一種基于電子鼻的快速預(yù)測茶樹受害蟲取食時(shí)間的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種快速無損檢測農(nóng)作物病蟲害的方法，特別涉及一種基于電子鼻的 快速預(yù)測茶樹受害蟲取食時(shí)間的方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 據(jù)統(tǒng)計(jì)，如今我國的茶葉年消費(fèi)量已高達(dá)66萬噸左右，人均飲茶0.45公斤/年。茶 對中國的社會(huì)歷史文化和現(xiàn)實(shí)生活都產(chǎn)生了重要影響。從世界范圍看，茶已成為全球性的 天然飲料。并以其天然和健康的聲譽(yù)風(fēng)靡全球，其消費(fèi)總量位居除水以外的所有軟飲料之 首。
[0003] 在茶葉的生產(chǎn)過程中，茶樹的質(zhì)量(健康狀態(tài))對茶葉的品質(zhì)和產(chǎn)量起著至關(guān)重要 的影響。每年因茶樹害蟲、疾病等問題，茶葉的產(chǎn)量及品質(zhì)造成巨大損失。對茶樹受害時(shí)間 的檢測對茶園害蟲防治及減少茶葉產(chǎn)量損失具有重要意義，若是可以提出一種檢測手段， 在茶樹受害初期即可檢測到害蟲，并使用相應(yīng)的防治手段將害蟲治理，就可最大限度的降 低茶園的損失。
[0004] 電子鼻是一種以特定的傳感器和模式識別系統(tǒng)快速提供被測樣品的整體信息，指 示樣品的隱含特征的檢測儀器，具有高靈敏度、可靠性、重復(fù)性、它可以對樣品進(jìn)行量化。目 前，利用電子鼻在茶樹受害時(shí)間檢測方面尚未有相關(guān)報(bào)道，而電子鼻作為一種快速、準(zhǔn)確的 檢測手段，在植物害蟲檢測方面具有廣泛應(yīng)用前景。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的在于提供一種基于電子鼻的快速預(yù)測茶樹受害蟲取食時(shí)間的方法， 該方法能較準(zhǔn)確快速的鑒別出茶樹受害的時(shí)間，并且對茶樹無損傷。
[0006] 本發(fā)明解決上述技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是:一種基于電子鼻的快速預(yù)測茶樹 受害蟲取食時(shí)間的方法，該方法檢測過程在電子鼻樣品頂空收集裝置中實(shí)現(xiàn)，該裝置包括 空氣栗、活性炭管、流量計(jì)、特氟隆管、密封板、支架臺(tái)、茶樹、玻璃罩;其中，所述空氣栗、活 性炭管、流量計(jì)和玻璃罩通過特氟隆管依次連接;密封板設(shè)置在支架臺(tái)和玻璃罩之間；茶樹 的根部在密封板的下方，茶樹的枝葉在玻璃罩之內(nèi)；
[0007] 電子鼻樣品頂空收集裝置的工作條件為:通過流量計(jì)將空氣流量控制在1000ml/ min到1400ml/min之間，該裝置工作的時(shí)間控制在5min-8min之間，使玻璃罩內(nèi)的氣體均為 經(jīng)活性炭管凈化后的空氣；
[0008] 該方法具體包括以下步驟：
[0009] (1 )、將茶樹葉片洗凈，去除灰塵，并挑選健康無損傷的茶樹作為檢測對象;選取8 組待測茶樹樣品，每組待測茶樹樣品中包含η株茶樹，其中，η為大于等于10的自然數(shù);對7組 待測茶樹樣品移植相同數(shù)量的害蟲，害蟲數(shù)量為5-15之間，經(jīng)過不同的取食時(shí)間，分別是4 小時(shí)、8小時(shí)、12小時(shí)、16小時(shí)、20小時(shí)、24小時(shí)和28小時(shí)，最后一組健康無損傷的茶樹作為對 照組;將茶樹放入電子鼻樣品頂空收集裝置中，并且保證裝置內(nèi)茶樹的葉片為20-25片，然 后在室溫下放置30min-40min使該頂空裝置內(nèi)揮發(fā)物濃度達(dá)到穩(wěn)定；
