快照式视频高光谱技术用于草莓植株和果实的真菌病害无损识别

有多种真菌病害会感染整株草莓植株。这些病害会在叶片、茎、花以及果实上引发多种症状，具体如下：

· 叶片：枯萎、卷曲、出现斑点、变色、产生病斑、出现坏死组织。

· 茎和花：病斑、坏死组织。

· 果实：质地变硬且表面籽状、覆有霉菌、出现凹陷斑点。

叶片通常是真菌感染症状最先出现且最容易观察到的部位。能够及早发现这些症状，尤其是在肉眼还无法观察到时，对于其采取有效的干预措施至关重要。

Living Optics高光谱相机可对场景中的每个像素采集可见光和近红外区域的96个光谱波段。与传统的RGB成像不同，高光谱成像(HSI)能够检测光吸收和反射的细微变化，从而在症状出现之前识别植物胁迫。归一化植被指数(NDVI)是遥感领域广泛使用的指标，可快速评估植物健康状况。高光谱成像数据可用于实时生成归一化植被指数图，帮助农户实现以下操作：

· 设置自定义阈值以触发警报

· 标记需要针对性处理的区域

· 监测健康状况以评估疾病随时间的发展情况

我们已经探索了两个概念验证，以证明Living Optics相机在疾病早期检测和症状期检测任务中的应用潜力。

在本应用案例中，相机固定在三脚架上，拍摄者沿着一排草莓植株行走时进行拍摄。在阳光照射下，以每秒30帧(FPS) 的速率进行录制，可实时生成NDVI归一化植被指数图。这些图示能够可视化植物冠层内的光合作用活动。

这种方法的优势之一在于能够快速识别胁迫热点区域。通过标记胁迫区域，它能让农学家清楚了解应将检查和治理工作集中在哪些地方。

(图b)为草莓植株冠层(图a)生成的NDVI图。红色框标注出光合活性降低的区域，表明植株处于胁迫状态。进一步观察发现，该区域对应萎蔫的叶片，这是一种早期信号，有时可能预示着真菌感染的发生。

白粉病的存在会影响草莓作物的商业价值，尤其是在未被及早发现的情况下，还可能造成严重的经济损失。

本案例研究重点关注草莓果实白粉病的检测，其症状表现为未成熟果实变硬干瘪，成熟果实则呈现出籽状且覆有白粉的外观，这类果实通常会滋生能产生孢子的真菌菌落。

高光谱检测工作流程：

使用Living Optics相机采集健康和受感染水果样本的参考反射光谱。这些光谱可作为区分受感染区域的基线，因为受感染区域具有独特的光谱特征。

下图展示了在略有不同的光照条件下采集的草莓样本(图a)：实验室卤素灯下和田间阳光下。同时采集了白色参考样本，以消除不同光照条件的影响，从而获得果实独特的光谱特征(图b)。

以染病果实样本作为目标光谱，计算得到光谱角匹配图(SAM)。利用该匹配图对多幅草莓高光谱影像进行检索，以此标出果实上遭受白粉病侵染的区域。通过将每个像素的光谱特征与参考光谱进行比对后，借助分类器分割出染病区域，如下图所示，展示了四份不同草莓样本的分割结果。

真菌病害对草莓种植户存在巨大威胁，会影响植株健康，降低产量和市场品质。早期检测对于开展时效性关键的干预措施至关重要。本案例研究展示了如何利用Living Optics快照式视频高光谱成像相机检测受感染植株和果实组织中细微的光谱变化。通过利用NDVI或自定义波段比值以及光谱分类器等工具，种植户可以监测光合活性、标记胁迫区域并识别果实上的白粉病。为了提高该流程效率并覆盖更大面积的作物，可将该相机与移动平台集成。这种自动化技术支持持续、实时监测，为种植户提供可规模化的解决方案。