Author Affiliations
Abstract
Chinese Academy of Inspection and Quarantine, Beijing 100176, China
The threat posed to crop production by pests and diseases is one of the key factors that could reduce global food security. Early detection is of critical importance to make accurate predictions, optimize control strategies and prevent crop losses. Recent technological advancements highlight the opportunity to revolutionize monitoring of pests and diseases. Biosensing methodologies offer potential solutions for real-time and automated monitoring, which allow advancements in early and accurate detection and thus support sustainable crop protection. Herein, advanced biosensing technologies for pests and diseases monitoring, including image-based technologies, electronic noses, and wearable sensing methods are presented. Besides, challenges and future perspectives for widespread adoption of these technologies are discussed. Moreover, we believe it is necessary to integrate technologies through interdisciplinary cooperation for further exploration, which may provide unlimited possibilities for innovations and applications of agriculture monitoring.The threat posed to crop production by pests and diseases is one of the key factors that could reduce global food security. Early detection is of critical importance to make accurate predictions, optimize control strategies and prevent crop losses. Recent technological advancements highlight the opportunity to revolutionize monitoring of pests and diseases. Biosensing methodologies offer potential solutions for real-time and automated monitoring, which allow advancements in early and accurate detection and thus support sustainable crop protection. Herein, advanced biosensing technologies for pests and diseases monitoring, including image-based technologies, electronic noses, and wearable sensing methods are presented. Besides, challenges and future perspectives for widespread adoption of these technologies are discussed. Moreover, we believe it is necessary to integrate technologies through interdisciplinary cooperation for further exploration, which may provide unlimited possibilities for innovations and applications of agriculture monitoring.
