基于LIBS-NIR联合光谱的脐橙黄龙病鉴别研究

发布时间：2020-10-09 13:29

　　脐橙黄龙病(Huanglongbing,HLB)是一种限于韧皮部内寄生的革兰氏阴性细菌(Candidatus Liberibacter asiaticus,CLas)引起的毁灭性病害,严重影响脐橙果树的生长和果实的产量及品质,对世界范围内的脐橙产业造成巨大的损失。截止到目前,尚未有根本性的有效解决办法。光谱检测法具有检测速度快、无需复杂预处理的优点,可以实现对检测对象准确快速、绿色无污染的检测。本论文以“赣南脐橙”为研究对象,探究LIBS-NIR联合光谱对黄龙病快速检测的可行性,主要研究内容如下所示:(1)检测分析了正常、黄龙病脐橙中糖度、矿物质元素含量的差异,揭示了黄龙病对脐橙内部品质和理化性质的影响,提出了黄龙病对脐橙果树生长、结果等造成影响的可能机理原因,为光谱检测法对脐橙黄龙病的快速检测提供了实验基础,并提供了基于元素层次的脐橙黄龙病分析研究新思路。试验结果表明:(1)黄龙病、正常脐橙的糖度具有一定差异性,正常脐橙的糖度均值为11.3 Brix,黄龙病脐橙的糖度均值仅为8.6 Brix,采用Kolmogorov-Smirnov检验(K-S检验)探究两者的差异显著性,其Sig值为0.000,表明正常、黄龙病脐橙的糖度具有显著差异性;(2)脐橙感染黄龙病后矿物质元素含量具有一定变化,正常脐橙叶片中的Ca元素含量均值由正常时的15148 mg/kg下降为7625 mg/kg,叶片中的Zn元素含量均值由正常时的198mg/kg下降为70 mg/kg,脐橙果皮中的Zn元素含量均值由正常时的67 mg/kg增加为139 mg/kg,采用K-S检验探究其差异显著性,其Sig值均小于0.05,表明其变化具有显著性。(2)基于激光诱导击穿光谱(Laser induced breakdown spectroscopy,LIBS)技术,以脐橙果皮为研究对象,建立了脐橙黄龙病快速识别模型,实现了对黄龙病的快速鉴别,为黄龙病脐橙智能化机械剔除及感病植株的移除提供了技术支撑。采集正常、黄龙病脐橙果皮LIBS等离子体时间演变形貌图及光谱图,分析两者在等离子体形貌、LIBS光谱的差异性。提出连续小波变换(Continuous wavelet transform,CWT)、主成分分析(Principal component analysis,PCA)两种特征变量自动提取法,减少无关变量对试验的影响,提高识别模型效率。试验结果表明:(1)脐橙果皮等离子体体积在采集延迟1.0~2.0μs时最大,且正常、黄龙病脐橙果皮LIBS等离子体时间形貌具有一定差异性,说明了采用LIBS技术快速检测黄龙病的可行性;(2)分析脐橙果皮主要元素特征谱线强度和K元素内标其它主要元素结果可知,正常、黄龙病脐橙果皮LIBS光谱图具有一定差异性且患病脐橙果皮中的Mg、H含量减少,Ca、Na元素含量增加;(3)采用CWT、PCA特征变量自动提取法结合Fisher判别分析模型(Fisher discriminant analysis,FDA)、多层感知机神经网络模型(Multilayer perception neural network,MLP)对黄龙病鉴别准确率均在94.0%以上,且PCA-MLP训练集和预测集准确率均达到了100.0%。(3)基于近红外光谱(Near infrared spectrum,NIR)、LIBS光谱技术,以脐橙叶片为分析对象,进一步提出了具有更大检测优势的LIBS-NIR联合光谱技术,实现了对脐橙黄龙病的快速准确鉴别,揭示了联合光谱相较于单种光谱的检测优势,为其它领域的联合光谱检测提供了的参考。从理论上分析了造成正常、黄龙病脐橙叶片等离子体形貌、LIBS、NIR光谱差异的可能原因,采用基线校正降低背景信号等对光谱质量的影响。试验结果表明:(1)分析叶片LIBS主要元素特征谱线强度和以K元素内标其它主要元素发现黄龙病脐橙叶片Mg、Ca、C、H、O元素含量下降,Na元素含量增加,说明了采用光谱检测法对黄龙病预测的可行性;(2)LIBS-NIR联合光谱数据获得了相较于单种光谱技术更高的鉴别准确率,联合光谱结合PCA-MLP模型训练集鉴别准确率达到89.5%,预测集准确率达到95.7%。
【学位单位】：江西农业大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：S436.66
【部分图文】：

路线图,试验技术,路线图,黄龙病

1 绪论多层感知机神经网络模型（Multilayer perception neural network，MLP）分类模型实现对黄龙病快速准确、绿色微损诊断鉴别研究，主要研究内容如下：（1）检测正常、黄龙病脐橙的糖度和果皮、果肉、叶片主要矿物质元素含量的差异，并进一步分析导致其差异的可能原因；（2）以新鲜脐橙果皮为研究对象，基于 LIBS 光谱技术，采集正常、黄龙病脐橙果皮 LIBS 等离子体时间演变形貌并进一步分析其演变规律及差异，探究 PCA、CWT 两种特征变量自动提取法结合 MLP、FDA 两种分类模型对脐橙黄龙病诊断鉴别的可行性；（3）以新鲜脐橙叶片为研究对象，研究分析正常、黄龙病脐橙叶片 LIBS 等离子体时间演变规律的差异，基于 LIBS、NIR 光谱并进一步提出 LIBS-NIR 联合光谱，探究 PCA、PCA FDA、PCA MLP 函数分类模型诊断鉴别黄龙病的可行性。本文主要研究思路和技术路线如图 1-1 所示。

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物质元素含量，为黄龙病的病理研究提供了数据支撑，也为黄龙病的防治提的参考。样品制取脐橙样品的采集南脐橙”被列为全国十一大优势农产品之一，荣获“中华名果”等称号，其西赣州也是我国最大的脐橙种植区。近年来，江西赣州地区脐橙果树出现大龙病疫情，对当地脐橙种植业造成巨大的危害。本课题组所依托单位——江学与江西赣州具有极佳的地缘优势，方便本课题组成员跟踪调查，并快速采验样品。除此之外，本课题组与当地脐橙种植户建立了深厚的长期合作关系题组的试验样品采集提供了便利。因此，本研究以“赣南脐橙”为典型研究多位高级农艺师的指导下于江西省赣州市南康区、信丰县、安远县、寻乌县场采集试验样品，并且经高级农艺师鉴别患病与否。同时，为了避免因运输导致的样品水分丧失，对分类后的样品密封包装运输。图 2-1 为本课题组成样图片。

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材之前；当 D 值为 0 时，表明激光焦点正好处于靶材表面；当 D 值为负值时，表明激光焦点处于靶材之后，具体情况如图 2-2 所示。激光光束靶材激光焦点(a) D>0 (b) D=0 (c) <0图 2-2 不同离焦量下的激光焦点相对于靶材的状态Fig 2-2 The state of the laser focus relative to the target at different defocusings为了尽可能使脐橙果皮表面平整，进而保证离焦量的一致性，每个脐橙切取直径约 20 mm 大小的新鲜果皮作为试验样品。脐橙果皮样品制备过程如图 2-3 所示。

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