尹長(zhǎng)年
(臨朐縣農(nóng)業(yè)農(nóng)村局,山東臨朐 262600)
植物檢疫是我國(guó)通過(guò)立法的手段,為防止產(chǎn)品在買(mǎi)賣(mài)流通的過(guò)程中造成有害生物的傳播所開(kāi)展的防范措施。而隨著近幾年農(nóng)業(yè)以及林業(yè)的發(fā)展,在植物檢疫工作中又有了全新的突破,無(wú)損檢測(cè)技術(shù)在植物檢疫中的應(yīng)用,比傳統(tǒng)的植物檢疫方法更加具有準(zhǔn)確性、時(shí)效性和安全性。
聲音測(cè)繪法是無(wú)損檢測(cè)技術(shù)中較為成熟的一項(xiàng)技術(shù),早在20世紀(jì)80年代就已經(jīng)有所發(fā)展,并且形成了較為廣泛地使用范圍。這種方法的優(yōu)勢(shì)在于,在進(jìn)行相關(guān)檢測(cè)工作時(shí),無(wú)需對(duì)植物產(chǎn)生任何傷害,對(duì)檢測(cè)對(duì)象上昆蟲(chóng)的聲波進(jìn)行采集。目前聲音繪測(cè)植物檢疫方法還存在一定的缺陷,主要體現(xiàn)在三個(gè)方面:其一,檢測(cè)方法較為被動(dòng)。由于它是通過(guò)昆蟲(chóng)活動(dòng)時(shí)器官所發(fā)出的聲音而進(jìn)行檢測(cè)的,所以無(wú)法主動(dòng)發(fā)出聲波進(jìn)行檢測(cè)行為,在使用上較為被動(dòng)。其二,波長(zhǎng)不足,雖大部分蟲(chóng)聲都分布在可聽(tīng)頻率范圍之內(nèi),但是也有少部分昆蟲(chóng)的聲音主頻分布在超聲范圍,由于檢測(cè)超聲范圍內(nèi)的聲音較弱,所以在超聲波昆蟲(chóng)檢測(cè)方面存在一定的難度。其三,無(wú)法對(duì)檢測(cè)對(duì)象上的死蟲(chóng)以及蟲(chóng)卵進(jìn)行檢測(cè)。
X射線檢測(cè)技術(shù)重要的進(jìn)展改革階段節(jié)點(diǎn)在1972年、2003年以及2012年。1972年,F(xiàn)esus就利用了此項(xiàng)技術(shù)對(duì)害蟲(chóng)侵害的可靠性影像計(jì)數(shù)試驗(yàn)?zāi)P妥隽搜芯?,通過(guò)對(duì)46種不同植物產(chǎn)品種子的分析,建立了回歸水平方程。在2003年,Melvi利用X射線對(duì)檢測(cè)對(duì)象具有穿透力的優(yōu)勢(shì),研發(fā)了一套X射線檢測(cè)植物產(chǎn)品害蟲(chóng)的檢疫系統(tǒng),并且取得了良好的進(jìn)展與成效。隨著技術(shù)不斷的革新在X射線檢測(cè)的基礎(chǔ)之上又添加了自動(dòng)識(shí)別算法,Haff和Pearson利用此項(xiàng)技術(shù),對(duì)小麥籽粒中的害蟲(chóng)幼蟲(chóng)期侵害做了相關(guān)的檢測(cè),得出結(jié)果與受試者評(píng)測(cè)的數(shù)字化X光片圖像相比有著較高的精準(zhǔn)度,其誤差不超過(guò)16%。因此,X射線檢測(cè)技術(shù)得到了階段性的飛躍。但是由于其不能對(duì)害蟲(chóng)早期的侵害階段做檢測(cè),所以Haff和Pearson又在此基礎(chǔ)之上加入了不同種類(lèi)的X射線源以及高分辨率實(shí)時(shí)X射線成像系統(tǒng),加大了對(duì)于檢測(cè)植物的測(cè)評(píng)范圍,最后為檢測(cè)技術(shù)提供了一定的理論基礎(chǔ)。到2012年,Nawrocka等人又提出了在植物檢測(cè)的過(guò)程中,其質(zhì)量的損失與害蟲(chóng)侵染階段有較大的關(guān)系,最終得以驗(yàn)證,因此,此項(xiàng)技術(shù)能夠完美地檢測(cè)出植物內(nèi)部所存在的蟲(chóng)害污染,并具有一定的時(shí)效性。