precision agriculture biosensors crops disease and pest management 
Journal of Semiconductors
2023, 44(2): 023104
作者单位
摘要
西北农林科技大学机械与电子工程学院, 陕西 杨凌 712100
利用可见-近红外光谱分析技术可以准确快速的获取土壤养分含量, 但不同类型土壤间养分含量校正模型的普适性是亟待解决的关键问题。 为提高有机质含量光谱校正模型在多类型土壤之间的普适性和农田在线检测有机质含量速度, 利用美国M107B区66个样品建立基于可见-近红外光谱的土壤有机质含量的粒子群-最小二乘支持向量机(PSO-LSSVM)校正模型, 预测M107B区的23个验证集样品的决定系数R2=0.859, 相对分析误差RPD=2.660; 将M107B区89个土壤样品作为校正集建模后对N116B区20个验证集样品的有机质含量预测, 预测R2=0.562, 预测RPD=0.952, 模型的预测R2和预测RPD分别降低34.6%和64.2%, 表明M107B区土壤有机质含量的可见-近红外光谱校正模型直接用于N116B区时, 预测精度显著降低; 将N116B区部分土壤样品加入到M107B区样品集后重新建模, 并预测N116B区20个验证集样品的有机质含量, 当加入的N116B区土壤样品数量达到35以上, 预测R2>0.80, 预测RPD>2.0; 加入到校正集的N116B区土壤样品数量从0增加到50, 模型预测R2从0.562增加到0.811, 预测RPD从0.952增加到2.274, 精度逐渐提高。 结果表明, 在M107B区校正模型中加入N116B区部分土壤样品建模, 能够有效提高M107B区土壤校正模型对N116B区土壤有机质含量的预测精度; 加入的N116B区土壤样品数量达到50以上, 模型预测性能趋于稳定, 预测精度达到实用要求, 成功将M107B区土壤有机质含量校正模型传递给N116B区土壤; 优先选择与M107B区土壤样品的有机质含量或光谱曲线差异较大的N116B区土壤样品参与建模, 可有效避免模型传递时模型性能出现突变。 提出的方法能够有效提高M107B区土壤的有机质校正模型对N116B区土壤的预测精度, 为基于可见-近红外光谱的农田土壤有机质含量实时检测提供一种新的经济可行的模型传递方法, 为提高多类型土壤的有机质含量检测模型的普适性提供一种有效的解决方案。
可见-近红外光谱 精细农业 土壤有机质 粒子群-最小二乘支持向量机 模型传递 Visible and near-infrared spectroscopy Precision agriculture Soil organic matter Particle swarm optimization-based least squares support vector machines Model transfer 
光谱学与光谱分析
2022, 42(10): 3148
作者单位
摘要
1 江苏大学农业工程学院, 江苏 镇江 212013
3 西安交通大学软件学院, 陕西 西安 710049
针对农作物病、 虫、 草害化学防治时对靶变量施药以减少农药使用量、 提高农药利用率的需求, 本文研究了基于荧光光谱信息和主动光源方法在不同环境下探测绿色植物的方法。 通过白色、 蓝色和红色LED主动光源照射样本, 采集了白天室内自然光照、 白天太阳直射、 白天无太阳直射和夜晚黑暗环境四种场景下的绿色植物和非绿色植物样本光谱。 首先基于多波段光谱信息建立簇类独立软模式法(SIMCA)和线性判别分析(LDA)模型, 验证利用主动光源照射下绿色植物荧光光谱探测绿色植物的可行性。 试验结果表明, 白色、 蓝色和红色三种LED光源照射下SIMCA模型对预测集样本的识别率均达到92%以上, 拒绝率均为100%; 三种光源照射下LDA分类模型均能准确识别出预测集所有样本, 检测效果优于SIMCA模型, 且三种LED光源的效果无显著差异。 为开发低成本绿色植物探测传感器, 建立了绿色植物与非绿色植物样本分类目标函数, 通过粒子群算法(PSO)优选单一连续光谱波段原始光谱并建立了绿色植物和非绿色植物样本的阈值分类模型。 结果表明, 白色、 蓝色和红色LED光源照射下优选的原始光谱波段分别为731.1, 730.76和731.1 nm, 对应阈值分类模型分类预测集样本的F1-score分别为76.71%, 80.52%和78.48%, 蓝色LED光源的效果最好。 该研究优选的主动光源类型和连续检测波段可为开发基于单波段的低成本绿色植物探测传感器提供理论依据。
荧光光谱 绿色植物 靶标探测 精准农业 对靶施药 Fluorescence spectroscopy Green plant Target detection Precision agriculture Site-specific spraying 
光谱学与光谱分析
2022, 42(3): 788
作者单位
摘要
1 山东农业大学信息科学与技术学院, 山东 泰安 271018
2 山东农业大学资源与环境学院, 土肥资源高效利用国家工程实验室, 山东 泰安 271018
