一种基于太赫兹谱的水稻二化螟快速检测方法技术

本发明专利技术公开了一种基于太赫兹谱的水稻二化螟快速检测方法，包括以下步骤：(1)制备水稻茎秆与螟虫的混合压片，按照预设的螟虫浓度梯度制备多组样品；(2)将各样品放入太赫兹系统中使用透射模式进行测量，采集对应样品的太赫兹光谱数据；(3)对太赫兹光谱数据进行特征提取；(4)采用化学计量学方法建立基于太赫兹透射光谱的检测模型；(5)获取待检测的含有二化螟的样本的太赫兹光谱信息，并输入至检测模型中，以获得待检测样本中二化螟的含量。本发明专利技术通过快速、无损、可视化的检测手段实现了水稻二化螟虫害的监测。二化螟虫害的监测。二化螟虫害的监测。

【技术实现步骤摘要】
一种基于太赫兹谱的水稻二化螟快速检测方法


[0001]本专利技术涉及化学检测
，特别是涉及一种基于太赫兹谱的水稻二化螟快速检测方法。

技术介绍

[0002]水稻是重要的粮食作物，近年来，随着经济社会的不断发展带来了全球的气候和环境问题，虫害成为制约农业高效率生产和可持续发展的重要因素之一。我国水稻病虫害种类很多，其中二化螟是水稻生长中危害最为严重的常发性害虫之一，在全国水稻种植地区都有发生，若不及时有效治理可导致水稻减产达到3成以上，已成为影响我国粮食增产重要因素之一。为了防治二化螟虫害的爆发，人们自20世纪70年代以来采取了培育抗病虫害品种、农业防治、化学防止和生物防治等多种防治措施。但均因成本、效率等问题难以全面推广。目前针对二化螟防治主要采用的是生物防治和化学防治等多种防治的综合方法，这种方法也称为综合害虫管理方法，为了对综合害虫管理方法进一步推广应用，大大减少农药的使用，需要对虫害发展情况及时监控。
[0003]由于二化螟虫害的潜隐特性，目前针对二化螟虫害越冬等情况下种群发展情况监测，主要通过人工剥离水稻茎秆方式实现，该方法具有耗时、费力、破坏性等缺点，且剥离的工人需具有鉴别二化螟的能力。而目前水稻种植面积巨大，现有的监测方法无法满足对二化螟虫害的发展情况的监控实际需求。因此，探索一种快速、无损、可视化的检测手段以实现水稻二化螟虫害监测具有重要意义。
[0004]太赫兹光谱成像检测技术作为一种新兴的无损检测手段，具有微波和红外双重特性，可以穿透许多常用材料并与之相互作用。随着光源和探测器技术的发展，太赫兹光谱成像技术已经从实验室规模的技术发展成为一种具有多种实际应用的多功能成像工具。
[0005]然而目前还没有使用太赫兹光谱技术进行水稻二化螟虫害监测的研究。

