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Resonon | 高光譜成像儀在番茄細(xì)菌性葉斑病早期檢測(cè)方面的應(yīng)用
植物病原體的傳播對(duì)農(nóng)業(yè)產(chǎn)量構(gòu)成重大威脅，而早期病害檢測(cè)是精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)中的一大關(guān)鍵挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)檢測(cè)方法在靈敏度和效率方面存在局限，而高光譜成像（HSI）和多光譜成像（MSI）等基于成像的技術(shù)憑借其非侵入性、高通量和自動(dòng)化優(yōu)勢(shì)，展現(xiàn)出巨大潛力。研究表明，這些技術(shù)可在作物癥狀出現(xiàn)前檢測(cè)病害，準(zhǔn)確率高達(dá)90%以上。然而，目前的研究仍存在空間分辨率和光譜分辨率不足、樣本病原體負(fù)荷驗(yàn)證不充分以及環(huán)境因素影響未明確等局限。本研究以番茄細(xì)菌性葉斑病（BLS）為模型，結(jié)合高光譜相機(jī)與機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)，全面表征從接種前到疾病進(jìn)展全過程的葉片光譜變化，驗(yàn)證病原體負(fù)荷與光譜數(shù)據(jù)的相關(guān)性，并分析成像背景因素對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響。研究結(jié)果表明，HSI 技術(shù)可實(shí)現(xiàn)番茄幼苗上 BLS 的早期檢測(cè)，從而有助于溫室中及時(shí)移除受感染植株，有效降低大規(guī)模疫情的風(fēng)險(xiǎn)。
番茄種子（Solanum lycopersicum，品種 Early Girl，Mountain Valley Seed Co.）播種于48格托盤，在25-38°C溫室中生長(zhǎng)三周。種子在播種后7-10天發(fā)芽，2周后施一次肥（Osmocote Smart-Release, ICL），每日澆水兩次（上午8點(diǎn)和下午5點(diǎn)，各2分鐘）。接種實(shí)驗(yàn)使用三周大的番茄植株，在接種前后24小時(shí)用無菌水噴灑并裝袋處理。
番茄植株通過浸入含300 mL X. perforans 接種液和0.02% Silwet 的滅菌杯中1分鐘完成接種；對(duì)照植株則浸入含300mL10 mM MgSO? 和0.02% Silwet 的滅菌杯中。實(shí)驗(yàn)共進(jìn)行了兩次：第一次分為8個(gè)單元，每單元包含2株植株，其中1-2和5-6單元為對(duì)照組，3-4和7-8單元為接種組；第二次實(shí)驗(yàn)有10個(gè)單元，1-5單元為對(duì)照組，6-10單元為接種組。
每個(gè)實(shí)驗(yàn)收集數(shù)據(jù)九次：接種前 (bi)、接種后 2 小時(shí)（接種后 0 天，dai）、從 1 到 7 天每 24 小時(shí)收集一次。收集了三種類型的數(shù)據(jù)，包括疾病評(píng)級(jí)、細(xì)菌種群大小測(cè)量和高光譜圖像數(shù)據(jù)（圖 1）。根據(jù)對(duì)每個(gè)實(shí)驗(yàn)單元中番茄植株的目視觀察收集與疾病相關(guān)的數(shù)據(jù)。然后從每個(gè)實(shí)驗(yàn)單元中摘除一到六片葉子。在評(píng)估脫落葉片的疾病嚴(yán)重程度后，作者團(tuán)隊(duì)使用Resonon高光譜臺(tái)式成像系統(tǒng)（Resonon PIKA-L 和 PIKA-IR）捕捉每個(gè)脫落葉片的高光譜圖像。然后對(duì)葉片進(jìn)行處理以估計(jì)葉片組織中的細(xì)菌種群大小。
圖1. 數(shù)據(jù)收集和數(shù)據(jù)分析的過程。
高光譜圖像采集使用Resonon Pika L高光譜成像儀（可見光和近紅外：400-1000 nm）和 Pika NIR320高光譜成像儀（短波紅外：900-1700 nm）臺(tái)式系統(tǒng)收集葉片的高光譜圖像。
圖2. 高光譜掃描精度（A）背景材料（B）、葉片大小（C）、葉片結(jié)構(gòu)（D）對(duì)番茄葉片反射率的影響。
圖3. 在 BLS 病害進(jìn)展的開始 (A)、早期 (B)、中期 (C) 和晚期 (D) 階段，未接種和接種番茄植株的相似性。使用葉片級(jí)全光譜分析中使用的所有數(shù)據(jù)集生成圖表。
圖4. 使用 7 天像素級(jí)全光譜數(shù)據(jù)訓(xùn)練的最佳模型預(yù)測(cè) 7 天離體葉片 HSI 圖像上的像素健康狀況。左：VISNIR RF 模型。右：SWIR SVM 模型。
高光譜成像（HSI）在早期疾病檢測(cè)中表現(xiàn)出良好效果，但缺乏驗(yàn)證的高分辨率（空間和光譜）HSI 數(shù)據(jù)來表征植物葉片在不同疾病進(jìn)展階段的反應(yīng)。為彌補(bǔ)這一不足，作者團(tuán)隊(duì)以番茄細(xì)菌性葉斑?。ù┛S 單胞菌）為模型，對(duì)番茄葉片高光譜圖像進(jìn)行了連續(xù)七天的病原體種群驗(yàn)證，以揭示健康葉片與受感染葉片之間的差異。通過葉片級(jí)全光譜數(shù)據(jù)、植被指數(shù)（VI）數(shù)據(jù)和四個(gè)疾病進(jìn)展階段的像素級(jí)全光譜數(shù)據(jù)訓(xùn)練機(jī)器學(xué)習(xí)模型。結(jié)果顯示，HSI 能在癥狀前階段檢測(cè)疾病，并有效區(qū)分細(xì)菌性病斑與非生物性葉斑。相比直接使用原始數(shù)據(jù)，VI 數(shù)據(jù)作為機(jī)器學(xué)習(xí)特征可將分類性能提高 26–37%。不同疾病階段的關(guān)鍵波段和 VI 各不相同，癥狀前檢測(cè)主要依賴葉片含水量（1400 nm）和植物防御激素反應(yīng)（750 nm）的變化，而癥狀期更依賴葉片色素和內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化（800–900 nm）。綜上，這項(xiàng)研究揭示了 HSI 在早期葉片病害檢測(cè)中的潛力，強(qiáng)調(diào)葉片結(jié)構(gòu)分割和 VI 模式分析的重要性，同時(shí)為細(xì)菌性斑點(diǎn)病的動(dòng)態(tài)過程提供了重要見解。
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