基于高光譜圖像技術(shù)的番茄葉片和植株抗氧化酶系統(tǒng)活性測(cè)定研究.pdf

1、農(nóng)業(yè)是國(guó)民經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)，農(nóng)業(yè)的發(fā)展關(guān)系國(guó)計(jì)民生。隨著科技的進(jìn)步，精細(xì)農(nóng)業(yè)和農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)得到不斷的發(fā)展，這為我國(guó)農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展提供了技術(shù)支持。針對(duì)精細(xì)農(nóng)業(yè)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在農(nóng)業(yè)中應(yīng)用的需求，傳統(tǒng)的化學(xué)分析手段和信息獲取方法已經(jīng)不能滿(mǎn)足現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的需要，快速無(wú)損檢測(cè)技術(shù)是一個(gè)亟待發(fā)展的領(lǐng)域。傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)耕作方式和日益嚴(yán)重的環(huán)境污染，重金屬污染對(duì)農(nóng)業(yè)造成了越來(lái)越嚴(yán)重的影響。本研究采用廣泛種植的番茄作為研究對(duì)象，以Cu2+離子脅迫作為環(huán)境控制條件，

2、重點(diǎn)研究高光譜圖像技術(shù)建立模型對(duì)番茄葉片中抗氧化酶活性的快速無(wú)損測(cè)定。通過(guò)化學(xué)測(cè)定和預(yù)測(cè)模型的建立，分析了Cu2+脅迫對(duì)番茄葉片中抗氧化酶活性的影響，實(shí)現(xiàn)了CAT、POD和SOD酶活性的快速測(cè)定，探討了高光譜圖像紋理參數(shù)建模預(yù)測(cè)酶活性的可能性，討論了標(biāo)準(zhǔn)掃描情況下建立的模型用于預(yù)測(cè)整株掃描下酶活性的預(yù)測(cè)效果。這對(duì)快速判斷番茄植株生長(zhǎng)狀況和農(nóng)業(yè)科學(xué)者快速測(cè)定酶活，對(duì)實(shí)現(xiàn)番茄種植的精細(xì)化管理都有重要的意義。本研究的主要研究成果有：
　

3、　 (1)通過(guò)化學(xué)分析得到，在0mg/L、25mg/L和50mg/L，濃度的Cu2+離子脅迫下，番茄葉片中CAT、POD和SOD酶活性均隨著脅迫濃度的升高而增加，在50mg/L濃度下達(dá)到最大值，分別為280.00U/g、566.38U/g和290.91U/g。不同濃度下番茄葉片中CAT、POD和SOD酶活性的差異是建立預(yù)測(cè)模型的化學(xué)基礎(chǔ)。
　　 (2)從光譜維分析，實(shí)現(xiàn)了番茄葉片中CAT、POD和SOD酶活性的快速檢測(cè)。采用光

4、譜建模的基本方法：提取光譜曲線進(jìn)行預(yù)處理，用SPA提取特征波長(zhǎng)，最后建立酶活性的預(yù)測(cè)模型。六種預(yù)處理方法(SG、SNV、MSC、1-Der、2-Der和DOSC)中DOSC預(yù)處理對(duì)三種酶的活性預(yù)測(cè)均最好。CAT活性預(yù)測(cè)模型建立中發(fā)現(xiàn)：基于SPA算法獲得的特征波段958nm和419nm下的光譜反射率信息建立的DOSC-SPA-PLS模型在所有的預(yù)測(cè)模型(SPA-MLR、SPA-PLS、SPA-BPNN、SPA-LS-SVM)中效果最佳。模

5、型對(duì)預(yù)測(cè)集的預(yù)測(cè)效果Rp=0.9800，RMSEP=12.12U/g。POD活性預(yù)測(cè)模型研究表明：SPA算法獲得的八個(gè)特征波段443nm、464nm、413nm、410nm、401nm、402nm、426nm和926nm下光譜信息建立的DOSC-SPA-PLS模型對(duì)預(yù)測(cè)集的預(yù)測(cè)結(jié)果為Rp=0.9353，RMSEP=37.80U/g，預(yù)測(cè)效果最佳。SOD酶活性研究發(fā)現(xiàn)：SPA算法獲得的978nm、401nm和418nm這三個(gè)特征波段下光譜

6、信息建立的DOSC-SPA-PLS預(yù)測(cè)效果也是最佳的，且對(duì)預(yù)測(cè)集的預(yù)測(cè)效果為Rp=0.9476，RMSEP=19.28U/g。以上說(shuō)明通過(guò)光譜維對(duì)高光譜圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行分析結(jié)合化學(xué)計(jì)量學(xué)方法得到的可見(jiàn)近紅外光譜信息能夠?qū)Ψ讶~片中CAT、POD和SOD酶活性進(jìn)行預(yù)測(cè)，且預(yù)測(cè)效果比較滿(mǎn)意。
　　 (3)從圖像維分析，探索利用高光譜圖像的紋理信息預(yù)測(cè)番茄葉片中抗氧化酶活性。用MNF對(duì)原始高光譜圖像進(jìn)行了預(yù)處理，PCA提取主成分圖像，利用

7、主成分圖的載荷系數(shù)得到了7個(gè)特征波段，從每幅圖中提取了8個(gè)紋理參數(shù)，利用紋理參數(shù)分別對(duì)CAT、POD和SOD活性建立了四個(gè)預(yù)測(cè)模型PLS、DOSC-PLS、PCA-BPNN和PCA-LS-SVM。CAT酶活性預(yù)測(cè)研究表明：CAT酶活性預(yù)測(cè)的最佳模型為PCA-BPNN模型，Rp為0.6830，RMSEP為35.85U/g。POD酶活性預(yù)測(cè)研究表明：最佳模型為PCA-LS-SVM模型，Rp為0.6894，RMSEP為43.08U/g。PLS

8、、DOSC-PLS和PCA-LS-SVM模型的對(duì)預(yù)測(cè)集的Rp均在0.5以下。SOD活性預(yù)測(cè)研究發(fā)現(xiàn)：最佳預(yù)測(cè)模型是PCA-LS-SVM模型，Rp為0.6107，RMSEP為45.84U/g。PLS和DOSC-PLS這兩個(gè)線性模型的效果很差，Rp在0.5以下，而非線性模型PCA-BPNN明顯要好于線性模型的預(yù)測(cè)效果。圖像維建模預(yù)測(cè)效果的探索研究說(shuō)明：從圖像維對(duì)高光譜圖像分析，用紋理參數(shù)來(lái)預(yù)測(cè)番茄葉片中CAT、POD和SOD酶活性的效果不是

9、很好，需要通過(guò)提高酶活性值、選擇紋理參數(shù)中同酶活性相關(guān)信息等手段來(lái)改進(jìn)現(xiàn)有的預(yù)測(cè)模型。
　　 (4)繪制了番茄葉片中POD酶活分布圖，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)掃描從光譜維建立的預(yù)測(cè)CAT活性的DOSC-SPA-PLS模型用于整株掃描的研究表明：雖然該模型對(duì)標(biāo)準(zhǔn)采樣數(shù)據(jù)有很好的預(yù)測(cè)結(jié)果，亦能和化學(xué)分析測(cè)定的CAT活性很好地吻合，但標(biāo)準(zhǔn)掃描建立的CAT酶活性預(yù)測(cè)模型預(yù)測(cè)整株中的效果實(shí)在讓人難以接受，分布散，真實(shí)測(cè)定值和預(yù)測(cè)值差異很大。這證明用單葉片掃