一种利用电子鼻检测根茎类植物根部病虫害的方法
【专利摘要】一种利用电子鼻检测根茎类植物根部病虫害的方法属植物病虫害检测【技术领域】。本发明包括下列步骤：配备电子鼻气体室的气体流量为800～1200ml/min，气体室内布置8种气体传感器；用集气装置集气；将电子鼻的进样针头插入集气装置，并将装有活性炭的空气滤清器插入集气装置，开启电子鼻并将待测样品的气体吸入电子鼻气室；采集并处理气体传感器阵列的响应数据；将洁净的空气泵入电子鼻的气体室；处理采集的多组数据；根据根茎类植物根部病虫害严重度系数，评定根茎类植物病虫害严重度。本发明能无损、快速地检测根茎类植物根部的病虫害，还能为提前预防和减少根茎类植物病虫害提供可靠的依据，本发明简单实用，成本低廉，易于推广。
【专利说明】一种利用电子鼻检测根茎类植物根部病虫害的方法
【技术领域】
[0001] 本发明属植物病虫害检测【技术领域】，具体涉及一种利用电子鼻检测根茎类植物根 部病虫害的方法。
【背景技术】
[0002] 根茎类植物在农业生产中占有举足轻重的地位。加快根茎类植物生产发展，对保 障我国粮食安全、促进农民增收、优化农业结构和满足市场需求，意义十分重大。
[0003] 但是随着根茎类植物种植规模的不断扩大，根茎类植物根部病虫害也逐年加重， 成为限制根茎类植物高产、丰产的主要因素之一，严重影响了根茎类植物的发展。因此加大 对病虫害的防控力度，从而减少病虫害损失将是一项切实可行的措施。
[0004] 在根茎类植物根部病虫害的防治过程中，因为病残组织常散落田间，其上的病原 物也往往成为翌年的初次浸染源,大大增加了植株感染病虫害的机会。由于根茎部位直接 接触病原体，其染病的几率就会更高。为了做到对根部病虫害的早发觉，早预防，尽量减少 病虫害造成的损失，同时考虑到,根部病虫害检测隐蔽性强的特点，亟待一种能快捷便利检 测根莖类植物根部病虫害方法的出现。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的在于提供一种利用电子鼻检测根植茎类物根部病虫害的方法，以解 决根茎类植物根部病虫害检测难的问题。
[0006] 本发明所涉及的一种利用电子鼻检测根茎类植物根部病虫害的方法，包括下列 步骤：
[0007] 1)配备适于检测要求的电子鼻：电子鼻气体室的气体流量为800?1200ml/min ; 电子鼻的气体室中所含气体传感器阵列包括：芳香性气体传感器、挥发性硫化物气体传感 器、挥发性氨类气体传感器、挥发性胺类气体传感器、乙醇类传感器、可燃气体传感器、烷烃 类气体传感器和挥发性氮氧化物传感器；
[0008] 2)用集气装置集气，包括下列步骤：
[0009] 2. 1在距离根茎类植物根部50?200mm处打一个直径为50mm、深度为150?300mm 的孔；
[0010] 2. 2在孔上覆盖保鲜膜；
[0011] 2. 3在保鲜膜上以实土覆盖要求所钻孔与保鲜膜间为集气状态，集气时间为30分 钟；
[0012] 3)常温下将电子鼻的进样针头插入集气装置，同时将装有活性炭的空气滤清器插 入集气装置以平衡气压，开启电子鼻将待测样品所散发出的气体吸入电子鼻气室；
[0013] 4)用气体泵将集气装置中的气体泵入电子鼻的气体室，电子鼻的吸取时间为 60s，一个样品检测完毕后，用气室清洗泵泵入洁净空气，清洗气室；
[0014] 5)采集并处理气体传感器阵列的响应数据包括下列步骤：
[0015] 5. 1提取气体传感器阵列的响应特征值，响应特征值包括初始值（a)、稳定值（b)、 上升时间（t)和上升速率(￥);