近紅外光譜分析技術(shù)相比X射線檢測(cè)和聲音繪測(cè)技術(shù)而言研究起步較晚,在1998年才開(kāi)展了相關(guān)試驗(yàn)工作,在試驗(yàn)過(guò)程中研發(fā)人員利用無(wú)蟲(chóng)害小麥顆粒與內(nèi)部有害蟲(chóng)小麥顆粒作為類(lèi)比項(xiàng),通過(guò)近紅外圖像開(kāi)展分析,結(jié)果表明有蟲(chóng)害的小麥顆粒相對(duì)于無(wú)蟲(chóng)害的小麥顆粒,有較大比例的光斑,但經(jīng)過(guò)反復(fù)試驗(yàn)之后發(fā)現(xiàn)近紅外技術(shù)對(duì)于被害蟲(chóng)侵害的糧粒識(shí)別效果較為明顯,對(duì)于不同的成蟲(chóng)和幼蟲(chóng)辨別效果不佳。針對(duì)此類(lèi)問(wèn)題,科學(xué)家Dowell等人利用近紅外反射系統(tǒng)對(duì)麥核中的象蟲(chóng)科昆蟲(chóng)的生長(zhǎng)階段進(jìn)行了檢測(cè),得出結(jié)論,近紅外技術(shù)對(duì)于倉(cāng)儲(chǔ)害蟲(chóng)的檢測(cè)效果明顯。為進(jìn)一步的驗(yàn)證其結(jié)論的準(zhǔn)確性,在來(lái)年又對(duì)超過(guò)2個(gè)月含有不同種類(lèi)蟲(chóng)態(tài)的麥粒進(jìn)行了檢測(cè),發(fā)現(xiàn)檢測(cè)準(zhǔn)確率高達(dá)63%以上,進(jìn)一步驗(yàn)證了近紅外技術(shù)在儲(chǔ)糧害蟲(chóng)檢測(cè)中的優(yōu)勢(shì)。我國(guó)科研人員張紅濤等人,又研發(fā)了波長(zhǎng)范圍在900~1 700 nm的近紅光譜成像技術(shù),此項(xiàng)技術(shù)能夠?qū)钕x(chóng)以及死亡2代后的糧食害蟲(chóng)都具有較好的鑒別能力。劉占宇、孫紅等科研人員在此基礎(chǔ)上,又對(duì)水稻等植物進(jìn)行了檢測(cè),也獲得了較為精準(zhǔn)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,加大了近紅外光譜分析技術(shù)的運(yùn)用范圍。
機(jī)器視覺(jué)技術(shù)在80年的中期就已經(jīng)有較大范圍的應(yīng)用,科研人員在研究時(shí)主要是利用圖像處理方法對(duì)植物樣本進(jìn)行分割,將區(qū)域內(nèi)的數(shù)據(jù)、形狀、特征進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化,再經(jīng)過(guò)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等方法對(duì)其植物的病害進(jìn)行識(shí)別。像我國(guó)田有文等科研人員,利用該技術(shù)對(duì)玉米葉部病害進(jìn)行識(shí)別,根據(jù)玉米病害圖像的特征,結(jié)合向量機(jī)的辨別等方法,完成植物病害圖像的分類(lèi)。還有部分科研人員利用計(jì)算機(jī)的視覺(jué)技術(shù),在對(duì)圖像進(jìn)行處理時(shí)結(jié)合與模式的辨別技術(shù),實(shí)現(xiàn)了對(duì)植物葉部病害的自動(dòng)辨別。目前,我國(guó)在植物檢測(cè)中機(jī)器視覺(jué)技術(shù)上的使用仍在發(fā)展階段,有很多科研人員都利用周長(zhǎng)面積法以及曲線長(zhǎng)度法對(duì)水稻、玉米、桃子等植物所出現(xiàn)的主要病害進(jìn)行了分析,此項(xiàng)技術(shù)在植物的病斑分形情況分析、同類(lèi)病害多個(gè)病斑分形情況分析、不同病害病斑分形分析方面都較有優(yōu)勢(shì)。
