本發(fā)明涉及桑葉的識(shí)別方法領(lǐng)域，具體涉及一種基于太赫茲光譜技術(shù)的受桑螟危害初期桑葉的識(shí)別方法。

背景技術(shù)：

桑螟是桑樹(shù)的重要害蟲(chóng)之一，以其幼蟲(chóng)為害夏秋桑葉，以晚秋桑葉受害最重，發(fā)生嚴(yán)重時(shí)，造成桑葉產(chǎn)量下降，質(zhì)量變劣，影響蠶業(yè)生產(chǎn)。桑螟夏秋季幼蟲(chóng)吐絲綴葉成卷葉或疊葉，幼蟲(chóng)隱藏其中咀食葉肉，殘留葉脈和上表皮，形成透明的灰褐色薄膜，后破裂成孔。其排泄物污染葉片，影響桑葉質(zhì)量。9～10月因該蟲(chóng)為害致桑葉枯黃，影響秋季飼蠶或引發(fā)蠶病。基于此，桑樹(shù)蟲(chóng)害防治越早越有意義，但是目前桑螟危害主要由人工觀測(cè)為主，難于提前防范，經(jīng)歷桑螟危害初期的桑樹(shù)葉片組織結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，肉眼無(wú)法識(shí)別，只有借助其他方法來(lái)發(fā)現(xiàn)蟲(chóng)斑，并進(jìn)行及時(shí)的防治。

隨著光譜技術(shù)的快速發(fā)展，近紅外光譜檢測(cè)法、高光譜檢測(cè)法、電磁波檢測(cè)法及太赫茲波譜(terahert，thz)檢測(cè)法廣泛應(yīng)用于植物病蟲(chóng)害識(shí)別研究。由于大量的大分子振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)都處于太赫茲波段(0.1～10thz)，在太赫茲波段表現(xiàn)出很強(qiáng)的吸收和諧振，并且物質(zhì)的太赫茲光譜包含豐富的物理信息和化學(xué)信息。針對(duì)大多數(shù)的有機(jī)生物大分子，在太赫茲波段具有指紋特性，可以用于物質(zhì)的識(shí)別。此外，太赫茲光子能量低可避免生物細(xì)胞的燒傷以及光致電離損傷。太赫茲具有較強(qiáng)的穿透性，能穿透像桑樹(shù)葉片這種較薄的生物樣本。因此，太赫茲光譜檢測(cè)技術(shù)在識(shí)別桑樹(shù)葉片是否經(jīng)歷桑螟危害上具有一定的優(yōu)勢(shì)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供一種基于太赫茲光譜技術(shù)的受桑螟危害初期桑葉的識(shí)別方法，可在對(duì)桑樹(shù)的管理中，實(shí)現(xiàn)可以盡早發(fā)現(xiàn)桑螟蟲(chóng)害，解決了常規(guī)的人工觀測(cè)為主，難于提前防范的問(wèn)題。

本發(fā)明利用太赫茲技術(shù)的指紋性、高穿透性、低損害性，采用太赫茲光譜技術(shù)進(jìn)行桑樹(shù)葉片是否經(jīng)歷桑螟危害的識(shí)別。實(shí)驗(yàn)選用在相同生長(zhǎng)環(huán)境相同生長(zhǎng)期的健康的葉片以及受到桑螟危害初期的桑樹(shù)葉片，通過(guò)太赫茲時(shí)域光譜儀透射式模塊采集桑樹(shù)葉片的時(shí)域光譜，通過(guò)傅里葉變換將時(shí)域光譜轉(zhuǎn)換為頻域光譜，再在頻域光譜的基礎(chǔ)上提取太赫茲透過(guò)率光譜。然后對(duì)光學(xué)參數(shù)光譜進(jìn)行預(yù)處理優(yōu)化，主成分分析(pca)聚類分析后采用最小二乘支持向量機(jī)分析對(duì)健康葉片以及受桑螟危害初期的葉片進(jìn)行區(qū)分鑒定。本專利發(fā)明對(duì)盡早發(fā)現(xiàn)桑樹(shù)桑螟蟲(chóng)害并防治具有一定的理論與實(shí)踐指導(dǎo)意義。

