[发明专利]一种基于特征提取的太赫兹光谱检测油菜叶片含水率的方法

说明书

技术领域

本发明涉及植物叶片含水率的检测方法，尤其涉及一种基于特征提取方法的太赫兹透射光谱技术检测油菜叶片水分的方法。

背景技术

油菜是我国最主要的油料生产原料和经济作物之一，占我国油料经济作物总面积的40％以上，总油料产量的30％以上。油菜作为油料主要生产作物，其油菜籽油中富含油酸、亚油酸等不饱和脂肪酸，具有预防心血管疾病和降低人体内血清胆固醇等保健功效。水分是油菜生长过程中光合作用、蒸腾作用及养分运输的重要因素之一，也是油菜重要的生理指标之一。油菜的健康生长需要适当的水分用量，超过一定限度时，其正常生理过程就会受到干扰，甚至使植株遭受损伤，这种水分亏缺称为水分胁迫或水分逆境。当水分过多时，会妨碍其有氧呼吸作用而对植株造成伤害；当水分过少时，植株含水量下降，水势和膨压也相应降低，会导致一些病害的发生，如叶片黄化、枯萎、坏死等。油菜叶片内的含水率不但直接影响植物的生长，甚至会影响作物产量，而且还对油菜品质以及种子的安全储藏具有至关重要的作用。因此，对油菜叶片含水率的测定对研究该作物生理状况、长势、品质监控、节水灌溉与智能管理具有重要的意义。

传统的植物叶片含水率测定方法主要有干燥法、蒸馏法、卡尔-费休法，该类检测方法在样本准备上需要花费大量的时间和精力，有些废液废弃物等对环境造成严重污染，且破坏性实验将使植物生长过程无法继续，同时过长的检测时间无法保证数据的时效性与不同样本测量数据之间的同步性。随着光谱技术的快速发展，近红外光谱检测法、高光谱检测法、电磁波检测法及太赫兹波谱(Terahert，THz)检测法广泛应用于植物叶面含水率检测的研究。由于大量的大分子振动和转动能级都处于太赫兹波段(0.1～10THz)，在太赫兹波段表现出很强的吸收和谐振，并且物质的太赫兹光谱包含丰富的物理信息和化学信息。太赫兹光子能量低可避免生物细胞的光致电离损伤。太赫兹光谱具有吸水性，大多数极性分子如水分子对太赫兹辐射有强烈的吸收。此外，太赫兹具有较强的穿透性，能穿透像油菜叶片这种较薄的生物样本。因此，太赫兹光谱检测技术在检测油菜叶片水分上具有一定的优势。

发明内容

为克服传统检测方法所存在的问题，本发明提供了一种针对油菜叶片水分的太赫兹光谱特征提取方法，用于叶片水分含量的定量检测。

一种基于特征提取的太赫兹透射光谱检测油菜叶片水分的方法，包括如下步骤：

(1)采用太赫兹时域光谱仪采集以干燥氮气为背景的参考光谱和油菜叶片样本的太赫兹时域光谱；对所得的太赫兹时域光谱进行傅里叶变换和处理，得到对应的太赫兹透射光谱，再对其进行光谱平滑处理；

(2)采用干燥称重法计算油菜叶片样本的含水率和相对含水率；

(3)采用光谱特征提取算法从油菜叶片的太赫兹透射光谱中提取特征光谱频段，利用所提取的特征频段分别对叶片的含水率和相对含水率进行线性回归建模；

(4)获取未知水分状态的油菜叶片的太赫兹时域光谱，经处理和转换后获得对应的太赫兹透射光谱，从中提取步骤(3)中所确定的太赫兹特征频段，然后输入所建立的线性定量回归模型，对叶片的含水率和相对含水率状态进行预测。

由于太赫兹光谱中存在一些与待研究的油菜叶片水分含量无关的冗余信息，本发明采用一种针对水分含量的太赫兹光谱特征提取方法，来简化模型、提高模型精度，用于油菜叶片含水率的定量检测分析。实验选用健康生长的油菜植株，将新鲜叶片从油菜植株上剪下放置在实验室环境下，连续监测叶片水分变化与THz光谱的变化情况，探讨利用THz透射光谱技术检测针对不同叶片水分状态变化的响应规律，提取THz透射光谱的特征光谱频段进行不同含水状态的油菜叶片含水率和相对含水率的定量线性回归建模分析，对水分状态的动态监控、精细化管理、提高油菜品质和提高油菜籽产量具有一定的理论与实践指导意义。

实施本发明方法可采用时域太赫兹光谱透射式扫描系统(THz-TDS)，激光器为钛宝石飞秒激光振荡器；波长：800nm；重复频率：80MHz；频率范围：0.1～3.5THz；脉冲宽度：50fs；平均功率：500m W；

作为优选，步骤(1)中的挑选的油菜品种为新油6号。

作为优选，步骤(1)中从健康正常生长的油菜植株上挑选叶片完整、无病虫害且新鲜的油菜叶片作为所述油菜叶片样本。挑选长势良好、叶片完整、无病虫害、大小相近的新鲜油菜叶片。