[0016] 5. 2将非线性随机共振算法固化于电子鼻内置的数字信号处理器（DSP)内，将响 应特征值输入DSP，并计算输出互相关系数特征值;
[0017] 6)处理气体传感器阵列采集的数据，包括下列步骤：
[0018] 6. 1根据不同病虫害严重度的根茎类植物的互相关系数特征值fTO，拟合出不同根 茎类植物根部病虫害严重度预测模型；
[0019] 6. 2将互相关系数特征值4代入下列根茎类植物根部病虫害严重度预测模型的 公式中，计算根茎类植物根部病虫害严重度系数：
[0020] Qf = f(foe)
[0021] 其中：Qf为根茎类植物根部病虫害严重度系数；f为由不同病虫害严重度的根茎 类植物的互相关系数特征值f%拟合出的不同根茎类植物根部病虫害严重度预测模型的公 式；为互相关系数特征值；
[0022] 7)根据根茎类植物根部病虫害严重度系数，评定根茎类植物病虫害严重度，包括 下列步骤：
[0023] 7. 1根据病虫害严重度：植株或器官的罹病面积所占的比率的定义，将根茎类植 物的病虫害严重度分为六级，分级标准为：〇级：根部正常，1级：根部病虫害率〇?5%，2 级：根部病虫害率5%?10%，3级：根部病虫害率10%?30%，4级：根部病虫害率30%? 60%，5级：根部病虫害率60%?100% ;
[0024] 7. 2测量不同病虫害严重程度的根茎类植物，将电子鼻的响应特征值输入DSP，并 计算输出互相关系数特征值f%，测量结束后，将根茎类植物根部取出，分别统计计算其根部 病虫害率；
[0025] 7. 3根据7. 2所测得的互相关系数特征值和相应的根部病虫害率，利用曲线拟 合的方法绘制出根部病虫害率一互相关系数特征值匕图；
[0026] 7. 4根据7. 3所绘制出的根部病虫害率一互相关系数特征值图，分别查出根部 病虫害率为0%、5%、10%、30%、60%、100%时所对应的互相关系数特征值，并根据步 骤6. 2所述方法分别求出病虫害率为0%、5%、10%、30%、60%、100%时所对应的根茎类 植物根部病虫害严重度系数f%，及上述不同病虫害率对应的根茎类植物根部病虫害严重度 系数 Qf 分别为 SQ、Sp S2、S3、S4、S5 ;
[0027] 7. 5若待测样品的根茎类植物根部病虫害严重度系数Qf = Stl，则根茎类植物根 部正常为0级病虫害；若VQf < S1，则为1级病虫害；若Si〈Qf < S2，则为2级病虫害；若 S2〈Qf彡S3，则为3级病虫害；若S3〈Q f < S4，则为4级病虫害；若为Qf>S4，则为5级病虫害。
[0028] 电子鼻是模仿人和动物的鼻子，用于分析、识别、检测复杂气味和挥发性成分的新 型仪器，与其它常用的分析仪器（色谱仪、光谱仪等）相比，电子鼻具有客观、准确、快捷地 评价气味，且重复性好的特点，自其诞生以来，其在各个领域的运用越来越广泛。近年来，也 有将其运用在病虫害检测领域的尝试，但其一般都集中在植物的地上部位的病虫害检测方 面，本发明利用电子鼻对根茎类植物地下部位病虫害进行检测，进一步拓展了电子鼻的应 用领域。
[0029] 本发明的有益效果主要表现在：
[0030] (1)为根茎类植物根部病虫害检测提供了一种快速有效的检测方法，且能提前预 防病虫害的发生、减少病虫害的损失。
[0031] (2)是一种无损检测方法，不会对根茎类植物造成伤害。
[0032] (3)气体采集及数据分析处理手段简单实用，成本低廉，易于推广。
【专利附图】
【附图说明】
[0033] 图1是电子鼻对根茎类植物根部病虫害检测流程图
[0034] 图2是电子鼻检测系统结构示意图
【具体实施方式】