[0010] (2)、抽取電子鼻樣品頂空收集裝置內(nèi)的揮發(fā)物，注入電子鼻系統(tǒng)中，設(shè)置檢測時(shí) 間為60s_90s、清洗時(shí)間為60s_80s和氣流速度為200ml/min-400ml/min;電子鼻系統(tǒng)中的傳 感器與揮發(fā)物發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生響應(yīng)信號；
[0011] (3)選用穩(wěn)定值法、小波分析法和二次項(xiàng)擬合法對電子鼻各個(gè)傳感器響應(yīng)曲線進(jìn) 行特征提??；
[0012] 所述穩(wěn)定值法提取特征是選擇每根傳感器響應(yīng)值穩(wěn)定值作為特征值；
[0013] 所述小波分析法提取特征是選擇時(shí)頻窗口小、正交性和規(guī)則性好的Coiflet小波 C〇if5作為小波基，根據(jù)對比重構(gòu)效果和原始信號數(shù)值誤差值變化，選取5層分解尺度，將分 解后得到的第5層的低頻近似系數(shù)E5作為特征值；
[0014] 所述二次項(xiàng)擬合法提取特征是使用y = At~2+Bt+C，其中，y為傳感器響應(yīng)信號值，t 為檢測時(shí)間；通過最小二乘法對響應(yīng)曲線進(jìn)行擬合，將擬合后獲得的參數(shù)A，B，C作為特征 值；
[0015] (4)、根據(jù)上述3種特征提取算法取得的特征值作為原始數(shù)據(jù)，分別采用主成分分 析和線性判別分析對上述數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，選取區(qū)分效果最好的特征值作為預(yù)測模型的訓(xùn)練 值;采用線性回歸模型建立區(qū)分效果最好特征提取方法所提取的特征值與茶樹受害蟲取食 時(shí)間之間的定量預(yù)測模型；
[0016] 表達(dá)式為：Y = al XXl+a2XX2+……+ai XXi+……+al0 ΧΧΙΟ+b;其中 Y 為取食時(shí) 間，Xi為上述區(qū)分效果最好特征提取方法所提取的特征值，i為上述區(qū)分效果最好特征提取 方法所提取的特征值的個(gè)數(shù)，若是穩(wěn)定值法和小波分析法，則i為10，若是二項(xiàng)式擬合法，則 i為30，al，&2，&;[，13均為常數(shù)；
[0017] (5)、按照步驟（1)和(2)檢測未知害蟲取食時(shí)間的茶樹，取得電子鼻的響應(yīng)曲線， 使用步驟(3)中分類效果最優(yōu)的特征提取方法對該數(shù)據(jù)進(jìn)行特征提取，最后代入步驟(4)的 預(yù)測模型中，預(yù)測其受害蟲取食時(shí)間。
[0018] 本發(fā)明具有的有益效果是：利用電子鼻對茶樹受害時(shí)間進(jìn)行預(yù)測，通過比較穩(wěn)定 值法、小波分析法和二次項(xiàng)擬合法三種特征提取方法，挑選出最為合適的特征值，并建立良 好的定量預(yù)測模型。該方法實(shí)現(xiàn)了使用電子鼻直接對茶樹受害蟲取食時(shí)間的定量預(yù)測，并 具有快速、準(zhǔn)確的特點(diǎn)，為茶樹，甚至是植物害蟲受害時(shí)間提供了一種新方法。
【附圖說明】
[0019] 圖1是電子鼻樣品頂空收集裝置；
[0020] 圖2是電子鼻檢測茶樹受害時(shí)間的傳感器響應(yīng)信號；
[0021] 圖3是三種特征提取方法效果對比圖；
