基于THz-TDS多维矢量场图的设施作物营养探测机理及方法研究

This subject is aimed at the problem of the poor pertinence and universality, owing to the unclear internal and external mechanism, which was the defects of the crop nutrition remote sensing method used recently. Using the fingerprint recognition features of the crops with different organic macromolecules status caused by different NPK nutrient levels, as well as the different absorption, reflection, transmission and polarization characteristics of terahertz wave in internal and external structure, THz-TDS(Terahertz time-domain spectroscopy) can be used to explore the leaf external physical characteristics, internal organizational structure and response or action mechanism of macromolecular component in terahertz multidimensional vector field. Fully exploiting the advantages of THz-TDS Multidimensional optical information diagnosis method to detect the synthetic action of nitrogen, phosphorus and potassium in crops makes the accurate diagnosis of crop nitrogen, phosphorus and potassium nutrient levels possible. Through the research of this method, following key problems, which restrict the applicability and accuracy of crop nutrition remote sensing, can be solved: due to the absence of penetrability and fingerprint recognition properties, traditional spectral and image detection method can only be a detection of crop surface reflection or its distribution characteristics, not on the macromolecular and internal component information, leading to the unclear intrinsic detection mechanism and the poor direction; the interaction between N, P and K leads to the test results being inconsistent and unstable.

本课题针对目前作物营养的无损探测方法，由于内外信息和作用机理不明导致的针对性差和不具有普适性的难题。利用THz-TDS太赫兹成像探测对作物氮磷钾营养导致的有机大分子差异的指纹识别特征，以及内外组织结构对太赫兹波的吸收、反射、透射及其偏振特征的差异性，探索叶片外观物理特性、内部组织结构与大分子组分对太赫兹多维矢量场的响应机制和作用机理，充分挖掘THz-TDS多维光信息诊断作物氮磷钾营养水平的综合作用优势，使作物氮磷钾营养水平的精确诊断成为可能。通过本方法的研究，能够解决传统的光谱和图像检测法，由于不具有穿透性和指纹识别特性，仅可实现对作物的表层反射及其分布特性的探测，而无法对其大分子和内部组分信息进行检测，导致内在机理不明确和指向性差的难题；也解决了由于氮磷钾之间的交互作用，所导致的检测结果不一致和稳定性差的问题，而这些问题恰恰是制约作物营养遥感探测是否具有普适性和精确性的关键问题。

本项目针对目前作物营养的无损探测方法，由于传统的光谱和视觉检测方法在多营养交互的情况下难以获取作物内部信息导致的针对性差和不检测精度不高的难题。利用THz-TDS太赫兹成像探测对作物氮磷钾营养导致的内外组织结构对太赫兹波的吸收、反射、透射特征的差异性，提出了基于THz-TDS时域光谱和成像特征的番茄和生菜（设施的典型果菜/叶菜）的氮磷钾磷营养定量检测方法。.通过充分挖掘THz-TDS多维光信息诊断作物氮磷钾营养水平的综合作用优势，基于统计学方法确定了对氮、磷、钾有明确区分度的THz-TDS多维光学特征及其分布信息，通过分析频域特征峰和特征谱线结构，以相关性和独立性为前提，优选出对氮、磷、钾及不同营养水平区分度最大的太赫兹特征识别频段，进而基于获取的作物氮、磷、钾的THz-TDS多维融合特征，建立了番茄和生菜养水平的综合信息检测模型，氮磷钾营养水平识别精度均达到90%以上，初步实现了氮磷钾交互作用下的设施蔬菜营养的定量分析。.该方法解决了该方法克服了传统的光谱和图像探测方法仅依靠作物营养素亏缺导致的外部表观差异及其反射特性等间接特征估算作物营养时，信息的不确定性的缺点，也解决了由于氮磷钾之间的交互作用，所导致的检测结果不一致和稳定性差的问题。突破了设施栽培多营养交互的复杂状态下作物营养信息准确的检测难题，使作物氮磷钾营养水平的精确诊断成为可能。具有重要的理论意义和实用价值。.本项目执行期间在本项目的资助下，在农业工程学报等国内外核心以上期刊上共发表学术论文14篇，其中9篇被SCI收录，1篇被EI收录；授权发明专利8件，其中授权中国发明专利5件，授权美国发明专利3件；培养硕士研究生5名。获教育部技术发明奖1项，通过中国机械工业联合会科技成果鉴定3项。