[0035] 本发明是一种检测根茎类植物根部病虫害的方法，下面以检测马铃薯晚疫病为例 来进一步对本发明做出描述。
[0036] 实验安排及试验过程如下：
[0037] (1)准备二十个质量相同，表面光滑，形态相似，经检测无任何疾病的马铃薯，给这 20个马铃薯编号，分别为1、2、3、…17、18、19、20。测量1 一 10号样本，用来建立根部病虫 害率一互相关系数特征值f%图；并根据本发明方法的步骤6. 2所述方法分别求出病虫害率 为0%、5%、10%、30%、60%、100%时所对应的根茎类植物根部病虫害严重度系数Q f。记上 述不同病虫害率对应的根茎类植物根部病虫害严重度系数Qf分别为Sp S2、S3、S4、S5、S6。
[0038] (2)给这二十个马铃薯分别接种不同数量的马铃薯晚疫病致病菌，并分别将其埋 藏在300mm深的土壤中，使马铃薯快速染病。将这二十个土豆分别埋藏在独立的容器内，使 其互不影响。
[0039] (3)将其感染若干天后，在距离各土豆200mm处，用打孔器各打一直径为50mm的 孔。
[0040] (4)将各孔上覆以足够大的保鲜膜，并在孔的周围的保鲜膜上覆以足够多的碎土， 并适当压实，以保证保鲜膜和孔形成的密闭空间密封性足够好。形成的密闭空间用来收集 患晚疫病的马铃薯透过土壤散发出来的气体。
[0041] (5)气体收集时间为0. 5小时。0. 5小时后，将电子鼻的进样针头透过保鲜膜插入 集气装置，同时将装有活性炭的空气滤清器插入集气装置以平衡气压，开启电子鼻将待测 样品所散发出的气体吸入电子鼻气室.
[0042] (6)电子鼻的吸气时间为60s，一个样品检测完毕后，用气室清洗泵泵入洁净空 气，清洗气室。
[0043] (7)重复步骤（5)和（6)，直到10个样品检测完成为止。
[0044] (8)整理并记录气体传感器阵列采集的数据
[0045] (9)将1一 10号马铃薯样品全部取出，根据病虫害严重度的定义，分别测量其病虫 害率。将1一 10号样品对应其互相关系数特征值t，用曲线拟合的方法建立根部病虫害 率一互相关系数特征值&6图。
[0046] (10)在根部病虫害率一互相关系数特征值4图中，分别查出根部病虫害率为 0 %、5 %、10 %、30 %、60 %、100 %时所对应的互相关系数特征值f；e，并根据6. 2所述方法分 别求出病虫害率为〇 %、5 %、10 %、30 %、60 %、100 %时所对应的根茎类植物根部病虫害严 重度系数Qf。记上述不同病虫害率对应的根茎类植物根部病虫害严重度系数Qf分别为 SpSpSpSpSs。
[0047] (11)测量11-20号样品，测量过程重复上述部骤（5)?（8)，分别得到这10个样 品的互相关系数特征值匕，根据本发明方法的步骤6. 2所述方法分别求出11?20号样品 的所对应的根茎类植物根部病虫害严重度系数Qf。
[0048] (12)依据11 一20号样品的f；e所对应的根茎类植物根部病虫害严重度系数Qf判 断根茎类植物根部病虫害严重度。若待测样品的根茎类植物根部病虫害严重度系数Q f = S。，则根茎类植物根部正常，为0级病虫害；若VQf彡S1，则为1级病虫害；若S^Q f彡S2，则 为2级病虫害；若S2〈Qf彡S 3，则为3级病虫害；若S3〈Qf彡S4，则为4级病虫害；若为Q f>S4， 则为5级病虫害。
【权利要求】
