一种基于红外热成像技术的烟草病毒病早期检测方法

摘要

本发明公开了一种基于红外热成像技术的烟草病毒病早期检测方法，从图像平滑、图像锐化、直方图均衡三个方面对烟草红外热图进行图像增强，采用阈值分割方法提取新叶和老叶热像区域；若烟草生长环境温度高于16℃且低于等于28℃时，计算新叶区域内各像素点的温度值与其平均值的差值，当差值的绝对值大于1℃，则为感病植株，反之，为未感病植株；环境温度高于28℃且低于34℃时，计算新叶区域内与老叶区域内像素的平均温度差值，当差值低于0.8℃，则为感病植株，反之，则为未感病植株。本发明步骤简单，耗时短，准确性高，能更早检测出病害；还能应用于远程实时监控大田作物，为作物生长状况、有无病害等提供及时可靠的情报。

说明书

技术领域

本发明涉及一种烟草病毒病的早期检测方法，特指利用红外热成像技术对烟草病毒病进行早期检测的方法，属于无损检测领域。

背景技术

烟草是一种重要的经济作物，是国家和地方财税的重要经济来源，受到有关部门的高度重视。近几年来，烟草病毒病先后在世界各国发生危害，并时常暴发流行，给烟草生产造成了巨大的损失，直接挫伤了烟农的积极性。在我国，导致烟草病毒病的发生面积和危害程度明显加大，其田间病株率一般在20%-40%，重的达40%-80%，有的地块甚至绝产。烟草感染病毒后，叶片生长被抑制，叶小、畸形，减产幅度可达20%-80%，同时，病叶经调制后颜色不均匀，吃味较差，品质下降，目前还没有1种治疗效果较为理想的药剂，一场失控的病毒病灾害足以毁掉一个烟区，所以对发病植株做到早期诊断及提前检测显得尤为重要。

目前，在烟草病毒检测中，比较常用的是酶联免疫吸附反应、快速检测试纸条等免疫学方法，该方法具有灵敏度高、特异性强和操作简便等优点，但它有其局限性和不足——各种烟草病毒有着不同的理化性质、形态特性和抗原性质，抗体生产、测定和酶标记物的制备也就不能标准化，另外，检测时还会受到特异性、非特异性的干扰。实际种植中，烟农是凭借经验、根据病叶表现症状来判断病害，即人工感官评定方法，这种方法主观性强、可靠性差，而且往往基于植株表现明显的、典型的病害症状，为时晚矣。

现有病毒病检测技术存在步骤繁冗、有破损、不适于田间大规模检测等方面的不足。红外热成像技术是利用物体各部分温度差异造成红外热辐射不同，而把物体不可见的热辐射情况转换为可视化热像图，从而获得信息的技术。因其对温度具有高敏感性，是一种非接触、不破坏、实时、快速检测方法，能检测小于0.1℃的温度变化，该技术已成熟应用于电气、航空和医学等领域，在植物病害早期检测中的应用是一个新的发展方向，也必将成为一个新的研究热点。该技术尤其适合于远程监控植物的蒸腾作用，有望对大面积烟草植株的生长情况、有无病虫害以及产量估算等方面提供可靠而及时的情报。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于红外热成像技术的烟草病毒病早期检测方法，实现非接触、不破坏、实时、快速检测田间大规模烟草病毒病。

为了解决以上技术问题，本发明采用的具体技术方案如下：

一种基于红外热成像技术的烟草病毒病早期检测方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤一，准备过程：选取株高、叶龄及长势一致的烟草植株n株，n为偶数，且n≥50，等分为对照组和接种组两组，对照组涂抹0.02M磷酸缓冲液，接种组涂抹烟草易感病毒，贴上标签，做好记录； 

步骤二，测量过程：利用固定在三脚架上的红外热成像仪拍摄，镜头距烟草植株35-55cm，存储时，记下每张叶片的存储号码，再将照片拷贝到计算机；

步骤三，数据处理过程：计算机对烟草热像进行处理分析，识别感病植株。

   所述对烟草热像进行处理分析的热像处理过程具体为：

对热像分别从图像平滑、图像锐化、直方图均衡三个方面对烟草红外热图进行图像增强，采用阈值分割方法提取新叶和老叶热像区域；

烟草生长环境温度高于16℃且低于等于28℃时，感病植株新叶热像区域出现温度突变，而未感病植株新叶热像区域温度变化均匀；

烟草生长环境温度高于28℃且低于34℃时，感病植株新叶热像区域温度变化均匀，且与老叶热像区域温度一致，均为高温区域，而未感病植株新叶热像区域为低温区域，老叶热像区域为高温区域。