[0022] 圖4是害蟲取食時(shí)間預(yù)測值與實(shí)際值之間的回歸模型曲線。
[0023] 圖1中：空氣栗1、活性炭管2、流量計(jì)3、特氟隆管4、密封板5、支架臺(tái)6、茶樹7、玻璃 罩8〇
【具體實(shí)施方式】
[0024]下面結(jié)合具體實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
[0025] 本發(fā)明采用一種基于電子鼻的快速預(yù)測茶樹受害蟲取食時(shí)間的方法，
[0026] 該方法在如圖1所示的電子鼻樣品頂空收集裝置中實(shí)現(xiàn)，該裝置包括空氣栗1、活 性炭管2、流量計(jì)3、特氟隆管4、密封板5、支架臺(tái)6、茶樹7、玻璃罩8;其中，所述空氣栗1、活性 炭管2、流量計(jì)3和玻璃罩8通過特氟隆管4依次連接;密封板5設(shè)置在支架臺(tái)6和玻璃罩8之 間；茶樹7的根部在密封板5的下方，茶樹7的枝葉在玻璃罩8之內(nèi)，茶樹7揮發(fā)出來的氣味填 充在玻璃罩8之內(nèi)，玻璃罩8容積為5L，空氣栗1向玻璃罩8內(nèi)栗空氣，使玻璃罩8內(nèi)填充經(jīng)活 性炭管2凈化后的空氣。
[0027] 電子鼻樣品頂空收集裝置的工作條件為:通過流量計(jì)3將空氣流量控制在1000ml/ min到1400ml/min之間，該裝置工作的時(shí)間控制在5min_8min之間，使玻璃罩8內(nèi)的氣體均為 經(jīng)活性炭管2凈化后的空氣。其該方法具體步驟包括：
[0028] 1、將茶樹葉片洗凈，去除灰塵，并挑選健康無損傷的茶樹作為檢測對象。選取8組 待測茶樹樣品，每組待測茶樹樣品中包含η株茶樹，其中，η大于等于10的自然數(shù);對7組待測 茶樹樣品移植相同數(shù)量的害蟲，害蟲數(shù)量為5到15只之間，經(jīng)過不同的取食時(shí)間，分別是4小 時(shí)、8小時(shí)、12小時(shí)、16小時(shí)、20小時(shí)、24小時(shí)和28小時(shí)，最后一組健康無損傷的茶樹作為對照 組，將茶樹放入電子鼻樣品頂空收集裝置中，并且保證裝置內(nèi)茶樹的葉片為20-25片，然后 在室溫下放置30min-40min使該頂空裝置內(nèi)揮發(fā)物濃度達(dá)到穩(wěn)定；
[0029] 2、抽取電子鼻樣品頂空收集裝置內(nèi)的揮發(fā)物，注入電子鼻系統(tǒng)中，設(shè)置檢測時(shí)間 為60s_90s、清洗時(shí)間為60s_80s和氣流速度為200ml/min-400ml/min;電子鼻系統(tǒng)中的傳感 器與揮發(fā)物發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生響應(yīng)信號；
[0030] 3、選用三種方法，分別是穩(wěn)定值法、小波分析法和二次項(xiàng)擬合法對電子鼻各個(gè)傳 感器響應(yīng)曲線進(jìn)行特征提??；
[0031 ]穩(wěn)定值特征提取法是選擇每根傳感器響應(yīng)值穩(wěn)定值作為特征值；
[0032 ]小波分析特征提取法:選擇時(shí)頻窗口小，正交性和規(guī)則性好的Co i f 1 e t小波c 〇 i f 5 作為小波基，根據(jù)對比重構(gòu)效果和原始信號數(shù)值誤差值變化，選取5層分解尺度，將分解后 得到的第5層的低頻近似系數(shù)E5作為特征值；
[0033]二次項(xiàng)擬合特征提取法:使用y = At'2+Bt+C，其中，y為傳感器響應(yīng)信號值，t為檢 測時(shí)間;通過最小二乘法對響應(yīng)曲線進(jìn)行擬合，將擬合后獲得的參數(shù)A，