高光譜圖像植物檢測(cè),是在20世紀(jì)80年代所誕生的一項(xiàng)無(wú)損檢測(cè)技術(shù),是高科技的產(chǎn)物,它能夠?qū)⒓鈱W(xué)、光電子學(xué)、電子學(xué)、信息處理以及計(jì)算機(jī)科學(xué)相結(jié)合,實(shí)現(xiàn)其作業(yè)目標(biāo)。高光譜圖像技術(shù)對(duì)于檢測(cè)害蟲(chóng)方面的精確率較高,在進(jìn)行相關(guān)技術(shù)研究時(shí),通過(guò)結(jié)合統(tǒng)計(jì)學(xué)特征和直方圖特征,以及線性、二次和馬氏等辨別分類(lèi)儀器的使用,能夠提高對(duì)于其結(jié)論的準(zhǔn)確程度。在發(fā)展的過(guò)程中,相關(guān)科研人員也采用了短波紅外高光圖譜技術(shù)與數(shù)字顏色圖像技術(shù)對(duì)植物樣本進(jìn)行分析,通過(guò)二次判別分類(lèi)器得到了更為精準(zhǔn)的結(jié)論。在植物內(nèi)部的害蟲(chóng)檢測(cè)方面,科研人員利用高光譜透過(guò)圖像結(jié)合反射光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,最終得出結(jié)論其近紅外波長(zhǎng)比可見(jiàn)光波長(zhǎng)的分區(qū)效果要更佳的結(jié)論。在2013年高光譜圖像技術(shù)得到了較大程度的改革進(jìn)展,科研人員通過(guò)透射的方式,對(duì)檢測(cè)植物樣本進(jìn)行了識(shí)別分類(lèi),結(jié)合統(tǒng)計(jì)的特征以及分類(lèi)精度等數(shù)據(jù),為高光譜圖像技術(shù)在植物檢疫工作中的使用,奠定了良好的理論基礎(chǔ)。
聲音繪測(cè)法,主要是針對(duì)植物產(chǎn)品上的害蟲(chóng)進(jìn)行檢疫的一種方式,在實(shí)際工作運(yùn)用中其不僅僅能夠檢測(cè)成蟲(chóng),還可以檢測(cè)幼蟲(chóng)。其運(yùn)作原理是,運(yùn)用聲學(xué)特征對(duì)植物產(chǎn)品進(jìn)行檢測(cè),分析活動(dòng)中的昆蟲(chóng)器官發(fā)出的聲音頻域和時(shí)域,會(huì)將昆蟲(chóng)所發(fā)出的聲音信號(hào),進(jìn)行種類(lèi)分化辨別,最終得出結(jié)論。其檢測(cè)方法具有可操作性、方便簡(jiǎn)單的特點(diǎn),并且能夠做到實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)控檢測(cè),這樣既能夠彌補(bǔ)傳統(tǒng)檢測(cè)方法的不足,又能夠保證檢測(cè)對(duì)象的安全性以及可靠性。但是在應(yīng)用時(shí)也要注意其使用對(duì)象,因容易受到環(huán)境噪聲以及傳感器靈敏程度的影響,所以在分辨種類(lèi)多以及數(shù)量較大的昆蟲(chóng)群體時(shí)就會(huì)存在一定的困難,不適于使用。
