基于近红外特定波长的水稻镉胁迫强度诊断叶片夹装置制造方法及图纸

本发明专利技术提供一种基于近红外特定波长的水稻镉胁迫强度诊断叶片夹装置，其特征在于：包括叶片夹、光谱传感器、微型计算机、GPS，叶片夹、光谱传感器、GPS分别连接微型计算机，叶片夹由两片光谱传感器探头组成，微型计算机中设置水稻冠层近红外特定波段光谱数据的采集模块(10)、光谱数据预处理模块(20)、特征波段指标值计算模块(30)、镉胁迫强度诊断模块(40)；利用叶片夹，可无损便捷地采集水稻冠层的特定波段光谱数据，采用预训练的SVM诊断模型快速诊断和判别，输出诊断所得最终的镉胁迫强度。该装置轻便易携，对农作物(水稻)无害，只需在水稻叶片上轻轻一夹，即可检测出水稻受重金属镉胁迫的强度。

【技术实现步骤摘要】
基于近红外特定波长的水稻镉胁迫强度诊断叶片夹装置
本专利技术涉及遥感领域，尤其是涉及一种近红外特定波长的的水稻镉胁迫强度的诊断叶片夹。
技术介绍
在我国，受重金属污染的耕地面积已超1000万公顷(骆永明and滕应2006,Zhang,Huangetal.2010)，每年造成粮食减产1000多万吨(孙铁珩,李培军etal.2005)。而镉污染是当前最严重的土壤农田重金属污染类别(Chen,Tengetal.2015)。如何快速检测土壤是否受到镉胁迫以及胁迫的强度，对及时发现和后续治理尤为重要。当前，农田重金属污染的诊断方法主要是化学分析检测，对于已造成污染的区域进行土壤样本的抽样搜集，之后在实验室研磨化验，涉及到大量的土壤样本采集和化验，效率低，时效慢，很难在实际应用中使用。本专利技术考虑到，遥感技术可以无损害地获取水稻叶片的冠层信息，可以在不损害水稻正常生长的情况下，检测水稻叶片的纹理、光谱等信息，所以可以用来检测水稻是否受到重金属镉胁迫以及胁迫强度。因此，本专利技术利用水稻叶片的近红外特定波长数据，设置了镉胁迫程度的诊断叶片夹装置，可以快速无害地识别出水稻受重金属镉胁迫的强度。相关文献：Chen,H.,Y.Teng,S.Lu,Y.WangandJ.Wang(2015)."ContaminationfeaturesandhealthriskofsoilheavymetalsinChina."SciTotalEnviron512-513:143-153.Li,G.,E.M.Sproviero,R.C.S.Iii,N.Iguchi,J.D.Blakemore,R.H.Crabtree,G.W.BrudvigandV.S.Batista(2009)."DepositionofanoxomanganesewateroxidationcatalystonTiO2nanoparticles:computationalmodeling,assemblyandcharacterization."Energy&EnvironmentalScience2(2):230-238.Zhang,X.,C.Huang,B.LiuandQ.Tong(2010).InversionofsoilCuconcentrationbasedonbandselectionofhyperspetraldata.GeoscienceandRemoteSensingSymposium.骆永明and滕应(2006)."我国土壤污染退化状况及防治对策."土壤38(5):505-508.孙铁珩,李培军and周启星(2005).土壤污染形成机理与修复技术,科学出版社.