技术实现思路

[0006]鉴于上述状况，本专利技术的目的在于提供一种基于太赫兹谱的水稻二化螟快速检测方法，以开发出一种快速、无损、可视化的检测手段实现水稻二化螟虫害的监测。
[0007]一种基于太赫兹谱的水稻二化螟快速检测方法，包括以下步骤：
[0008](1)制备水稻茎秆与螟虫的混合压片，按照预设的螟虫浓度梯度制备多组样品；
[0009](2)将各样品放入太赫兹系统中使用透射模式进行测量，采集对应样品的太赫兹光谱数据；
[0010](3)对太赫兹光谱数据进行特征提取；
[0011](4)采用化学计量学方法建立基于太赫兹透射光谱的检测模型；
[0012](5)获取待检测的含有二化螟的样本的太赫兹光谱信息，并输入至检测模型中，以获得待检测样本中二化螟的含量。
[0013]上述基于太赫兹谱的水稻二化螟快速检测方法，其中，所述步骤(1)具体包括：
[0014]选取二化螟三龄幼虫和水稻茎秆，将幼虫和茎秆放入50℃烘干箱烘干48小时，然后把干燥的茎秆和幼虫进行粉碎、研磨、过筛处理，其中茎秆粉末过200目筛，螟虫粉末过100目筛，按照设计的螟虫浓度梯度制备20组样品，每个样品制备4枚，每个样品采集3个不同的点以用来分析光谱特性，共计获得240个样本数，另外制备0％和100％浓度螟虫压片作为对照组。
[0015]上述基于太赫兹谱的水稻二化螟快速检测方法，其中，所述步骤(1)中，采用K
‑
S分类算法将240个样本数分为3：1，分别作为建模集和预测集。
[0016]上述基于太赫兹谱的水稻二化螟快速检测方法，其中，所述步骤(2)具体包括：
[0017]太赫兹时域光谱测量时，太赫兹时域光谱仪预热1小时，环境温度控制在23
±
0.5℃，样品仓空气水分达到10％以下，太赫兹频率在0.1
‑
7.0THz之间，分辨率设置为7.6G Hz，扫描次数设置为256次/点，测量过程中，采用干燥空气吹扫，对每个点进行三次的重复测量，以其平均光谱作为一个样本。
[0018]上述基于太赫兹谱的水稻二化螟快速检测方法，其中，所述步骤(4)包括：
[0019]采用竞争性自适应重加权算法、无信息变量消除方法和连续投影算法中的一种对太赫兹光谱数据进行特征提取。
[0020]上述基于太赫兹谱的水稻二化螟快速检测方法，其中，所述步骤(4)中建立的模型为偏最小二乘模型或最小二乘支持向量机模型。
[0021]上述基于太赫兹谱的水稻二化螟快速检测方法，其中，所述方法还包括：
[0022]将螟虫植入茎秆中，制备出实物样品；
[0023]基于太赫兹光谱获取实物样品在0.5
‑
1.5THz频段吸收率下的图像；
[0024]采用阈值分割算法对实物样品的太赫兹图像进行分割，整幅图像内采用固定的阈值分割图像，通过图像中的目标和背景的灰度直方图来确定阈值，将灰度值大于阈值的像素设为白色，小于或者等于的像素设为黑色，从而得分割图像；
[0025]采用先膨胀后腐蚀的办法对分割图像进行处理，使用OpenCV将图像颜色反转，查找图像的白色边缘轮廓，标记出轮廓，通过图像轮廓将边缘连接起来形成一个整体，从而进一步判断螟虫的大小、形状与种群密度。
[0026]上述基于太赫兹谱的水稻二化螟快速检测方法，其中，基于太赫兹光谱获取实物样品在0.5
‑
1.5THz频段吸收率下的图像的步骤具体包括：
[0027]太赫兹时域光谱测量时，太赫兹时域光谱仪预热1小时，之后将实物样品固定在位于样品移动平台上的3mm厚PE板上，X轴和Y轴均以0.4mm步长在二维平台上移动，将平台光路调制成透射模式，最大扫描范围设置为40mm
×
24mm，移动平台沿X
‑
Y平面逐点移动，获得6000个像素点数据完成实物样品的图像扫描；
[0028]利用太赫兹光谱自带的图像采集软件结合Matlab2018b软件，提取0.5
‑
1.5THz频段吸收率下的图像。
[0029]根据本专利技术提供的基于太赫兹谱的水稻二化螟快速检测方法，制备水稻茎秆与螟虫的混合压片，通过分析螟虫不同浓度梯度的光谱，发现随着水稻茎秆中的螟虫比例增加，其吸收系数、时域信号和飞行时间均有明显变化，为减少计算量，采用CARS、UVE以及SPA三种不同的波段筛选方法进行特征提取后，分别建立对应的PLS和LS
‑
SVM定量检测模型，结果表明CARS算法结合LS
‑
SVM模型的预测效果更优，相关系数R
p
为0.9699，RMSEP为0.0541，本
专利技术通过快速、无损、可视化的检测手段实现了水稻二化螟虫害的监测。
[0030]此外，本专利技术提供了基于太赫兹成像的水稻二化螟实物样本检测，采集水稻秸秆和二化螟实物样本的太赫兹透射图像，对不同感兴趣区域提取太赫兹光谱数据进行分析并建立判别模型，结果表明：建立的SVM定性判别模型识别率最高可达100％，实现了实现水稻茎秆中二化螟的可视化检测。
附图说明
[0031]本专利技术的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于太赫兹谱的水稻二化螟快速检测方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)制备水稻茎秆与螟虫的混合压片，按照预设的螟虫浓度梯度制备多组样品；(2)将各样品放入太赫兹系统中使用透射模式进行测量，采集对应样品的太赫兹光谱数据；(3)对太赫兹光谱数据进行特征提取；(4)采用化学计量学方法建立基于太赫兹透射光谱的检测模型；(5)获取待检测的含有二化螟的样本的太赫兹光谱信息，并输入至检测模型中，以获得待检测样本中二化螟的含量。2.根据权利要求1所述的基于太赫兹谱的水稻二化螟快速检测方法，其特征在于，所述步骤(1)具体包括：选取二化螟三龄幼虫和水稻茎秆，将幼虫和茎秆放入50℃烘干箱烘干48小时，然后把干燥的茎秆和幼虫进行粉碎、研磨、过筛处理，其中茎秆粉末过200目筛，螟虫粉末过100目筛，按照设计的螟虫浓度梯度制备20组样品，每个样品制备4枚，每个样品采集3个不同的点以用来分析光谱特性，共计获得240个样本数，另外制备0％和100％浓度螟虫压片作为对照组。3.根据权利要求2所述的基于太赫兹谱的水稻二化螟快速检测方法，其特征在于，所述步骤(1)中，采用K
‑
S分类算法将240个样本数分为3∶1，分别作为建模集和预测集。4.根据权利要求1所述的基于太赫兹谱的水稻二化螟快速检测方法，其特征在于，所述步骤(2)具体包括：太赫兹时域光谱测量时，太赫兹时域光谱仪预热1小时，环境温度控制在23
±
0.5℃，样品仓空气水分达到10％以下，太赫兹频率在0.1
‑
7.0THz之间，分辨率设置为7.6GHz，扫描次数设置为256次/点，测量过程中，采用干燥空气吹扫，对每个点进行三次的重复测量，以其平均光谱作为一个样本。5.根据权利要求1所述的基于太赫兹谱的水稻二化螟快速检测方法，其特征在于，所述步...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡军，石宏扬，刘燕德，贺永，
申请(专利权)人：华东交通大学，
类型：发明
国别省市：