所述识别感病植株的判别方法如下：

当烟草生长环境温度高于16℃且低于等于28℃时，计算新叶区域内各像素点的温度值与其平均值的差值，当差值的绝对值大于1℃，则为感病植株，反之，为未感病植株；

当烟草生长环境温度高于28℃且低于34℃时，计算新叶区域内与老叶区域内像素的平均温度差值，当差值低于0.8 ℃，则为感病植株，反之，则为未感病植株。

所述烟草易感病毒可以为烟草花叶病毒TMV、马铃薯Y病毒PVY和黄瓜花叶病毒CMV的混合液。

本发明具有有益效果。本发明采用红外热成像技术，利用物体各部分温度差异造成红外热辐射不同，而把物体不可见的热辐射情况转换为可视化热像图，对温度具有高敏感性。与当前广泛使用的生物学方法相比，步骤简单，耗时短；同人工方法相比，客观性强，准确性高，最重要的是，能更早检测出病害；能进行远程实时监控大田作物，为作物生长状况、有无病害等提供及时可靠情报。

具体实施方式

下面通过具体实施例对本发明作进一步的详细说明。

实施例1

1．选取株高、叶龄及长势一致的烟草植株60株，每株剪掉下部老叶，留下上部4片叶，30株为对照组、30株为接种组。用10倍体积（V/W）的0.02mol/L磷酸缓冲液，pH 7.0，研磨感染TMV、PVY和CMV3种病毒的新鲜病叶，纱布过滤后取上清液，用常规的摩擦接种法对烟草从上至下数第4片叶接种，对照组涂抹0.02mol/L磷酸缓冲液，pH 7.0，贴上标签，做好记录。将两组植株分开放在植物光照培养架温室培养，光强10000勒克斯，温度18±2℃，湿度70±10%。

2．上午9：00，将烟草植株放于测量环境中平衡60min，从接种前1天至接种后7天每天连续采集热成像图。红外热成像仪固定在三脚架上拍摄，镜头距烟草植株35-55cm，存储时，记下每张叶片的存储号码，最后，将照片拷贝到计算机。

3．数据处理，分别从图像平滑、图像锐化、直方图均衡三个方面对烟草红外热图进行图像增强，采用阈值分割方法提取新叶热像区域，计算感病组和未感病组新叶区域内各像素点的温度值与其平均值的差值，对于感病植株，差值的绝对值为1.0-1.3℃，对于未感病植株，差值的绝对值为0.6-0.8℃。

实施例2

1．选取株高、叶龄及长势一致的烟草植株50株，每株剪掉下部老叶，留下上部4片叶，25株为对照组、25株为接种组。用10倍体积（V/W）的0.02mol/L磷酸缓冲液，pH 7.0，研磨感染TMV、PVY和CMV3种病毒的新鲜病叶，纱布过滤后取上清液，用常规的摩擦接种法对烟草从上至下数第4片叶接种，对照组涂抹0.02mol/L磷酸缓冲液，pH 7.0，，贴上标签，做好记录。将两组植株分开放在植物光照培养架温室培养，光强10000勒克斯，温度32±2℃，湿度70±10%。

2．上午9：00，将烟草植株放于测量环境中平衡60min，从接种前1天至接种后7天每天连续采集热成像图。红外热成像仪固定在三脚架上拍摄，镜头距烟草植株35-55cm，存储时，记下每张叶片的存储号码，最后，将照片拷贝到计算机。

3．数据处理，分别从图像平滑、图像锐化、直方图均衡三个方面对烟草红外热图进行图像增强，采用阈值分割方法提取新叶和老叶热像区域，计算感病植株与未感病植株的新叶区域与老叶区域像素的平均温度差值，对于感病植株，温度差值为0.5-0.6℃，对于未感病植株，温度差值为1.2-1.3℃

实施例3

1．选取株高、叶龄及长势一致的烟草植株70株，每株剪掉下部老叶，留下上部4片叶，35株为对照组、35株为接种组。用10倍体积（V/W）的0.02mol/L磷酸缓冲液，pH =7.0，研磨感染TMV、PVY和CMV3种病毒的新鲜病叶，纱布过滤后取上清液，用常规的摩擦接种法对烟草从上至下数第4片叶接种，对照组涂抹0.02mol/L磷酸缓冲液，pH =7.0，贴上标签，做好记录。将两组植株分开放在植物光照培养架温室培养，光强10000勒克斯，温度26±2℃，湿度70±10%。

2．上午9：00，将烟草植株放于测量环境中平衡120min，从接种前1天至接种后7天每天连续采集热成像图。红外热成像仪固定在三脚架上拍摄，镜头距烟草植株35-55cm，存储时，记下每张叶片的存储号码，最后，将照片拷贝到计算机。

