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基于高光谱图像技术的番茄叶片和植株抗氧化酶系统活性测定研究

作　者: 邹强
导　师: 方慧
学　校: 浙江大学
专　业: 食品工程
关键词: 高光谱图像技术 番茄 抗氧化酶系统 过氧化氢酶(CAT) 过氧化物酶(POD) 超氧化物歧化酶(SOD) 无损检测
分类号: S641.2
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要


农业是国民经济的基础,农业的发展关系国计民生。随着科技的进步,精细农业和农业物联网技术得到不断的发展,这为我国农业的可持续发展提供了技术支持。针对精细农业和物联网技术在农业中应用的需求,传统的化学分析手段和信息获取方法已经不能满足现代农业发展的需要,快速无损检测技术是一个亟待发展的领域。传统农业耕作方式和日益严重的环境污染,重金属污染对农业造成了越来越严重的影响。本研究采用广泛种植的番茄作为研究对象,以Cu2+离子胁迫作为环境控制条件,重点研究高光谱图像技术建立模型对番茄叶片中抗氧化酶活性的快速无损测定。通过化学测定和预测模型的建立,分析了Cu2+胁迫对番茄叶片中抗氧化酶活性的影响,实现了CAT、POD和SOD酶活性的快速测定,探讨了高光谱图像纹理参数建模预测酶活性的可能性,讨论了标准扫描情况下建立的模型用于预测整株扫描下酶活性的预测效果。这对快速判断番茄植株生长状况和农业科学者快速测定酶活,对实现番茄种植的精细化管理都有重要的意义。本研究的主要研究成果有：(1)通过化学分析得到,在0mg/L、25mg/L和50mg/L浓度的Cu2+离子胁迫下,番茄叶片中CAT、POD和SOD酶活性均随着胁迫浓度的升高而增加,在50mg／L浓度下达到最大值,分别为280.00U/g、566.38U/g和290.91U//g。不同浓度下番茄叶片中CAT、POD和SOD酶活性的差异是建立预测模型的化学基础。(2)从光谱维分析,实现了番茄叶片中CAT、POD和SOD酶活性的快速检测。采用光谱建模的基本方法：提取光谱曲线进行预处理,用SPA提取特征波长,最后建立酶活性的预测模型。六种预处理方法(SG、SNV、MSC、1-Der、2-Der和DOSC)中DOSC预处理对三种酶的活性预测均最好。CAT活性预测模型建立中发现：基于SPA算法获得的特征波段958nm和419nm下的光谱反射率信息建立的DOSC-SPA-PLS模型在所有的预测模型(SPA-MLR、SPA-PLS、SPA-BPNN、SPA-LS-SVM)中效果最佳。模型对预测集的预测效果Rp=0.9800, RMSEP=12.12U/g。POD活性预测模型研究表明：SPA算法获得的八个特征波段443nm、464nm、413nm、410nm、401nm、402nm、426nm和926nm下光谱信息建立的DOSC-SPA-PLS模型对预测集的预测结果为RP=0.9353,RMSEP=37.80U/g,预测效果最佳。SOD酶活性研究发现：SPA算法获得的978nm、401nm和418nm这三个特征波段下光谱信息建立的DOSC-SPA-PLS预测效果也是最佳的,且对预测集的预测效果为RP=0.9476,RMSEP=19.28U/g.以上说明通过光谱维对高光潜图像数据进行分析结合化学计量学方法得到的可见近红外光谱信息能够对番茄叶片中CAT、POD和SOD酶活性进行预测,且预测效果比较满意。(3)从图像维分析,探索利用高光谱图像的纹理信息预测番茄叶片中抗氧化酶活性。用MNF对原始高光谱图像进行了预处理,PCA提取主成分图像,利用主成分图的载荷系数得到了7个特征波段,从每幅图中提取了8个纹理参数,利用纹理参数分别对CAT、POD和SOD活性建立了四个预测模型PLS、DOSC-PLS、PCA-BPNN和PCA-LS-SVM、CAT酶活性预测研究表明：CAT酶活性预测的最佳模型为PCA-BPNN模型,RP为0.6830,RMSEP为35.85U/g。POD酶活性预测研究表明：最佳模型为PCA-LS-SVM模型,RP为0.6894,RMSEP为43.08U/g。PLS、DOSC-PLS和PCA-LS-SVM模型的对预测集的RP均在0.5以下。SOD活性预测研究发现：最佳预测模型是PCA-LS-SVM模型,凡为0.6107,RMSEP为45.84U/g。PLS和DOSC-PLS这两个线性模型的效果很差,RP在0.5以下,而非线性模型PCA-BPNN明显要好于线性模型的预测效果。图像维建模预测效果的探索研究说明：从图像维对高光谱图像分析,用纹理参数来预测番茄叶片中CAT、POD和SOD酶活性的效果不是很好,需要通过提高酶活性值、选择纹理参数中同酶活性相关信息等手段来改进现有的预测模型。(4)绘制了番茄叶片中POD酶活分布图,对标准扫描从光谱维建立的预测CAT活性的DOSC-SPA-PLS模型用于整株扫描的研究表明：虽然该模型对标准采样数据有很好的预测结果,亦能和化学分析测定的CAT活性很好地吻合,但标准扫描建立的CAT酶活性预测模型预测整株中的效果实在让人难以接受,分布散,真实测定值和预测值差异很大。这证明用单叶片扫描建立的DOSC-SPA-PLS模型不适用于整株扫描中叶片样本CAT酶活性的预测。同时也说明：若要建立针对整株扫描情况下番茄叶片中CAT酶和其他抗氧化酶活性的预测模型,必须对标准扫描情况下建立的模型进行校正或者重重从整株扫描出发建立起新的适合整株扫描的预测模型,这是以后研究工作需要讨论的。

