應用案例
病原體對植物的侵入是一個長期的過程，在此過程中葉片的表皮油脂、細胞壁以及纖維素等會發生改變，植物的先天免疫系統也會促使葉片內部產生抗病性相關的酶、蛋白質、植保素等分子有機質的變化。目前，高光譜技術的靈敏度已經達到了單分子層級,因此這些微觀層面的變化均能夠對高光譜的光譜特征產生影響。同時病害侵染具有較強的階段性，在侵入期以及病原體成為宿主的共生期植物病害特征具有顯著的變化,因此分析這些病害特征對光譜特性產生的影響，尋找兩者之間的相關性，有利于建立光譜和病害之間的表征關系，從而實現對各類病害及病期的準確檢測。
一、實驗材料
生菜俗稱葉用萵苣，是菊科萵苣屬植物，最早由歐洲的地中海地區傳入中國。因其既具有藥用價值又具有食用價值，在國內迅速得到廣泛種植。春季和秋季是生菜受病害感染的高發季節，病原體潛伏越冬后通過土壤以及施肥等途徑進入葉片受損的薄弱部位，在建立寄生關系后，逐步破壞葉片內部的健康組織。
本實驗所用病害生菜樣本采摘自某果蔬種植基地。選擇大小8cm×12cm左右的葉片進行采摘，對采摘的病變葉片按病害類別和病害周期進行分類。下圖為采集到的部分生菜實驗樣本。
二、實驗設備
光譜儀是一種以透射光柵為分光元件的成像光譜儀，通過將這種成像光譜儀附加到CMOS相機前，可通過空間掃描獲得目標物的影像和連續的光譜信息。彩譜FigSpec?系列成像高光譜相機采用高衍射效率的透射式光柵分光模組與高靈敏度面陣列相機、結合內置掃描成像及輔助攝像頭技術，解決了傳統高光譜相機需外接推掃成像機構及調焦復雜等難以操作的問題?？膳c標準C接口的成像鏡頭或顯微鏡直接集成，實現光譜影像的快速采集。
三、病害脅迫下生菜微觀結構
生菜葉片的表皮組織主要有氣孔和表皮細胞。侵染病毒的孢子主要通過氣孔進入到葉片的內部細胞組織中，隨著侵害程度的演化，植物體的抗病性導致細胞壁發生相應的變化，(木質素等沉淀加厚細胞壁，抵御病毒侵入)因此葉片表面氣孔的破壞程度以及細胞壁的變化情況與病害發展的關聯性較強。實驗中主要針對氣孔和細胞壁這2個特征指標進行研究，下圖分別為健康、炭疽初期和炭疽中期生菜葉片的表皮細胞和氣泡的微結構圖。
四、生菜葉片病害檢測機理分析
當生菜葉片受到外部光源照射時，其內部的基團和大分子吸收某些頻率的射線，并由振動運動或轉動運動引起偶極矩的凈變化，分子由于振動能量的驅使從基態躍遷到激發態，然而激發態是一種不穩定的狀態，最終分子將回歸基態，回歸過程中會釋放掉吸收的能量。綠葉類植物的能量部分通過熱能、光的方式釋放，部分通過其他的能量形式散逸掉，因此反射光的能量比激發光的能量弱，波長比激發光的波長要長。葉片內部組織微結構的變化直接導致分子能量鍵結構發生改變從而對照射光的吸收特性產生影響，對光譜特征的影響可以通過光譜曲線進行描述。下圖是利用高光譜圖像技術對健康葉片、炭疽病初期及中期葉片進行高光譜圖像采集實驗后得到的葉片反射光譜強度曲線圖。
從上圖可以看出各病害階段的光譜反射強度曲線在形態上具有一致性，這說明雖然防御系統導致了抗病性有機質的增加，但是這些有機質并未改變葉片內基團分子鍵結構的