3．数据处理，分别从图像平滑、图像锐化、直方图均衡三个方面对烟草红外热图进行图像增强，采用阈值分割方法提取新叶热像区域，算感病组和未感病组新叶区域内各像素点的温度值与其平均值的差值，对于感病植株，差值的绝对值为0.6-1.1℃，对于未感病植株，差值的绝对值为0.5-0.8℃。

实施例4

1．选取株高、叶龄及长势一致的烟草植株80株，每株剪掉下部老叶，留下上部4片叶，40株为对照组、40株为接种组。用10倍体积（V/W）的0.02mol/L磷酸缓冲液，pH =7.0，研磨感染TMV、PVY和CMV3种病毒的新鲜病叶，纱布过滤后取上清液，用常规的摩擦接种法对烟草从上至下数第4片叶接种，对照组涂抹0.02mol/L磷酸缓冲液，pH =7.0，贴上标签，做好记录。将两组植株分开放在植物光照培养架温室培养，光强10000勒克斯，温度24±2℃，湿度65±10%。

2．下午14：00，将烟草植株放于测量环境中平衡60min，从接种前1天至接种后7天每天连续采集热成像图。红外热成像仪固定在三脚架上拍摄，镜头距烟草植株35-55cm，存储时，记下每张叶片的存储号码，最后，将照片拷贝到计算机。

3．数据处理，分别从图像平滑、图像锐化、直方图均衡三个方面对烟草红外热图进行图像增强，采用阈值分割方法提取新叶热像区域，计算感病组和未感病组新叶区域内各像素点的温度值与其平均值的差值，对于感病植株，差值的绝对值为0.5-1.3℃，对于未感病植株，差值的绝对值0.5-0.8℃。

   实施例5

1．选取株高、叶龄及长势一致的烟草植株90株，每株剪掉下部老叶，留下上部4片叶，45株为对照组、45株为接种组。用10倍体积（V/W）的0.02mol/L磷酸缓冲液，pH =7.0，研磨感染TMV、PVY和CMV3种病毒的新鲜病叶，纱布过滤后取上清液，用常规的摩擦接种法对烟草从上至下数第4片叶接种，对照组涂抹0.02mol/L磷酸缓冲液，pH =7.0，贴上标签，做好记录。将两组植株混合放在植物光照培养架温室培养，但保证每株植株勿接触，以防引起摩擦传染，光强10000勒克斯，温度26±2℃，湿度70±10%。

2．上午9:00，将烟草植株放于测量环境中平衡60min，从接种前1天至接种后7天每天连续采集热成像图。红外热成像仪固定在三脚架上拍摄，镜头距烟草植株35-55cm，存储时，记下每张叶片的存储号码，最后，将照片拷贝到计算机。

3．数据处理，分别从图像平滑、图像锐化、直方图均衡三个方面对烟草红外热图进行图像增强，采用阈值分割方法提取新叶热像区域，计算感病组和未感病组新叶区域各像素点的温度值与其平均值的差值，当差值的绝对值大于1℃，判为感病植株，反之，判为未感病植株，结果在接种第4天，植株显可见症状之前，45株接种植株全被识别出来，即识别病株率达100%。

实施例6

1．选取株高、叶龄及长势一致的烟草植株100株，每株剪掉下部老叶，留下上部4片叶，50株为对照组、50株为接种组。用10倍体积（V/W）的0.02mol/L磷酸缓冲液，pH =7.0，研磨感染TMV、PVY和CMV3种病毒的新鲜病叶，纱布过滤后取上清液，用常规的摩擦接种法对烟草从上至下数第4片叶接种，对照组涂抹0.02mol/L磷酸缓冲液，pH =7.0，贴上标签，做好记录。将两组植株混合放于大棚自然条件下培养，温度为22±2℃，湿度，60±10%。

2．上午9:00，从接种前1天至接种后7天每天连续采集热成像图。红外热成像仪固定在三脚架上拍摄，镜头距烟草植株35-55cm，存储时，记下每张叶片的存储号码，最后，将照片拷贝到计算机。

3．数据处理，分别从图像平滑、图像锐化、直方图均衡三个方面对烟草红外热图进行图像增强，采用阈值分割方法提取新叶热像区域，计算感病组和未感病组新叶区域各像素点的温度值与其平均值的差值，当差值的绝对值大于1℃，判为感病植株，反之，判为未感病植株，结果在接种第4天，植株显可见症状之前，46株接种植株被识别出来，即识别病株率达92.0%。

以上只是结合几个具体实施例，示例性说明及帮助进一步理解本发明，但实施例具体细节仅是为了说明本发明，并不代表本发明构思下全部技术实施例，因此不应理解为对本发明总的技术实施例限定，一些在技术人员看来，不偏离发明构思的非实质性改动，例如以具有相同或相似技术效果的技术特征简单改变或替换，如更换病毒名称、改变溶液浓度、改变温度差值等，均属本发明保护范围。