1. 一种利用电子鼻检测根茎类植物根部病虫害的方法，其特征在于包括下列步骤： 1) 配备适于检测要求的电子鼻：电子鼻气体室的气体流量为800?1200ml/min;电子 鼻的气体室中所含气体传感器阵列包括：芳香性气体传感器、挥发性硫化物气体传感器、挥 发性氨类气体传感器、挥发性胺类气体传感器、乙醇类传感器、可燃气体传感器、烷烃类气 体传感器和挥发性氮氧化物传感器； 2) 用集气装置集气，包括下列步骤： 2. 1在距离根茎类植物根部50?200mm处打一个直径为50mm、深度为150?300mm的 孔； 2. 2在孔上覆盖保鲜膜； 2. 3在保鲜膜上以实土覆盖要求所钻孔与保鲜膜间为集气状态，集气时间为30分钟； 3) 常温下将电子鼻的进样针头插入集气装置，同时将装有活性炭的空气滤清器插入集 气装置以平衡气压，开启电子鼻将待测样品所散发出的气体吸入电子鼻气室； 4) 用气体泵将集气装置中的气体泵入电子鼻的气体室，电子鼻的吸取时间为60s，一 个样品检测完毕后，用气室清洗泵泵入洁净空气，清洗气室； 5) 采集并处理气体传感器阵列的响应数据包括下列步骤： 5. 1提取气体传感器阵列的响应特征值，响应特征值包括初始值（a)、稳定值（b)、上升 时间（t)和上升速率(一厂)； 5. 2将非线性随机共振算法固化于电子鼻内置的数字信号处理器内，将响应特征值输 入DSP，并计算输出互相关系数特征值; 6) 处理气体传感器阵列采集的多组数据，包括下列步骤： 6. 1根据不同病虫害严重度的根茎类植物的互相关系数特征值fTO，拟合出不同根茎类 植物根部病虫害严重度预测模型； 6. 2将互相关系数特征值匕代入下列根茎类植物根部病虫害严重度预测模型的公式 中，计算根茎类植物根部病虫害严重度系数： Qf = f (f〇e) 其中：Qf为根茎类植物根部病虫害严重度系数；f为由不同病虫害严重度的根茎类植 物的互相关系数特征值拟合出的不同根茎类植物根部病虫害严重度预测模型的公式； 为互相关系数特征值； 7) 根据根茎类植物根部病虫害严重度系数，评定根茎类植物病虫害严重度，包括下列 步骤： 7. 1根据病虫害严重度：植株或器官的罹病面积所占的比率的定义，将根茎类植物的 病虫害严重度分为六级，分级标准为：〇级：根部正常，1级：根部病虫害率〇?5%，2级： 根部病虫害率5%?10%，3级：根部病虫害率10%?30%，4级：根部病虫害率30%? 60%，5级：根部病虫害率60%?100% ; 7. 2测量不同病虫害严重程度的根茎类植物，将电子鼻的响应特征值输入DSP，并计算 输出互相关系数特征值f%，测量结束后，将根茎类植物根部取出，分别统计计算其根部病虫 害率； 7. 3根据7. 2所测得的互相关系数特征值和相应的根部病虫害率，利用曲线拟合的 方法绘制出根部病虫害率一互相关系数特征值t图； 7. 4根据7. 3所绘制出的根部病虫害率一互相关系数特征值图，分别查出根部病虫 害率为O%、5 %、10 %、30 %、60 %、100 %时所对应的互相关系数特征值f；e，并根据步骤6. 2 所述方法分别求出病虫害率为〇%、5%、10%、30%、60%、100%时所对应的根茎类植物根 部病虫害严重度系数，及上述不同病虫害率对应的根茎类植物根部病虫害严重度系数Qf 分别为 ; 7. 5若待测样品的根茎类植物根部病虫害严重度系数Qf =Stl，则根茎类植物根部正常 为0级病虫害；若Sc^Qf彡S1，则为1级病虫害；若S^Qf彡S2，则为2级病虫害；若S2〈Qf彡S3, 则为3级病虫害；若S3〈Qf <S4，则为4级病虫害；若为Qf>S4，则为5级病虫害。
【文档编号】G01N27/00GK104237318SQ201410480024
【公开日】2014年12月24日 申请日期:2014年9月18日 优先权日:2014年9月18日
【发明者】常志勇, 慕海锋, 佟金, 陈东辉, 马云海, 孙霁宇, 周江 申请人:吉林大学