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基于太赫兹光谱技术的受桑螟危害初期桑叶的识别方法技术

技术编号:20093383 阅读:36 留言:0更新日期:2019-01-15 12:41
本发明专利技术公开一种基于太赫兹光谱技术的受桑螟危害初期桑叶的识别方法,包括步骤:采集健康以及受桑螟危害的桑叶,作为待测样本,用太赫兹时域光谱仪获取每个叶片的光谱,将获取的多条时域光谱取平均作为该样本的太赫兹时域光谱,将太赫兹时域光谱转换成太赫兹频域光谱;从太赫兹频域光谱中提取透过率光谱,并对透射光谱进行基线和平滑预处理;将健康和受害桑叶的类别编号分别赋值为1和0,然后与经过基线和平滑预处理的透过率光谱进行主成分分析、再进行最小二乘支持向量机分析建模;采集健康以及受害桑叶作为预测样本,获取桑叶的太赫兹时域光谱,带入所建模型中,进行受桑螟危害初期桑叶的识别。

Recognition of mulberry leaves damaged by mulberry borer in early stage based on terahertz spectroscopy

The invention discloses a method for identifying mulberry leaves damaged by mulberry borer in early stage based on terahertz spectroscopy technology, including steps: collecting mulberry leaves damaged by health and mulberry borer as samples to be measured, obtaining the spectra of each leaf with terahertz time domain spectrometer, averaging the acquired multi-time domain spectra as terahertz time domain spectra of the sample, and converting terahertz time domain spectra into terahertz time domain spectra. Terahertz frequency domain spectroscopy; extracting transmission spectrum from terahertz frequency domain spectroscopy, baseline and smoothing pretreatment of transmission spectrum; assigning category numbers of healthy and injured mulberry leaves to 1 and 0 respectively, then principal component analysis and least squares support vector machine (LS-SVM) analysis with baseline and smoothing pretreatment of transmission spectrum were carried out; collecting health and injured mulberry leaves. Leaves were used as predictive samples to obtain terahertz time-domain spectra of mulberry leaves, which were brought into the model to identify the mulberry leaves at the early stage of damage by the mulberry borer.

