荧光诱导的植物病害早期预警及生长信息监测系统研究

发布时间：2020-07-17 15:18

【摘要】：近年来,随着我国农业的不断发展,因农业生产不科学所带来的土壤肥力下降、环境污染及农药残留等问题也逐渐凸显出来,如何合理利用资源,降低生产成本,成为我国农业发展的重点。论文从植物荧光探测入手,对植物生长信息与光电检测信号的关联性进行研究,设计一套能够快速精确检测植物生长信息的系统,为精细化农业生产提供更准确的植物信息数据。论文在分析比对国内外植物信息检测技术发展现状的基础上,提出了采用近红外法检测植物水分、叶绿素相对含量法(SPAD)检测植物叶绿素含量、叶绿素荧光强度法检测植物氮肥含量、叶绿素荧光成像技术检测植物病害,根据各自信息的检测原理及农业物联网的特点,设计了包含传感器检测、微控制单元(MCU)、无线通讯(Wi-Fi)、分析模型、数据库与浏览网页(Web)等模块组成的植物生长信息监测系统,实现了多路植物信息的快速精确检测。利用接种病菌植物叶片的荧光图像信息分析了荧光特性参数Rfd与病害侵染间的关联性,建立了以Rfd为主要输入量、病害程度为输出量的病害早期预警模型,验证了模型的准确性。通过叶绿素含量、水分及氮肥含量的标定及检测实验,建立了完整的植物生长信息监测模型,并通过重复性与稳定性实验分析了系统的准确性。实验结果表明,所设计的系统是可靠的,系统的监测效率比传统方法的监测效率更高,监测值与真实值的相关系数R值均在0.85以上,具有良好的相关性。实验研究表明,病害会对植物荧光产生影响,可以利用荧光特性参数Rfd对植物病害进行早期预警。基于光电检测技术和物联网技术搭建的植物生长信息监测系统可以在不损伤叶片的情况下,实现植物多路信息的快速精准检测,具有良好的性能,系统建立的植物生长信息模型可以反映植物的真实生长状态。
【学位授予单位】：西安理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：S432;TP274
【图文】：

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活体植物的叶片含水量，本文拟采用近红外光测量法来实现植物水分的检测，最大限度地减小对植物生长的影响。为提升系统的检测效果，需要根据植物水分吸收的光谱特性，选取合适的近红外光源。自然光下植物反射光谱特性曲线如图2-1所示。图 2-1 植物反射光谱特性曲线Fig.2-1 Plants reflectance spectra characteristic curve由图2-1可知，叶片水分对一定波长的红外光具有强烈的吸收作用，980nm、1200nm、1450nm及1950nm为水分的红外吸收峰，其中980nm与1200nm波长处的吸收率过小，红外光不易透过被测叶片；1950nm波长处的吸收率过大，导致测量的范围较窄，一般可用于小范围的测量；1450nm波长的吸收率适中，叶片的反射光谱与含水量在此处的相关性最为密切，该波长附近的光谱吸收峰仅反映叶片水分的吸收作用。根据叶片水分与植物反射光谱特性，本课题最终选用1450nm红外光LED作为水分检测的透射测量光源

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400 450 500 550 600 650 700 图 2-3 叶绿素的吸收光谱Fig.2-3 Absorption spectrum of chlorophyll荧光激发光谱与叶绿素吸收光谱近似，可以根据叶绿素吸发光源的波长。由于叶绿素荧光主要由叶绿素 a 产生，所波长时，只需要考虑叶绿素 a 的吸收光谱。根据光能在 a 吸收率较低的激光光源，可以降低用于光合作用的吸激发叶绿素荧光。定波长激发后，叶绿素分子发射的荧光波长与荧光强度之射光谱，简称叶绿素荧光光谱，如图 2-4 所示。叶绿素荧BGF）和 600nm 以上的长波长（RF 与 FRF）两部分组40nm 附近波段存在峰值，其中 680nm 波长附近叶绿素荧绿素 a 产生，740nm 波长附近叶绿素荧光由 PSⅠ反应中荧光强度100RFFRF

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西安理工大学硕士学位论文法析法主要包括荧光光谱分析法和叶绿素荧光强度在各波长区间内的对应关系；后一种是研解两种方法的原理，才能正确地选择符合系统法用光谱仪等分光仪器将荧光按波长进行分光荧光信息的解析。如上节介绍，植物的叶绿素在内的大量生理信息。因此，叶绿素荧光光谱面的检测。法主要依据光强、水分、氮肥等影响因素对光之间建立一种函数关系，依靠这种关系，就能，是一种间接分析技术，需要通过建立标定模般流程如图 2-5 所示。

【参考文献】