氮素是影响冬小麦生长的重要元素, 如何根据冬小麦需求适时变量施用氮肥是现代农业精准施肥研究需要解决的关键问题之一。 无人机遥感技术在冬小麦生长情况监测中具有高分辨率、 高时效性、 低成本等优势, 为解决施肥需求监测问题提供了重要数据源。 因此研究无人机多光谱影像数据, 构建其与冬小麦产量与施肥量之间的关系模型对于精准施肥研究十分重要。 选择冬小麦典型生产区山东省桓台县为实验区, 布置4种不同施氮水平的田间实验。 利用无人机搭载Sequoia多光谱传感器, 采集实验区不同氮素施肥水平的冬小麦返青初期多光谱影像, 同时测得冬小麦冠层叶绿素含量(soil and plant analyzer development, SPAD)数据及产量数据。 通过多光谱影像数据计算获得归一化植被指数(normalized difference vegetation index, NDVI)、 叶绿素吸收指数(modified chlorophyll absorption ratio index, MCARI2)等6种形式植被指数, 建立无人机多光谱影像植被指数与小麦冠层SPAD值的线性、 二阶多项式、 对数、 指数和幂函数模型, 优选地面氮素状况最优植被指数模型, 反演冬小麦不同施氮水平的状况, 进而根据不同施氮水平与敏感植被指数和冬小麦产量的关系, 构建了基于植被指数指标的氮肥变量施肥模型, 并将模型应用于同时期小麦多光谱影像。 结果如下: (1)地面实测的SPAD值能较好的反映冬小麦施氮水平及生长状况。 无人机多光谱数据分区统计结果表明不同施氮水平冬小麦冠层反射率有较大差异性。 (2)结构性植被指数与SPAD拟合效果优于其他类型指数。 MCARI2的二阶多项式模型精度最优(R2=0.790, RMSE=0.22), 其能较好的移除冬小麦返青初期土壤背景等因素的影响, 为氮肥敏感植被指数。 (3)基于产量-施氮量模型和产量-敏感植被指数模型, 构建敏感植被指数的氮肥变量施肥模型为Nr=10 707.63×MCARI22-5 992.36×MCARI2+715.27。 通过模型应用生成了实验区冬小麦氮肥变量施肥图, 与实际情况具有较高一致性。 该研究提出了利用无人机多光谱数据进行冬小麦施氮决策的模型及方法, 为冬小麦精准施肥的进一步研究提供了依据。
精准农业 无人机 多光谱传感器 植被指数 氮肥推荐 Precision agriculture UAV Multi-Spectral sensor Vegetation index Nitrogen recommended 
光谱学与光谱分析
2019, 39(11): 3599
作者单位
摘要
中国科学院安徽光学精密机械研究所, 安徽 合肥 230031
研究了一种在1.0~2.5 μm短波红外波段上可用于机载精准农业观测的成像光谱仪光学系统。研究分析了用于精准农业探测所需的成像光谱仪科学性能参数, 着重改进了Dyson成像光谱仪系统并获得了完善的消像散条件, 使得其各组成部分在沿光轴方向和垂直光轴方向均具备足够的空间, 确保了狭缝、探测器和光学镜片的光机结构放置。设计成像光谱仪具备良好光学性能, 光学系统F数为1.5, 视场28°, 狭缝长度25 mm, 光谱分辨率12.7 nm, 空间分辨率1 mrad, 系统像差得到充分校正, 公差比较宽松。该系统的研究将为精准农业遥感应用提供一种思路。
精准农业 成像光谱仪 戴森系统 短波红外 precision agriculture imaging spectrometer Dyson system short-wave infrared 
红外与激光工程
2018, 47(12): 1218007
作者单位
摘要
“现代精细农业系统集成研究”教育部重点实验室, 中国农业大学, 北京100083
利用近红外光谱技术实时预测土壤全氮含量是精细农业的研究热点之一, 但是由于土壤水分在近红外波段的吸收系数较高, 影响了土壤全氮含量的实时预测精度。 使用布鲁克MATRIX_I傅里叶近红外光谱分析仪对不同土壤水分的土壤样本进行了近红外光谱扫描, 定性和定量的分析了土壤水分对近红外光谱的影响, 并提出了一种消除土壤水分对土壤全氮含量预测影响的方法。 近红外光谱扫描结果显示在同一全氮含量水平下, 随着土壤水分含量的增加, 光谱吸光度呈逐渐上升的趋势, 且变化趋势为非线性。 通过对1 450和1 940 nm两个水分吸收波段的差分处理, 设计了水分吸收指数MAI(moisture absorbance index), 再对土壤按照水分含量梯度进行分类, 提出了相应的修正系数。 修正后的6个土壤全氮特征波段处(940, 1 050, 1 100, 1 200, 1 300和1 550 nm)的土壤吸光度值作为建模自变量, 使用BP神经网络建立了土壤全氮预测模型, 模型的RC, RV, RMSEC, RMSEP和RPD分别达到了0.86, 0.81, 0.06, 0.05和2.75; 与原始吸光度所建模型相比较模型精度得到了显著提高。 实验结果表明本方法可以有效地消除土壤水分对近红外光谱检测土壤全氮含量预测的影响, 为土壤全氮含量实时预测提供了理论和技术支持。
土壤水分影响 近红外光谱技术 土壤全氮 精细农业 Effect of soil moisture Near infrared spectroscopy Soil total nitrogen Precision agriculture 