由于X射線具有較強(qiáng)穿透的能力,所以其能夠檢測(cè)到植物產(chǎn)品的內(nèi)部結(jié)構(gòu)是否受到了害蟲(chóng)的侵害,具有一定的準(zhǔn)確性和實(shí)效性。原理是將X射線對(duì)需檢測(cè)植物進(jìn)行測(cè)量,如果檢測(cè)過(guò)程中X射線在強(qiáng)度上發(fā)生了變化,就說(shuō)明檢測(cè)植物內(nèi)部發(fā)生了缺陷或者存在異物等,通過(guò)將其轉(zhuǎn)化成圖像數(shù)據(jù)的形式,進(jìn)行進(jìn)一步的分析和檢測(cè),最終得出結(jié)論。在過(guò)去X射線檢測(cè)方法通常會(huì)運(yùn)用在檢測(cè)植物種子品質(zhì)之上,而如今在果蔬的病蟲(chóng)害檢測(cè)中也得到了廣泛的應(yīng)用,它可以準(zhǔn)確的識(shí)別出蘋(píng)果等植物有無(wú)水心病。但缺陷是X射線檢測(cè)系統(tǒng)的制備成本較高,并且具有較強(qiáng)的輻射性,也要根據(jù)實(shí)際檢測(cè)情況,合理運(yùn)用。
近紅外光譜技術(shù)主要是利用紅外線作為測(cè)量媒介進(jìn)行檢測(cè),其主要的操作原理是:紅外線照射到檢測(cè)的植物樣本,植物樣本的物質(zhì)粒子產(chǎn)生共振,在此同時(shí)其植物樣本對(duì)光能進(jìn)行吸納,通過(guò)這些能量得出圖譜。工作人員容易掌握此項(xiàng)技術(shù),也不會(huì)對(duì)工作人員產(chǎn)生任何副作用。目前,對(duì)于植物產(chǎn)品的病害診斷方面較為有效,其缺點(diǎn)在于,檢測(cè)結(jié)果容易受到植物樣本溫度以及測(cè)量位置和裝樣條件的影響,此類(lèi)問(wèn)題在檢測(cè)過(guò)程中要尤為注意。
機(jī)器視覺(jué)技術(shù)主要是依據(jù)檢測(cè)植物的顏色、形狀以及紋理特征進(jìn)行有效識(shí)別和分類(lèi)。在應(yīng)用此項(xiàng)技術(shù)時(shí),除了可以使用CCD照相機(jī)之外,還可以運(yùn)用CMOS以及攝像機(jī),獲得連續(xù)的視頻圖像。此項(xiàng)技術(shù)能夠?qū)οx(chóng)的行為活動(dòng)實(shí)施監(jiān)測(cè),通過(guò)圖像處理、機(jī)器視覺(jué)以及模式識(shí)別的方式對(duì)害蟲(chóng)進(jìn)行研究,運(yùn)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)其進(jìn)行識(shí)別分類(lèi),在檢測(cè)田間害蟲(chóng)以及糧庫(kù)蟲(chóng)情方面具有一定的優(yōu)勢(shì)。由于機(jī)器視覺(jué)技術(shù)具備一定的實(shí)時(shí)性、客觀性以及無(wú)損害性的特點(diǎn),所以具備更高的安全性以及可靠性,在傳統(tǒng)檢測(cè)過(guò)程中大多都是使用靜態(tài)的植物樣本進(jìn)行檢測(cè),其識(shí)別率較低,失誤率也較高,通過(guò)這種形式能夠直觀地呈現(xiàn)出檢測(cè)植物的狀態(tài),建議在應(yīng)用過(guò)程中大力推廣此項(xiàng)檢疫技術(shù)。
