基于光谱传感器的植物健康监测方案，提升农作物产量和农业管理水平
2024-11-29 14:18:40 来源：麦姆斯咨询 评论：0 点击：
研究人员开发了一种可安装在叶片上的基于光谱传感器的植物健康监测方案，以简化鉴别植物在茁壮成长还是濒临死亡的流程。这款体积小巧但功能强大的监测方案不仅有助于提高农作物的产量，还能辅助进行资源管理，满足了人们对农业管理日益增长的需求。
据麦姆斯咨询报道，近期，日本东北大学（Tohoku University）的研究人员开发了一种可安装在叶片上的基于光谱传感器的植物健康监测方案，以简化鉴别植物在茁壮成长还是濒临死亡的流程。这款体积小巧但功能强大的监测方案不仅有助于提高农作物的产量，还能辅助进行资源管理，满足了人们对农业管理日益增长的需求。相关论文以“Analysis of plant physiological responses based on leaf color changes through the development and application of a wireless plant sensor”为题发表在Sensing and Bio-Sensing Research期刊上。
研究人员对处于秋季变色阶段的桦树叶进行了为期两周的观测：（上图）叶片对八个不同波长的太阳光的响应变化；（中图）太阳光强度的变化；（下图）叶片颜色的实际变化。随着叶片由绿色变为黄色再变为棕色时，可以观察到反射率的变化。
随着人们对气候变化和人口增长担忧的加剧，大幅提高农作物产量已成为当务之急。
热浪、暴雨和干旱等极端天气状况会给植物带来压力，导致农作物减产，并危及森林、农场和野生动植物的长期生存能力。然而，细致追踪植物对这些变化作何反应的需求尚未得到满足。
无人机和飞机使得从空中监测植物变得更加容易，但它们只能记录一些附加的表层宏观数据。为了长期、准确地跟踪植物生长状况，也需要对它们做出改进。其它一些可能记录单株植物表面变化的小型传感器也存在问题，因为每个传感器都需要现场工作人员去安装并且手动检查。
东北大学生命科学研究生院的Kaori Kohzuma表示：“传统的方法在某些用途上可能效果不错，但它们操作困难且相当昂贵。为了持续监测植物微小的变化，我们需要新的解决方案。”
为了解决这些问题，研究人员发明了一种独特的新型植物健康监测方案，可以直接附着在植物叶片的背面。该监测方案利用光谱传感器和光源来监测叶片的颜色，而且不会遮挡阳光。此外，该方案还能够监测植物同一位置随时间推移而发生的变化。
基于光谱传感器的植物叶片监测方案
这款电池供电的新型植物健康监测方案具备Wi-Fi数据传输和防水功能，并且能够在室外运行一个多月，这使得长时间的数据收集成为可能。
该研究论文的通讯作者、东北大学电子工程系的Ko-ichiro Miyamoto说：“智能农业能帮助农民节省大量时间。他们没时间手动检查每一株植物。新型植物健康监测方案能够对植物的实时生长状况提供精准的数据。同时，其还能够对植物承受高度压力的区域做出相应的反应。”
研究人员在对来自30种不同植物的大约90片叶片进行测试时发现，该新型植物健康监测方案的性能优于一台商用光谱仪。它在620 nm处的测量值与商用叶绿素测定仪的测量值相当接近，并在其可观测的8个波长中的7个波长上都能可靠地辨别颜色。
利用新型植物健康监测方案和高光谱光度计在叶片同一位置测量的相关性
研究人员利用一种对压力敏感的拟南芥突变体进行的附加实验表明，该新型植物传感器在550 nm处的读数变化与植物的应激反应相对应，并且与广泛使用的光化学反射率指数（PRI）相匹配。
在一项旨在评估该新型植物健康监测方案在实际环境中的性能的户外实验中，研究人员将传感器贴在桦树叶上，以监测其在秋季树叶老化过程中两周内的颜色变化。研究人员可以看到植物的反应是如何随着日照量的变化而变化的，以及叶绿素（植物受压力的标志）是如何减少的。
东北大学生命科学研究生院的Kaori Kohzuma说：“这款价格亲民的新型植物健康监测方案是一种很有前景的工具，它可以通过叶片颜色和光反射数据来准确监测植物的健康状况和所受压力。其低成本的特性使得在不同位置放置多个传感器成为可能，从而构建一个可在多处同时进行监测的网络。”
这种先进的“诊断性”技术能够在植物最需要的区域提供有针对性的支持。该新型植物健康监测方案应用广泛，包括智慧农业、森林健康监测以及其它需要精确跟踪植物健康状况的领域。
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