本發(fā)明所采用的具體技術(shù)方案如下：

一種基于太赫茲光譜技術(shù)的受桑螟危害初期桑葉的識(shí)別方法，包括：

步驟1，挑選出未出現(xiàn)桑螟蟲(chóng)害的桑樹(shù)；

步驟2，對(duì)步驟1中篩選得到的桑樹(shù)樣本進(jìn)行人為可控的放置體長(zhǎng)12mm-15mm左右的桑螟幼蟲(chóng)，并對(duì)桑螟的活動(dòng)進(jìn)行監(jiān)督，每隔一段時(shí)間采集一次葉片，同時(shí)采集未放桑螟幼蟲(chóng)的健康桑葉和受桑螟幼蟲(chóng)危害之后的桑葉，得到桑葉樣本；

步驟3，采用太赫茲時(shí)域光譜儀采集參考信號(hào)和桑葉的太赫茲時(shí)域光譜；將太赫茲時(shí)域光譜轉(zhuǎn)換成太赫茲頻域光譜；

步驟4，從太赫茲頻域光譜中提取透過(guò)率光譜；并對(duì)透過(guò)率光譜進(jìn)行基線和平滑預(yù)處理；

步驟5，將健康桑葉和受桑螟幼蟲(chóng)危害之后的桑葉的類別編號(hào)分別賦值為1和0，然后分別與經(jīng)過(guò)基線和平滑預(yù)處理的透過(guò)率光譜進(jìn)行最小二乘支持向量機(jī)判別分析建模；

步驟6，采集的步驟(2)中的兩類桑葉，獲取兩類桑葉的太赫茲時(shí)域光譜，經(jīng)步驟(4)處理后帶入步驟(5)所建模型中，進(jìn)行受桑螟危害初期桑葉的識(shí)別。

作為優(yōu)選，步驟1中，依次對(duì)前三年、前兩年和前一年均未受到桑螟危害的桑樹(shù)進(jìn)行篩選，并對(duì)桑樹(shù)進(jìn)行觀察是否有蟲(chóng)卵，選擇沒(méi)有蟲(chóng)卵的三株桑樹(shù)。

作為優(yōu)選，步驟2中，在同一株桑樹(shù)上，選取合適大小的桑葉，放置桑螟幼蟲(chóng)，同時(shí)未防止桑螟幼蟲(chóng)跑到其他葉片，用網(wǎng)隔開(kāi)放置桑螟幼蟲(chóng)的桑葉，受桑螟危害桑葉的選取要保證桑螟幼蟲(chóng)在桑葉上有停留一段時(shí)間，采集樣本時(shí)間分別為放置桑螟幼蟲(chóng)10分鐘、30分鐘以及1小時(shí)的時(shí)候。每次健康以及受害葉片各采集20個(gè)，作為待測(cè)樣本。

作為優(yōu)選，選擇受桑螟危害初期桑葉的不同部位，共采集多個(gè)不同的點(diǎn)位、每個(gè)點(diǎn)位重復(fù)采集多次，取平均作為該葉片最終的時(shí)域光譜。具體的，步驟(3)中針對(duì)每個(gè)桑葉樣本，選擇葉肉部位、避開(kāi)葉脈部位，共采集12個(gè)不同的點(diǎn)位、每個(gè)點(diǎn)位重復(fù)采集3次，共采集36條時(shí)域光譜，將這36條譜取平均作為該葉片最終的時(shí)域光譜。積分時(shí)間為39.2ps，時(shí)域光譜的采樣點(diǎn)數(shù)為1000，時(shí)間分辨率為39.2fs。

作為優(yōu)選，在檢測(cè)過(guò)程中，樣本檢測(cè)倉(cāng)內(nèi)充干燥氮?dú)?，空氣濕度控制低?％，采用太赫茲時(shí)域光譜系統(tǒng)的透射掃描模塊，獲取以干燥氮?dú)鉃楸尘暗膮⒖夹盘?hào)桑葉的太赫茲時(shí)域光譜。