高光譜圖像技術(shù)在進(jìn)行植物檢疫過(guò)程中,其主要應(yīng)用到的原理是當(dāng)光線照射到檢測(cè)植物表面,反射的電磁波以及透射的電磁波依波長(zhǎng)排列,組成相對(duì)應(yīng)的光譜。與近紅外光譜分析技術(shù)類(lèi)似,能夠輔助工作人員進(jìn)一步加強(qiáng)其結(jié)構(gòu)和化學(xué)特性的識(shí)別。高光譜圖像技術(shù)相比單一的機(jī)器識(shí)別技術(shù)以及光譜分析技術(shù),具備更強(qiáng)的可行性和可操作性,得到的數(shù)據(jù)也較為準(zhǔn)確,能將檢測(cè)植物的形態(tài)學(xué)信息以及內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征信息和化學(xué)信息相結(jié)合,實(shí)現(xiàn)優(yōu)化植物檢疫流程。由于高光譜圖像技術(shù)是近年來(lái)綜合其他無(wú)損檢測(cè)技術(shù)所誕生的新方法,所以在應(yīng)用方面也有待進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)以及開(kāi)發(fā)。
基于以上無(wú)損檢測(cè)技術(shù)在植物檢疫過(guò)程中的應(yīng)用,想在實(shí)際過(guò)程中做好相關(guān)檢疫工作應(yīng)注重植物檢疫隊(duì)伍的培養(yǎng),一方面是要注重專業(yè)隊(duì)伍的組建,其相關(guān)檢疫以及處理技術(shù)代表著一個(gè)國(guó)家經(jīng)濟(jì)以及農(nóng)業(yè)發(fā)展的綜合實(shí)力,應(yīng)以我國(guó)產(chǎn)品安全以及國(guó)民生活質(zhì)量和健康的角度,開(kāi)展相關(guān)工作,以進(jìn)一步增強(qiáng)工作人員的責(zé)任心,保證植物檢疫工作能夠?qū)ο嚓P(guān)領(lǐng)域起到推動(dòng)作用。另一方面,在不斷壯大植物檢疫隊(duì)伍的同時(shí),應(yīng)該加強(qiáng)對(duì)于專業(yè)人才的知識(shí)培訓(xùn)工作,通過(guò)借鑒和學(xué)習(xí)其他發(fā)達(dá)國(guó)家先進(jìn)方法以及邀請(qǐng)專家定期授課和外派的形式開(kāi)展培訓(xùn)學(xué)習(xí)工作,進(jìn)一步優(yōu)化我國(guó)的植物檢疫工作標(biāo)準(zhǔn)及質(zhì)量,只有保證與國(guó)際水平并進(jìn)的狀態(tài),才能實(shí)現(xiàn)技術(shù)上的自我革新與發(fā)展。
由于植物檢疫是一門(mén)復(fù)合性較強(qiáng)的工作,不僅僅要求技術(shù)人員具備專業(yè)的知識(shí)水平,還要有技術(shù)上的革新,面對(duì)目前市場(chǎng)復(fù)雜的狀況,應(yīng)要不斷引進(jìn)國(guó)內(nèi)外先進(jìn)的檢疫經(jīng)驗(yàn),創(chuàng)新檢測(cè)技術(shù),實(shí)現(xiàn)任務(wù)體系的優(yōu)化以及提升。相關(guān)檢疫單位也要加大對(duì)于技術(shù)研發(fā),和硬件設(shè)施改造的投資。在相關(guān)設(shè)備的研發(fā)上也要符合實(shí)際作業(yè)標(biāo)準(zhǔn),使其具備較強(qiáng)的可操作性,也要兼顧實(shí)用性以及簡(jiǎn)便性,從以人為本的角度出發(fā),幫助科研人員以及相關(guān)檢疫人員能夠更好地做優(yōu)植物檢疫工作,將其作用發(fā)揮到最大。
