尹長年

（臨朐縣農(nóng)業(yè)農(nóng)村局，山東臨朐 262600）

0 引言

植物檢疫是我國通過立法的手段，為防止產(chǎn)品在買賣流通的過程中造成有害生物的傳播所開展的防范措施。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，無損檢測技術(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。

1 植物檢疫中無損檢測技術(shù)發(fā)展概況

1.1 聲音測繪法

聲音測繪法是無損檢測技術(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)勢在于，在進(jìn)行相關(guān)檢測工作時(shí)，無需對植物產(chǎn)生任何傷害，對檢測對象上昆蟲的聲波進(jìn)行采集。目前聲音繪測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，檢測方法較為被動。由于它是通過昆蟲活動時(shí)器官所發(fā)出的聲音而進(jìn)行檢測的，所以無法主動發(fā)出聲波進(jìn)行檢測行為，在使用上較為被動。其二，波長不足，雖大部分蟲聲都分布在可聽頻率范圍之內(nèi)，但是也有少部分昆蟲的聲音主頻分布在超聲范圍，由于檢測超聲范圍內(nèi)的聲音較弱，所以在超聲波昆蟲檢測方面存在一定的難度。其三，無法對檢測對象上的死蟲以及蟲卵進(jìn)行檢測。

1.2 X射線檢測

X射線檢測技術(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)對害蟲侵害的可靠性影像計(jì)數(shù)試驗(yàn)?zāi)Ｐ妥隽搜芯?，通過對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射線對檢測對象具有穿透力的優(yōu)勢，研發(fā)了一套X射線檢測植物產(chǎn)品害蟲的檢疫系統(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射線檢測的基礎(chǔ)之上又添加了自動識別算法，Haff和Pearson利用此項(xiàng)技術(shù)，對小麥籽粒中的害蟲幼蟲期侵害做了相關(guān)的檢測，得出結(jié)果與受試者評測的數(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16%。因此，X射線檢測技術(shù)得到了階段性的飛躍。但是由于其不能對害蟲早期的侵害階段做檢測，所以Haff和Pearson又在此基礎(chǔ)之上加入了不同種類的X射線源以及高分辨率實(shí)時(shí)X射線成像系統(tǒng)，加大了對于檢測植物的測評范圍，最后為檢測技術(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的過程中，其質(zhì)量的損失與害蟲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)能夠完美地檢測出植物內(nèi)部所存在的蟲害污染，并具有一定的時(shí)效性。

1.3 近紅外光譜分析技術(shù)

近紅外光譜分析技術(shù)相比X射線檢測和聲音繪測技術(shù)而言研究起步較晚，在1998年才開展了相關(guān)試驗(yàn)工作，在試驗(yàn)過程中研發(fā)人員利用無蟲害小麥顆粒與內(nèi)部有害蟲小麥顆粒作為類比項(xiàng)，通過近紅外圖像開展分析，結(jié)果表明有蟲害的小麥顆粒相對于無蟲害的小麥顆粒，有較大比例的光斑，但經(jīng)過反復(fù)試驗(yàn)之后發(fā)現(xiàn)近紅外技術(shù)對于被害蟲侵害的糧粒識別效果較為明顯，對于不同的成蟲和幼蟲辨別效果不佳。針對此類問題，科學(xué)家Dowell等人利用近紅外反射系統(tǒng)對麥核中的象蟲科昆蟲的生長階段進(jìn)行了檢測，得出結(jié)論，近紅外技術(shù)對于倉儲害蟲的檢測效果明顯。為進(jìn)一步的驗(yàn)證其結(jié)論的準(zhǔn)確性，在來年又對超過2個(gè)月含有不同種類蟲態(tài)的麥粒進(jìn)行了檢測，發(fā)現(xiàn)檢測準(zhǔn)確率高達(dá)63%以上，進(jìn)一步驗(yàn)證了近紅外技術(shù)在儲糧害蟲檢測中的優(yōu)勢。我國科研人員張紅濤等人，又研發(fā)了波長范圍在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以及死亡2代后的糧食害蟲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，又對水稻等植物進(jìn)行了檢測，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。

1.4 機(jī)器視覺技術(shù)

機(jī)器視覺技術(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)過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等方法對其植物的病害進(jìn)行識別。像我國田有文等科研人員，利用該技術(shù)對玉米葉部病害進(jìn)行識別，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。還有部分科研人員利用計(jì)算機(jī)的視覺技術(shù)，在對圖像進(jìn)行處理時(shí)結(jié)合與模式的辨別技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對植物葉部病害的自動辨別。目前，我國在植物檢測中機(jī)器視覺技術(shù)上的使用仍在發(fā)展階段，有很多科研人員都利用周長面積法以及曲線長度法對水稻、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。