全文目录


致谢  8-10
摘要  10-12
Abstract  12-14
目录  14-17
第一章 绪论  17-28
  1.1 研究目的和意义  17-19
  1.2 国内外研究进展  19-25
    1.2.1 番茄植株生理生化指标测定研究进展  19-22
    1.2.2 高光谱图像技术研究进展  22-25
  1.3 研究内容与技术路线  25-27
    1.3.1 研究内容  26
    1.3.2 技术路线  26-27
  1.4 本章小结  27-28
第二章 高光谱图像系统组成及数据挖掘技术  28-46
  2.1 高光谱图像系统组成  28-32
    2.1.1 光源系统  28-29
    2.1.2 波长色散系统  29-31
    2.1.3 面积探测器  31-32
  2.2 高光谱图像数据挖掘技术  32-45
    2.2.1 图像维数据挖掘  32-38
    2.2.2 光谱维数据挖掘  38-43
    2.2.3 预测模型评价标准  43-45
  2.3 本章小结  45-46
第三章 实验材料与方法  46-55
  3.1 实验材料  46
  3.2 番茄栽培与管理  46
  3.3 主要仪器  46-51
    3.3.1 高光谱图像采集系统  46-48
    3.3.2 数据采集软件平台  48-50
    3.3.3 化学分析重要仪器  50-51
  3.4 生理及抗氧化酶活力测定  51-53
    3.4.1 番茄株高及直径的测量  51
    3.4.2 番茄叶片含水量测定  51-52
    3.4.3 番茄叶片抗氧化酶系统活力测定  52-53
  3.5 高光谱图像数据采集  53-54
  3.6 高光谱图像数据处理软件  54
  3.7 本章小结  54-55
第四章 光谱维建模预测番茄叶片酶活性的研究  55-75
  4.1 Cu~(2+)胁迫对番茄生理和酶活性的影响  55-57
    4.1.1 Cu~(2+)胁迫对番茄形态指标的影响  55-56
    4.1.2 Cu~(2+)胁迫对抗氧化酶系统活性的影响  56-57
  4.2 光谱预处理方法研究  57-59
  4.3 光谱维过氧化氢酶活力测定研究  59-64
    4.3.1 化学测定CAT酶活性统计分析  59
    4.3.2 光谱维CAT酶活性建模预处理方法选择  59-60
    4.3.3 光谱维CAT酶活性建模有效波长选择  60-61
    4.3.4 光谱维CAT酶活性预测模型的建立  61-64
    4.3.5 CAT酶活性预测模型比较分析  64
  4.4 光谱维过氧化物酶活性测定研究  64-69
    4.4.1 化学测定POD酶活性统计分析  64
    4.4.2 光谱维POD酶活性建模预处理方法选择  64-66
    4.4.3 光谱维POD酶活性建模有效波长选择  66
    4.4.4 光谱维POD酶活性预测模型的建立  66-69
    4.4.5 POD酶活性预测模型分析  69
  4.5 光谱维超氧化物歧化酶活性测定研究  69-74
    4.5.1 化学测定SOD酶活性统计分析  69
    4.5.2 光谱维SOD酶活性建模预处理方法选择  69-70
    4.5.3 光谱维SOD酶活性建模有效波长选择  70-71
    4.5.4 光谱维SOD酶活性预测模型的建立  71-73
    4.5.5 光谱维SOD酶活性预测模型的比较分析  73-74
  4.6 本章小结  74-75
第五章 图像维建模预测番茄叶片酶活性的探索研究  75-86
  5.1 高光谱图像预处理  75-76
  5.2 图像维主成分分析  76-78
  5.3 图像特征参数提取  78-79
  5.4 基于纹理矩阵的抗氧化酶活性研究  79-84
    5.4.1 番茄叶片抗氧化酶活性统计分析  79-80
    5.4.2 纹理矩阵归一化  80
    5.4.3 CAT酶活性纹理模型研究  80-82
    5.4.4 POD酶活性纹理模型研究  82-83
    5.4.5 SOD酶活性纹理模型研究  83-84
  5.5 基于纹理的抗氧化酶活性模型分析  84-85
  5.6 本章小结  85-86
第六章 整株扫描酶活性预测的探索及可视化研究  86-92
  6.1 整株扫描酶活性预测探索研究  86-88
  6.2 标准扫描下番茄叶片中POD活性分布  88-91
  6.3 本章小结  91-92
第七章 结论与展望  92-94
  7.1 主要结论  92-93
  7.2 主要创新点  93
  7.3 进一步研究展望  93-94
参考文献  94-102
硕士期间发表论文  102

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中图分类: > 农业科学 > 园艺 > 蔬菜园艺 > 茄果类 > 番茄（西红柿）
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