無(wú)損檢測(cè)技術(shù)不僅僅能夠?yàn)橹参餀z疫工作帶來(lái)科學(xué)準(zhǔn)確地判斷依據(jù),更能在農(nóng)業(yè)、林業(yè)、畜牧業(yè)等方面發(fā)揮作用,其主要體現(xiàn)在三個(gè)方面:一是在進(jìn)行相關(guān)種植業(yè)時(shí),其種子的質(zhì)量,關(guān)系到日后作物生長(zhǎng)的質(zhì)量以及經(jīng)濟(jì)效益。通過(guò)無(wú)損檢測(cè)技術(shù)對(duì)種子質(zhì)量的檢測(cè),能夠進(jìn)一步優(yōu)化種植品種,實(shí)現(xiàn)農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量的提升。二是通過(guò)已經(jīng)成型和較為成熟的檢測(cè)技術(shù),能夠?qū)崿F(xiàn)植物檢疫工作的自動(dòng)化發(fā)展,進(jìn)一步減輕了勞動(dòng)了,提高了工作效率。三是作物的優(yōu)質(zhì)穩(wěn)定成長(zhǎng)及輸出,能夠提高飼料質(zhì)量,進(jìn)一步保證了畜牧產(chǎn)業(yè)的優(yōu)質(zhì)發(fā)展,實(shí)現(xiàn)了在多領(lǐng)域的科學(xué)價(jià)值以及意義。
針對(duì)目前部分無(wú)損檢測(cè)技術(shù)中所出現(xiàn)的問(wèn)題,其優(yōu)化途徑以及發(fā)展的方向主要有三方面:第一自動(dòng)化。檢疫系統(tǒng)越來(lái)越集成化,能夠?qū)⑾嚓P(guān)科技成果整合到一個(gè)系統(tǒng)當(dāng)中,減少檢查檢疫流程阻力,實(shí)現(xiàn)流程的規(guī)范性以及技術(shù)上的提升。第二可視化。無(wú)損檢測(cè)技術(shù)有區(qū)別于傳統(tǒng)檢測(cè)技術(shù),能夠增加檢測(cè)對(duì)象內(nèi)部結(jié)構(gòu)和遭受害蟲(chóng)侵害部位的可視性。第三智能化。隨著我國(guó)科技不斷地發(fā)展,無(wú)損檢測(cè)技術(shù)也越來(lái)越向著智能化的方向發(fā)展,真正意義上的實(shí)現(xiàn)了信息和多領(lǐng)域科學(xué)地融合。
通過(guò)結(jié)合不同識(shí)別模型的優(yōu)點(diǎn)以及優(yōu)勢(shì),應(yīng)摒棄掉識(shí)別分類(lèi)以及模型中所出現(xiàn)的其他缺點(diǎn),通過(guò)相關(guān)智能軟件的開(kāi)發(fā),能夠進(jìn)一步的優(yōu)化其建模工具,實(shí)現(xiàn)良好的自動(dòng)全局尋優(yōu)能力。由于目前許多無(wú)損檢測(cè)技術(shù)識(shí)別分類(lèi)以及建立模型過(guò)程中都存在植物樣本溫度、測(cè)量位置以及裝樣條件等外界因素會(huì)對(duì)其結(jié)果會(huì)造成干擾的現(xiàn)象,在研發(fā)和優(yōu)化過(guò)程中,應(yīng)將此類(lèi)影響因素都考慮到試驗(yàn)范圍之中,加大對(duì)于模型的抗干擾能力,實(shí)現(xiàn)能夠適用于各種復(fù)合式的檢測(cè)當(dāng)中。
綜上所述,植物檢疫中的無(wú)損檢測(cè)技術(shù),能為檢疫工作帶來(lái)極大的便利,針對(duì)此領(lǐng)域的研發(fā)創(chuàng)新以及運(yùn)用,能夠極大地改善傳統(tǒng)植物檢疫方法中所存在的傷害植物、速度較慢以及無(wú)法在線檢測(cè)的缺點(diǎn),對(duì)提高植物產(chǎn)品質(zhì)量、穩(wěn)定市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)、遏制病蟲(chóng)害有著深遠(yuǎn)的意義。