步驟(4)中經(jīng)傅里葉變換之后得到頻域光譜，取頻段范圍為0.1～4thz，頻率分辨率為25.5ghz。

作為優(yōu)選，步驟(4)中針對(duì)光學(xué)參數(shù)光譜，提取信噪比較高的0.1～3thz頻段的透過(guò)率光譜后，選取光譜范圍為0.1～3thz的譜段進(jìn)行主成分分析(pca)聚類分析后，使用最小二乘支持向量機(jī)(ls-svm)建模。

作為優(yōu)選，所述平滑處理的方法為savitzky-golay平滑。以達(dá)到去噪優(yōu)化的目的。

作為優(yōu)選，步驟(2)中兩種桑葉的類型編號(hào)分別幅值為1和0，然后與健康桑葉和受害桑葉的透過(guò)率光譜分別進(jìn)行最小二乘支持向量機(jī)判別分析方法進(jìn)行建模。

本發(fā)明獲取健康以及受桑螟危害桑葉在0-39.2ps內(nèi)的時(shí)域光譜；將時(shí)域光譜進(jìn)行傅里葉變換得到0.1～4thz范圍內(nèi)的頻率光譜；根據(jù)頻率光譜，提取信噪比較高的0.1～3thz范圍內(nèi)的透過(guò)率光譜；采用0.1～3thz范圍內(nèi)的透過(guò)率光譜分別與兩種桑葉的類別編號(hào)進(jìn)行最小二乘支持向量機(jī)分析建模，根據(jù)模型結(jié)果分析基于太赫茲光譜技術(shù)的受桑螟危害桑葉識(shí)別方法的可行性與精確度。

本發(fā)明專利利用太赫茲光譜技術(shù)，研究對(duì)受桑螟危害桑葉的識(shí)別情況，對(duì)盡早發(fā)現(xiàn)桑樹(shù)桑螟蟲(chóng)害并防治具有重大價(jià)值，展示了thz在農(nóng)業(yè)、農(nóng)作物病蟲(chóng)害識(shí)別領(lǐng)域中的應(yīng)用前景。

基于透過(guò)率光譜所建ls-svm模型的建模集精度為100％、預(yù)測(cè)集精度為86.67％。

針對(duì)基于太赫茲光譜技術(shù)的受桑螟危害初期桑葉的識(shí)別方法，相比于傳統(tǒng)的人工觀測(cè)，太赫茲光譜檢測(cè)技術(shù)由于具有指紋特性、高穿透性、相干特性、瞬態(tài)特性、強(qiáng)吸水性、低能量損害性等獨(dú)特的特性，更能及時(shí)發(fā)現(xiàn)桑樹(shù)桑螟蟲(chóng)害。因此，太赫茲光譜是用于受桑螟危害初期桑葉識(shí)別的科學(xué)手段之一。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明識(shí)別方法的流程圖；

圖2為太赫茲時(shí)域光譜儀光路圖；

圖3為基于太赫茲透過(guò)率光譜圖；

圖4為基于太赫茲透過(guò)率光譜模型結(jié)果圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合實(shí)施例和附圖來(lái)詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明，但本發(fā)明并不僅限于此。

如圖1所示，本實(shí)施例中基于太赫茲光譜技術(shù)的受桑螟危害初期桑葉的識(shí)別方法，包括以下步驟：

(1)樣本準(zhǔn)備及獲取：依次對(duì)前三年、前兩年和前一年均未受到桑螟危害的桑樹(shù)進(jìn)行篩選，并對(duì)桑樹(shù)進(jìn)行觀察是否有蟲(chóng)卵，選擇沒(méi)有蟲(chóng)卵的三株健康桑樹(shù)，此桑樹(shù)要求生長(zhǎng)正常。對(duì)篩選得到的健康桑樹(shù)進(jìn)行人為可控的放置體長(zhǎng)12mm-15mm左右的桑螟幼蟲(chóng)，分為三組，編號(hào)分別為a、b、c，分別放在三株桑樹(shù)的桑葉上，桑葉大小合適，盡可能保持相同葉位的葉片大小相近的完整葉片。對(duì)桑螟的活動(dòng)進(jìn)行限制與監(jiān)督，為防止桑螟幼蟲(chóng)跑到其他葉片，用網(wǎng)隔開(kāi)放置桑螟幼蟲(chóng)的桑葉，同時(shí)在周邊放置攝影機(jī)，觀察每只桑螟的活動(dòng)。a、b、c編號(hào)的桑樹(shù)采集樣本時(shí)間分別為放置桑螟幼蟲(chóng)10分鐘、30分鐘以及1小時(shí)的時(shí)候，同一株桑樹(shù)上健康以及受害葉片各采集20個(gè)，作為待測(cè)樣本。