技术实现思路
本专利技术的目的在于，实现基于水稻叶片的近红外特定波长进行镉胁迫程度的快速诊断，通过轻便易携，对水稻无损害的叶片夹装置，及时发现水稻受重金属镉胁迫的强度，为后续及时治理提供可靠的技术支持。本专利技术提供一种基于近红外特定波长的水稻镉胁迫强度诊断叶片夹装置，包括叶片夹、光谱传感器、微型计算机和GPS，叶片夹、光谱传感器、GPS分别连接微型计算机，叶片夹由两片光谱传感器探头组成，微型计算机中设置水稻冠层近红外特定波段光谱数据的采集模块10、光谱数据预处理模块20、特征波段指标值计算模块30、镉胁迫强度诊断模块40；采集模块10，用于利用叶片夹，无损便捷地采集水稻冠层的特定波段光谱数据，输入光谱预处理模块20；光谱预处理模块20，用于接收并处理采集模块10传输的多波段光谱数据，进行水稻叶片光谱噪声和冗余信息的消除；特征波段指标值计算模块30，用于基于光谱预处理模块20输入的预处理后的光谱数据，计算特征波段计算值作为指标的诊断值，输入镉胁迫强度诊断模块40；镉胁迫强度诊断模块40，用于对于输入的特征波段计算值，采用预训练的SVM诊断模型快速诊断和判别，输出诊断所得最终的镉胁迫强度。而且，预先选择适宜诊断镉胁迫强度的诊断因子，利用叶片夹采集相应的水稻冠层的特定波段光谱数据，选取实现方式如下，1)确定潜在的敏感因子范围，包括从所有2000余个近红外邻近波段的差值中，由前期试验经方差分析ANOVA2筛选得到若干潜在敏感因子；2)对步骤1)所得的潜在敏感因子，根据随机森林RF的特征置信度的大小排序选择前若干个特征因子；3)基于SVM的诊断精度，选择综合诊断精度最优的一个特征因子作为确定的诊断因子，确定该诊断因子由波段A和B差值所得；4)考察在波段A和B附近较宽的波长范围，在两波段反射率之差能够达到满意的诊断精度的条件下，确定作为最终的诊断因子的特定波段。而且，选择两个波长范围分别为754nm-771nm、772nm-789nm的特定波段作为最终的诊断因子。而且，光谱预处理模块20进行的处理为求一阶导数、Savitzky-Golay平滑处理、标准化中二者或者以上的组合。而且，特征波段指标值计算模块30计算指标的诊断值，包括计算两个波段的光谱反射率的差值，除以2得到特征波段计算值，作为用于最终的诊断的光谱值。而且，镉胁迫强度诊断模块40中SVM诊断模型的诊断结果包括无Cd胁迫、低浓度Cd胁迫、中浓度Cd胁迫、高浓度Cd胁迫四个类别，SVM诊断模型基于水稻冠层的特征波段计算值，得出水稻是否受到其中任意一种的胁迫，对于置信度最高的诊断类别，做为最后诊断出的胁迫类别。本专利技术公开了一种土壤重金属镉胁迫强度的诊断叶片夹，装置轻便易携，对农作物(水稻)无害，只需在水稻叶片上轻轻一夹，即可检测出水稻受重金属镉胁迫的强度。本叶片夹硬件装置可以有效实现：1、根据农作物(水稻)叶片的近红外特定波段的光谱数据，野外实时实地地判别农作物(水稻)是否受到镉胁迫；2、对农作物(水稻)是否受到镉胁迫进行快速识别预警；3、判断镉胁迫的大致强度范围，对后续治理提供初步依据。本装置是一种小巧易用，简单易携的镉胁迫诊断装置，可以在对农作物(水稻)叶片无损的情况下，高效地诊断出镉胁迫的胁迫强度，是一种基于近红外特定波段的农作物(水稻)土壤重金属镉胁迫的诊断叶片夹装置。附图说明图1为本专利技术实施例的模块结构图；图2为本专利技术实施例的叶片夹硬件装置图；图3为本专利技术实施例的水稻冠层光谱采集意图；图4为本专利技术实施例的水稻冠层近红外特定波段光谱预处理示意图；图5为本专利技术实施例的水稻冠层光谱智能计算示意图图6为本专利技术实施例的镉胁迫强度的诊断示意图。