【技术实现步骤摘要】
基于太赫兹光谱技术的受桑螟危害初期桑叶的识别方法
本专利技术涉及桑叶的识别方法领域,具体涉及一种基于太赫兹光谱技术的受桑螟危害初期桑叶的识别方法。
技术介绍
桑螟是桑树的重要害虫之一,以其幼虫为害夏秋桑叶,以晚秋桑叶受害最重,发生严重时,造成桑叶产量下降,质量变劣,影响蚕业生产。桑螟夏秋季幼虫吐丝缀叶成卷叶或叠叶,幼虫隐藏其中咀食叶肉,残留叶脉和上表皮,形成透明的灰褐色薄膜,后破裂成孔。其排泄物污染叶片,影响桑叶质量。9~10月因该虫为害致桑叶枯黄,影响秋季饲蚕或引发蚕病。基于此,桑树虫害防治越早越有意义,但是目前桑螟危害主要由人工观测为主,难于提前防范,经历桑螟危害初期的桑树叶片组织结构发生改变,肉眼无法识别,只有借助其他方法来发现虫斑,并进行及时的防治。随着光谱技术的快速发展,近红外光谱检测法、高光谱检测法、电磁波检测法及太赫兹波谱(Terahert,THz)检测法广泛应用于植物病虫害识别研究。由于大量的大分子振动和转动能级都处于太赫兹波段(0.1~10THz),在太赫兹波段表现出很强的吸收和谐振,并且物质的太赫兹光谱包含丰富的物理信息和化学信息。针对大多数的有机生物大分子,在太赫兹波段具有指纹特性,可以用于物质的识别。此外,太赫兹光子能量低可避免生物细胞的烧伤以及光致电离损伤。太赫兹具有较强的穿透性,能穿透像桑树叶片这种较薄的生物样本。因此,太赫兹光谱检测技术在识别桑树叶片是否经历桑螟危害上具有一定的优势。
技术实现思路
本专利技术提供一种基于太赫兹光谱技术的受桑螟危害初期桑叶的识别方法,可在对桑树的管理中,实现可以尽早发现桑螟虫害,解决了常规的人工观测为主,难于提前防范的问题。本专利技术利用太赫兹技术的指纹性、高穿透性、低损害性,采用太赫兹光谱技术进行桑树叶片是否经历桑螟危害的识别。实验选用在相同生长环境相同生长期的健康的叶片以及受到桑螟危害初期的桑树叶片,通过太赫兹时域光谱仪透射式模块采集桑树叶片的时域光谱,通过傅里叶变换将时域光谱转换为频域光谱,再在频域光谱的基础上提取太赫兹透过率光谱。然后对光学参数光谱进行预处理优化,主成分分析(PCA)聚类分析后采用最小二乘支持向量机分析对健康叶片以及受桑螟危害初期的叶片进行区分鉴定。本专利专利技术对尽早发现桑树桑螟虫害并防治具有一定的理论与实践指导意义。本专利技术所采用的具体技术方案如下:一种基于太赫兹光谱技术的受桑螟危害初期桑叶的识别方法,包括:步骤1,挑选出未出现桑螟虫害的桑树;步骤2,对步骤1中筛选得到的桑树样本进行人为可控的放置体长12mm-15mm左右的桑螟幼虫,并对桑螟的活动进行监督,每隔一段时间采集一次叶片,同时采集未放桑螟幼虫的健康桑叶和受桑螟幼虫危害之后的桑叶,得到桑叶样本;步骤3,采用太赫兹时域光谱仪采集参考信号和桑叶的太赫兹时域光谱;将太赫兹时域光谱转换成太赫兹频域光谱;步骤4,从太赫兹频域光谱中提取透过率光谱;并对透过率光谱进行基线和平滑预处理;步骤5,将健康桑叶和受桑螟幼虫危害之后的桑叶的类别编号分别赋值为1和0,然后分别与经过基线和平滑预处理的透过率光谱进行最小二乘支持向量机判别分析建模;步骤6,采集的步骤(2)中的两类桑叶,获取两类桑叶的太赫兹时域光谱,经步骤(4)处理后带入步骤(5)所建模型中,进行受桑螟危害初期桑叶的识别。作为优选,步骤1中,依次对前三年、前两年和前一年均未受到桑螟危害的桑树进行筛选,并对桑树进行观察是否有虫卵,选择没有虫卵的三株桑树。作为优选,步骤2中,在同一株桑树上,选取合适大小的桑叶,放置桑螟幼虫,同时未防止桑螟幼虫跑到其他叶片,用网隔开放置桑螟幼虫的桑叶,受桑螟危害桑叶的选取要保证桑螟幼虫在桑叶上有停留一段时间,采集样本时间分别为放置桑螟幼虫10分钟、30分钟以及1小时的时候。每次健康以及受害叶片各采集20个,作为待测样本。作为优选,选择受桑螟危害初期桑叶的不同部位,共采集多个不同的点位、每个点位重复采集多次,取平均作为该叶片最终的时域光谱。具体的,步骤(3)中针对每个桑叶样本,选择叶肉部位、避开叶脉部位,共采集12个不同的点位、每个点位重复采集3次,共采集36条时域光谱,将这36条谱取平均作为该叶片最终的时域光谱。积分时间为39.2ps,时域光谱的采样点数为1000,时间分辨率为39.2fs。作为优选,在检测过程中,样本检测仓内充干燥氮气,空气湿度控制低于5%,采用太赫兹时域光谱系统的透射扫描模块,获取以干燥氮气为背景的参考信号桑叶的太赫兹时域光谱。步骤(4)中经傅里叶变换之后得到频域光谱,取频段范围为0.1~4THz,频率分辨率为25.5GHz。作为优选,步骤(4)中针对光学参数光谱,提取信噪比较高的0.1~3THz频段的透过率光谱后,选取光谱范围为0.1~3THz的谱段进行主成分分析(PCA)聚类分析后,使用最小二乘支持向量机(LS-SVM)建模。作为优选,所述平滑处理的方法为Savitzky-Golay平滑。以达到去噪优化的目的。作为优选,步骤(2)中两种桑叶的类型编号分别幅值为1和0,然后与健康桑叶和受害桑叶的透过率光谱分别进行最小二乘支持向量机判别分析方法进行建模。本专利技术获取健康以及受桑螟危害桑叶在0-39.2ps内的时域光谱;将时域光谱进行傅里叶变换得到0.1~4THz范围内的频率光谱;根据频率光谱,提取信噪比较高的0.1~3THz范围内的透过率光谱;采用0.1~3THz范围内的透过率光谱分别与两种桑叶的类别编号进行最小二乘支持向量机分析建模,根据模型结果分析基于太赫兹光谱技术的受桑螟危害桑叶识别方法的可行性与精确度。本专利技术专利利用太赫兹光谱技术,研究对受桑螟危害桑叶的识别情况,对尽早发现桑树桑螟虫害并防治具有重大价值,展示了THz在农业、农作物病虫害识别领域中的应用前景。基于透过率光谱所建LS-SVM模型的建模集精度为100%、预测集精度为86.67%。针对基于太赫兹光谱技术的受桑螟危害初期桑叶的识别方法,相比于传统的人工观测,太赫兹光谱检测技术由于具有指纹特性、高穿透性、相干特性、瞬态特性、强吸水性、低能量损害性等独特的特性,更能及时发现桑树桑螟虫害。因此,太赫兹光谱是用于受桑螟危害初期桑叶识别的科学手段之一。附图说明图1为本专利技术识别方法的流程图;图2为太赫兹时域光谱仪光路图;图3为基于太赫兹透过率光谱图;图4为基于太赫兹透过率光谱模型结果图。具体实施方式下面结合实施例和附图来详细说明本专利技术,但本专利技术并不仅限于此。如图1所示,本实施例中基于太赫兹光谱技术的受桑螟危害初期桑叶的识别方法,包括以下步骤:(1)样本准备及获取:依次对前三年、前两年和前一年均未受到桑螟危害的桑树进行筛选,并对桑树进行观察是否有虫卵,选择没有虫卵的三株健康桑树,此桑树要求生长正常。对筛选得到的健康桑树进行人为可控的放置体长12mm-15mm左右的桑螟幼虫,分为三组,编号分别为a、b、c,分别放在三株桑树的桑叶上,桑叶大小合适,尽可能保持相同叶位的叶片大小相近的完整叶片。对桑螟的活动进行限制与监督,为防止桑螟幼虫跑到其他叶片,用网隔开放置桑螟幼虫的桑叶,同时在周边放置摄影机,观察每只桑螟的活动。a、b、c编号的桑树采集样本时间分别为放置桑螟幼虫10分钟、30分钟以及1小时的时候,同一株桑树上健康以及受害叶片各采集2本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于太赫兹光谱技术的受桑螟危害初期桑叶的识别方法,其特征在于,包括如下步骤:步骤1,采集健康以及受桑螟危害的桑叶,作为待测样本,用太赫兹时域光谱仪获取每个叶片的光谱,将获取的多条时域光谱取平均作为该样本的太赫兹时域光谱,将太赫兹时域光谱转换成太赫兹频域光谱;步骤2,从太赫兹频域光谱中提取透过率光谱,并对透射光谱进行基线和平滑预处理;步骤3,将健康和受害桑叶的类别编号分别赋值为1和0,然后与经过基线和平滑预处理的透过率光谱进行主成分分析、再进行最小二乘支持向量机分析建模;步骤4,采集健康以及受害桑叶作为预测样本,获取桑叶的太赫兹时域光谱,经步骤2处理后带入步骤3所建模型中,进行受桑螟危害初期桑叶的识别。

