Videometer多光譜成像在菠菜種子健康檢測(cè)中的應(yīng)用

摘要：種子健康測(cè)試非常耗時(shí)，需要對(duì)種子上致病真菌的特性進(jìn)行大量測(cè)試。奧胡斯大學(xué)在菠菜（菠菜屬）上試驗(yàn)了一種利用多光譜視覺(jué)系統(tǒng)識(shí)別不同真菌感染表面特性的新方法。我們的研究表明，波長(zhǎng)在395-970 nm之間的多光譜成像可用于區(qū)分未感染的菠菜種子和感染黃萎病、鐮刀菌、葡萄莖葉菌、枝孢菌和交鏈孢菌的種子�；�于平均像素強(qiáng)度、典型判別分析（CDA）和Jeffries Matusita分類(lèi)（JM）距離的分析分離表明，近紅外光譜（NIR）和可見(jiàn)光譜（VIS）的組合能夠從80-100%范圍內(nèi)的受感染種子中識(shí)別未受感染的種子。僅使用NIR進(jìn)行分類(lèi)，未感染和鐮刀菌感染種子之間的分離率為26-88%。鏈格孢菌和鐮刀菌可以相互區(qū)別，也可以與枝孢菌、輪枝菌和莖葉菌相區(qū)別。枝孢菌、輪枝菌和莖葉菌的分離在實(shí)際應(yīng)用之前需要進(jìn)一步發(fā)展。
 

圖1.六類(lèi)自然感染種子在不同波長(zhǎng)下的像素強(qiáng)度平均值。平均值的計(jì)算基于多光譜圖像中18×18像素的ROI
 

圖1所示的曲線圖顯示了19種不同波長(zhǎng)下所有六種種子類(lèi)別的像素強(qiáng)度平均值。在較低波長(zhǎng)（395-505nm）下，所有六類(lèi)的平均強(qiáng)度均低于40。在波長(zhǎng)850-970 nm處，未感染和鐮刀菌屬感染的種子的平均值高于其他種子（強(qiáng)度高于110），而鏈格孢菌感染的種子的平均值低于30。同一類(lèi)種子之間的差異表明，鏈格孢菌具有一致的特征，與輪生菌屬和葡萄莖葉菌相比，其通過(guò)近紅外波長(zhǎng)測(cè)量的像素強(qiáng)度在60-120之間變化。未感染和鐮刀菌感染的種子更為均勻，但干擾了其他兩類(lèi)（數(shù)據(jù)未顯示）。
 

圖2.用可見(jiàn)光（550nm）（a）和近紅外光（890nm）（b）拍攝六組種子的圖像。種子分為六組，每組三個(gè)種子：1）未感染種子，2）葡萄莖葉菌3）鐮刀菌屬，4）枝孢菌屬，5）輪枝菌屬和6）交替鏈格孢菌

在代表可見(jiàn)光波長(zhǎng)（395-700 nm）的圖片中，所有種子都呈現(xiàn)黑色，無(wú)法區(qū)分六種種子類(lèi)別（圖2a）。在代表NIR波長(zhǎng)（850-970 nm）的圖片中，可以從視覺(jué)上區(qū)分未感染的種子和受感染的種子，但鐮刀菌屬受感染的種子除外，它們看起來(lái)像未感染的種子（圖2b）。在六個(gè)類(lèi)別的反射分布模式（以像素強(qiáng)度測(cè)量）中，比較了人工感染和自然感染的種子（圖3）。NIR波長(zhǎng)由基于890 nm數(shù)據(jù)的曲線圖表示。對(duì)于自然和人工感染的種子，顯示了三組模式，其峰值分別為低（鏈格孢菌）、中（莖葉菌、枝孢菌和黃萎�。┖透呦袼貜�(qiáng)度（未感染和鐮刀菌）（圖3 c+d）。在以550 nm表示的可見(jiàn)光波長(zhǎng)中，沒(méi)有組，但自然和人工感染種子的低像素強(qiáng)度的類(lèi)的峰值（圖3 a+b）。
 

圖3.顯示六個(gè)種子類(lèi)別的反射率分布的圖：在550nm處捕獲的人工感染種子；灣在550nm處捕獲的自然感染種子；C。人工感染的種子在890nm和d.自然感染的種子在890nm處捕獲

使用可見(jiàn)光和近紅外波長(zhǎng)進(jìn)行成對(duì)比較的結(jié)果表明，在所有六個(gè)種子中，15對(duì)中只有3對(duì)可以完全分離（數(shù)據(jù)未顯示）。一般來(lái)說(shuō)，未感染的種子可以從真菌感染的種子中分離出來(lái)，只有少數(shù)種子的JM距離在80-94%之間。黃萎病菌、枝孢菌和葡萄莖葉菌的分離獲得較低的JM值，表明它們更難分離。
 

基于近紅外區(qū)域波長(zhǎng)的Jefferies Matusita距離給出了類(lèi)似的結(jié)果，除了從鐮刀菌屬感染種子分離的未感染種子，其中JM值范圍為26-88%（表2）。表3中基于可見(jiàn)光波長(zhǎng)的數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)了對(duì)比結(jié)果，其中鐮刀菌屬感染和未感染種子的JM距離范圍為92-100%。通過(guò)比較葡萄莖葉菌、黃萎病菌屬、鐮刀菌屬和枝孢菌屬，發(fā)現(xiàn)了14-100%的數(shù)值（表3），表明當(dāng)使用可見(jiàn)光波長(zhǎng)作為唯一的測(cè)量方法時(shí)，將真菌感染的種子彼此分離更加困難。