光谱学与光谱分析
2013, 33(3): 677
作者单位
摘要
中国科学院长春光学精密机械与物理研究所, 应用光学国家重点实验室, 吉林 长春 130033
精准农业是近年来国际上农业科学研究的热点领域, 是现代信息技术和传统农业紧密结合的产物。 近红外光谱技术(NIRS)作为一种无损、 实时、 准确的分析手段, 在土壤学领域的应用逐渐得到了人们的重视, 是实现精准农业的有效手段之一。 对其目前在土壤学领域的应用进行了介绍和分析,认为NIRS在土壤学领域的发展方向应该是田间信息实时采集技术, 即在田间条件下利用便携式NIRS分析仪对土壤养分和农作物苗情进行实时分析和处理, 另外NIRS还可以与空间遥感技术相结合, 宏观掌握农作物所需营养及其长势信息, 从根本上改变我国粗放型农业现状。
近红外光谱技术 精准农业 化学计量学 土壤养分 Near infrared spectroscopy Precision agriculture Chemometrics Soil nutrient 
光谱学与光谱分析
2012, 32(1): 88
作者单位
摘要
1 西北农林科技大学 机械与电子工程学院, 陕西 杨凌 712100
2 西北农林科技大学 信息工程学院 , 陕西 杨凌 712100
3 悉尼大学 信息技术学院,悉尼 NSW2006
杂草的识别分类在精准农业的变量喷施中具有重要的作用.因此提出了一种新的基于SVM(支持向量机), 利用决策二叉树在可见/近红外图像中识别作物和杂草的方法.根据近红外波段的光谱特性, 利用阈值法实现了植物和土壤背景的分割.将植物冠层的多光谱反射特征、纹理特征和形状特征相结合, 采用最大投票机制算法构造合理的决策二叉树, 实现了分类.对玉米幼苗及其伴生杂草的识别结果表明, 基于SVM, 利用决策二叉树的多类分类, 可极大的提高分类精度, 满足农业应用的实时性要求, 与其他方法相比具有较好的结果.
精准农业 图像分割 杂草识别 支持向量机 precision agriculture image segmentation weed detection support vector machine 
红外与毫米波学报
2011, 30(2): 97
作者单位
摘要
1 浙江大学生物系统工程与食品科学学院, 浙江 杭州310029
2 东京农工大学农学部, 东京183-8509, 日本
果树的隔年结果现象严重影响果园的果实产量和经济效益。 选择受隔年结果现象影响较为严重的柑橘作为研究对象, 运用机载高光谱成像仪在较早生长季节(2003年4、 5、 6月)获取柑橘果树的高光谱图像, 利用偏最小二乘回归(PLS)确定基于高光谱图像数据的模型预测变量, 建立柑橘产量的多元线性回归(MLR)和人工神经网络(ANN)预测模型。 研究结果表明, 利用5月份获得的高光谱图像建立的模型具有最优的产量预测效果, 而且PLS-MLR模型比PLS-ANN模型具有更好的稳定性和一致性。 该研究结果为今后研制和开发基于高光谱成像技术的柑橘产量预测方法提供了重要的理论和技术基础。
柑橘 预测模型 变量技术 精细农业 Citrus PLS PLS MLR MLR ANN ANN Prediction model Variable rate technology Precision agriculture 
光谱学与光谱分析
2010, 30(5): 1295
作者单位
摘要
1 中国科学院遥感应用研究所 遥感科学国家重点实验室,北京 100101
2 中国科学院研究生院,北京 100039
3 国家农业信息化工程技术研究中心,北京 100097
光化学植被指数PRI(photochemical reflectance index)为估算植被的光能利用率LUE(light use efficiency)提供了一种快速、有效的方法。越来越多的研究关注外界环境对PRI和LUE之间关系的影响,这些因素包括水分含量、CO2浓度等等。文章选择了不同氮、钾施肥量处理的小麦,测量其LUE和PRI,分析不同肥料处理对二者关系的影响。实验表明,氮、钾施肥量的增加将提高冠层光谱的PRI值和叶片内部叶绿素的含量,在此基础上提高小麦的LUE。对于不同氮、钾处理的小麦,PRI和LUE之间都获得了很好的相关关系,总的相关系数R2分别是0.710 4和0.853 4。随着氮、钾肥量的增加,PRI和LUE之间的相关性也在增加。对1,2,3份的氮施肥量,相关系数R2分别是0.602 0,0.640 4和0.801 4;钾施肥量为1,2,3份时,R2分别为0.379 1,0.640 4和0.676 9。因此,PRI不仅能够获可靠精度的LUE,并且为监测小麦的肥料状况提供了一种间接方法,这将为田间管理和精细农业提供了必要的参考信息。
光化学植被指数PRI 光能利用率(LUE) 氮肥 钾肥 精细农业 Photochemical reflectance index (PRI) Light use efficiency (LUE) Nitrogen Kalium Precision agriculture 
光谱学与光谱分析
2009, 29(2): 455

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