具体实施方式以下结合附图和实施例详细说明该专利技术技术方案。本专利技术提出通过水稻冠层近红外特定波长数据进行重金属镉胁迫强度的诊断叶片夹，实现生长期水稻镉胁迫强度的快速监测。该装置首先将传感器与后台微型计算机连接在一起，利用特定波段反射率传感器获取水稻冠层叶片光谱数据，利用微型计算机存储、并记录数据采集时间、地点等；然后对光谱进行自动化预处理，包括：包括异常光谱剔除、光谱一阶微分、Savitzky-Golay平滑、标准化。对预处理后的光谱值自动化组合计算诊断值并输入最后镉胁迫强度诊断模块，实现镉胁迫强度的快速识别。如图1，实施例提供了水稻冠层光谱数据快速诊断镉胁迫的叶片夹装置的内部模块示意图，包括水稻冠层近红外特定波段光谱数据的采集模块10、光谱数据预处理模块20、特征波段指标值计算模块30、镉胁迫强度诊断模块40。实本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于近红外特定波长的水稻镉胁迫强度诊断叶片夹装置，其特征在于：包括叶片夹、光谱传感器、微型计算机和GPS，叶片夹、光谱传感器、GPS分别连接微型计算机，叶片夹由两片光谱传感器探头组成，微型计算机中设置水稻冠层近红外特定波段光谱数据的采集模块(10)、光谱数据预处理模块(20)、特征波段指标值计算模块(30)、镉胁迫强度诊断模块(40)；采集模块(10)，用于利用叶片夹，无损便捷地采集水稻冠层的特定波段光谱数据，输入光谱预处理模块(20)；光谱预处理模块(20)，用于接收并处理采集模块(10)传输的多波段光谱数据，进行水稻叶片光谱噪声和冗余信息的消除；特征波段指标值计算模块(30)，用于基于光谱预处理模块(20)输入的预处理后的光谱数据，计算特征波段计算值作为指标的诊断值，输入镉胁迫强度诊断模块(40)；镉胁迫强度诊断模块(40)，用于对于输入的特征波段计算值，采用预训练的SVM诊断模型快速诊断和判别，输出诊断所得最终的镉胁迫强度。

【技术特征摘要】
1.一种基于近红外特定波长的水稻镉胁迫强度诊断叶片夹装置，其特征在于：包括叶片夹、光谱传感器、微型计算机和GPS，叶片夹、光谱传感器、GPS分别连接微型计算机，叶片夹由两片光谱传感器探头组成，微型计算机中设置水稻冠层近红外特定波段光谱数据的采集模块(10)、光谱数据预处理模块(20)、特征波段指标值计算模块(30)、镉胁迫强度诊断模块(40)；采集模块(10)，用于利用叶片夹，无损便捷地采集水稻冠层的特定波段光谱数据，输入光谱预处理模块(20)；光谱预处理模块(20)，用于接收并处理采集模块(10)传输的多波段光谱数据，进行水稻叶片光谱噪声和冗余信息的消除；特征波段指标值计算模块(30)，用于基于光谱预处理模块(20)输入的预处理后的光谱数据，计算特征波段计算值作为指标的诊断值，输入镉胁迫强度诊断模块(40)；镉胁迫强度诊断模块(40)，用于对于输入的特征波段计算值，采用预训练的SVM诊断模型快速诊断和判别，输出诊断所得最终的镉胁迫强度。2.根据权利要求1所述基于近红外特定波长的水稻镉胁迫强度诊断叶片夹装置，其特征在于：预先选择适宜诊断镉胁迫强度的诊断因子，利用叶片夹采集相应的水稻冠层的特定波段光谱数据，选取实现方式如下，1)确定潜在的敏感因子范围，包括从所有2000余个近红外邻近波段的差值中，由前期试验经方差分析ANOVA2筛选得到若干潜在敏感因子；2)对步骤1)所得的潜在敏感因子，根据随机森林RF的特征置信...

【专利技术属性】
技术研发人员：费腾，张双印，
申请(专利权)人：武汉大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42