的有益效果为：(1)本专利技术从二维平面观察发展到多维立体，基于数字图像处理技术，利用高光谱成像技术对转基因玉米籽粒进行快速无损鉴别。(2)本专利技术鉴别精确度高，搭建的转基因品种可视化快速检测仪器和传感器可以实现转基因育种的快速无损鉴别，提高育种效率。附图说明图1为基于高光谱图像的转基因玉本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于高光谱转基因玉米籽粒的识别装置，其特征在于，包括：电控平台，用于驱动载有转基因玉米籽粒和非专基因玉米籽粒的传送带；采集高光谱图像的成像光谱仪，光谱范围是874～1734nm，光谱分辨率为5nm；光源，对称设置并通过两支光纤将信息输出；和计算机，用于对采集的高光谱图像进行处理，根据特征光谱建立PLS和SVM辨别分析模型。

【技术特征摘要】
1.一种基于高光谱转基因玉米籽粒的识别装置，其特征在于，包括：电控平台，用于驱动载有转基因玉米籽粒和非专基因玉米籽粒的传送带；采集高光谱图像的成像光谱仪，光谱范围是874～1734nm，光谱分辨率为5nm；光源，对称设置并通过两支光纤将信息输出；和计算机，用于对采集的高光谱图像进行处理，根据特征光谱建立PLS和SVM辨别分析模型。2.根据权利要求1所述的识别装置的转基因玉米籽粒识别方法，其特征在于，包括步骤：(1)采集转基因玉米籽粒和非专基因玉米籽粒的高光谱图像，分析高光谱图像中背景光谱以及玉米籽粒光谱，将掩膜应用于所有波段下的图像，得到去背景后的高光谱图像；(2)根据去背景后的高光谱图像，计算得到转基因玉米籽粒和非专基因玉米籽粒的平均光谱；(3)基于每一玉米籽粒的平均光谱，利用K-means算法获得建模集合和预测集合，建立PLS和SVM识别模型，比较样本的识别正确率；(4)利用二阶导数和PCA-Lo...

【专利技术属性】
技术研发人员：冯旭萍，何勇，张初，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33