【技术特征摘要】
1.一种基于太赫兹光谱技术的受桑螟危害初期桑叶的识别方法,其特征在于,包括如下步骤:步骤1,采集健康以及受桑螟危害的桑叶,作为待测样本,用太赫兹时域光谱仪获取每个叶片的光谱,将获取的多条时域光谱取平均作为该样本的太赫兹时域光谱,将太赫兹时域光谱转换成太赫兹频域光谱;步骤2,从太赫兹频域光谱中提取透过率光谱,并对透射光谱进行基线和平滑预处理;步骤3,将健康和受害桑叶的类别编号分别赋值为1和0,然后与经过基线和平滑预处理的透过率光谱进行主成分分析、再进行最小二乘支持向量机分析建模;步骤4,采集健康以及受害桑叶作为预测样本,获取桑叶的太赫兹时域光谱,经步骤2处理后带入步骤3所建模型中,进行受桑螟危害初期桑叶的识别。2.如权利要求1所述基于太赫兹光谱技术的受桑螟危害初期桑叶的识别方法,其特征在于,步骤1及步骤4中挑选在相同的种植环境且长势良好的桑树上的叶位一致、叶片完整的桑叶。3.如权利要求1所述基于太赫兹光谱技...

【专利技术属性】
技术研发人员:黄凌霞聂鹏程张慧董涛瞿芳芳
申请(专利权)人:浙江大学
类型:发明
国别省市:浙江,33

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