(2)光譜采集：實(shí)驗(yàn)儀器采用cip-thz透射掃描系統(tǒng)。太赫茲時(shí)域光譜儀光路圖如圖2所示，圖中包括：飛秒激光器1和分光鏡2，位于探測(cè)脈沖光路上的電機(jī)3、探測(cè)天線4、拋物鏡5、樣品6和鎖相放大器7，位于激發(fā)脈沖光路上的回反射鏡8、音圈電機(jī)9、聚焦透鏡10、發(fā)射天線11、硅透鏡12和拋物鏡13。樣品6、拋物鏡5和拋物鏡13放置在樣品倉(cāng)內(nèi)。向樣本倉(cāng)內(nèi)充滿的干燥氮?dú)猓瓜到y(tǒng)內(nèi)部濕度小于5％。整個(gè)掃譜過(guò)程中，實(shí)驗(yàn)室內(nèi)恒溫295k，相對(duì)濕度恒低于20％。先采集以氮?dú)鉃楸尘暗膮⒖脊庾V，然后檢測(cè)已經(jīng)采集好的待測(cè)樣本。每個(gè)葉片選擇9個(gè)不同的點(diǎn)位(選擇葉肉部分，避開(kāi)葉脈部位)，每個(gè)點(diǎn)位重復(fù)采集3次。將獲取的27條時(shí)域光譜取平均作為該樣本的太赫茲時(shí)域光譜，如圖3所示。

(3)光譜處理：將所采集的樣本太赫茲時(shí)域光譜進(jìn)行傅里葉變換，轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的頻域譜數(shù)據(jù)，計(jì)算得到所測(cè)樣品的透過(guò)率t(ω)主要的光學(xué)參數(shù)光譜。提取的頻段范圍為0.1～3thz，基線處理后采用savitzky-golay方法對(duì)透過(guò)率光譜進(jìn)行平滑去噪處理。

太赫茲發(fā)射的頻域波形為e0(ω)，探測(cè)器直接接收到的發(fā)射頻域波形即為參考光譜eref(ω)，穿過(guò)樣品之后探測(cè)器接收到的頻域波形為樣本信號(hào)esample(ω)。測(cè)量的樣品宏觀光學(xué)性質(zhì)可以用復(fù)折射率n～表示：

其中，n(ω)為樣品的實(shí)際折射率，它描述的是樣品的色散；k(ω)為消光系數(shù)，它描述的是樣品的吸收特性。ω＝2πf，f為頻率。自由空間空氣折射率為1，則參考光譜eref(ω)表達(dá)式為：

l為太赫茲脈沖在自由空間傳播的距離，c為光速，穿過(guò)樣品的信號(hào)光譜可表示為：

其中d為樣品厚度，1/(n(ω)+1)和2n(ω)/(n(ω)+1)分別為太赫茲脈沖入射樣品和出射樣品的透射系數(shù)。因此，太赫茲脈沖穿過(guò)樣品后的透射率可以表示為：

(4)模型建立：將a，b，c三組中的健康桑葉以及受桑螟危害桑葉的編號(hào)分別賦值為1和0，然后與經(jīng)過(guò)savitzky-golay方法處理后透過(guò)率光譜分別進(jìn)行主成分分析以及最小二乘支持向量機(jī)分析建模，如圖4所示。根據(jù)模型結(jié)果進(jìn)行健康以及受害桑葉鑒定，其結(jié)果為：基于透過(guò)率光譜所建ls-svm模型的建模集精度為100％、預(yù)測(cè)集精度為86.67％。說(shuō)明采用太赫茲的常用透過(guò)率光譜能較準(zhǔn)確的識(shí)別鑒定出健康桑葉以及受桑螟危害桑葉，在農(nóng)業(yè)檢測(cè)植物病蟲(chóng)害上具有重要的推廣價(jià)值。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施舉例，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。

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