1.5 高光譜圖像技術(shù)

高光譜圖像植物檢測，是在20世紀(jì)80年代所誕生的一項(xiàng)無損檢測技術(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)對于檢測害蟲方面的精確率較高，在進(jìn)行相關(guān)技術(shù)研究時(shí)，通過結(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儀器的使用，能夠提高對于其結(jié)論的準(zhǔn)確程度。在發(fā)展的過程中，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)對植物樣本進(jìn)行分析，通過二次判別分類器得到了更為精準(zhǔn)的結(jié)論。在植物內(nèi)部的害蟲檢測方面，科研人員利用高光譜透過圖像結(jié)合反射光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，最終得出結(jié)論其近紅外波長比可見光波長的分區(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，科研人員通過透射的方式，對檢測植物樣本進(jìn)行了識別分類，結(jié)合統(tǒng)計(jì)的特征以及分類精度等數(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)。

2 無損檢測技術(shù)在植物檢疫工作中的應(yīng)用

2.1 聲音繪測法在植物檢疫工作中的應(yīng)用

聲音繪測法，主要是針對植物產(chǎn)品上的害蟲進(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成蟲，還可以檢測幼蟲。其運(yùn)作原理是，運(yùn)用聲學(xué)特征對植物產(chǎn)品進(jìn)行檢測，分析活動中的昆蟲器官發(fā)出的聲音頻域和時(shí)域，會將昆蟲所發(fā)出的聲音信號，進(jìn)行種類分化辨別，最終得出結(jié)論。其檢測方法具有可操作性、方便簡單的特點(diǎn)，并且能夠做到實(shí)時(shí)動態(tài)監(jiān)控檢測，這樣既能夠彌補(bǔ)傳統(tǒng)檢測方法的不足，又能夠保證檢測對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，所以在分辨種類多以及數(shù)量較大的昆蟲群體時(shí)就會存在一定的困難，不適于使用。

2.2 X射線檢測在植物檢疫中的應(yīng)用

由于X射線具有較強(qiáng)穿透的能力，所以其能夠檢測到植物產(chǎn)品的內(nèi)部結(jié)構(gòu)是否受到了害蟲的侵害，具有一定的準(zhǔn)確性和實(shí)效性。原理是將X射線對需檢測植物進(jìn)行測量，如果檢測過程中X射線在強(qiáng)度上發(fā)生了變化，就說明檢測植物內(nèi)部發(fā)生了缺陷或者存在異物等，通過將其轉(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，最終得出結(jié)論。在過去X射線檢測方法通常會運(yùn)用在檢測植物種子品質(zhì)之上，而如今在果蔬的病蟲害檢測中也得到了廣泛的應(yīng)用，它可以準(zhǔn)確的識別出蘋果等植物有無水心病。但缺陷是X射線檢測系統(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)際檢測情況，合理運(yùn)用。

2.3 近紅外光譜分析技術(shù)在植物檢疫中的應(yīng)用

近紅外光譜技術(shù)主要是利用紅外線作為測量媒介進(jìn)行檢測，其主要的操作原理是：紅外線照射到檢測的植物樣本，植物樣本的物質(zhì)粒子產(chǎn)生共振，在此同時(shí)其植物樣本對光能進(jìn)行吸納，通過這些能量得出圖譜。工作人員容易掌握此項(xiàng)技術(shù)，也不會對工作人員產(chǎn)生任何副作用。目前，對于植物產(chǎn)品的病害診斷方面較為有效，其缺點(diǎn)在于，檢測結(jié)果容易受到植物樣本溫度以及測量位置和裝樣條件的影響，此類問題在檢測過程中要尤為注意。

2.4 機(jī)器視覺技術(shù)在植物檢疫中的應(yīng)用

機(jī)器視覺技術(shù)主要是依據(jù)檢測植物的顏色、形狀以及紋理特征進(jìn)行有效識別和分類。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的行為活動實(shí)施監(jiān)測，通過圖像處理、機(jī)器視覺以及模式識別的方式對害蟲進(jìn)行研究，運(yùn)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對其進(jìn)行識別分類，在檢測田間害蟲以及糧庫蟲情方面具有一定的優(yōu)勢。由于機(jī)器視覺技術(shù)具備一定的實(shí)時(shí)性、客觀性以及無損害性的特點(diǎn)，所以具備更高的安全性以及可靠性，在傳統(tǒng)檢測過程中大多都是使用靜態(tài)的植物樣本進(jìn)行檢測，其識別率較低，失誤率也較高，通過這種形式能夠直觀地呈現(xiàn)出檢測植物的狀態(tài)，建議在應(yīng)用過程中大力推廣此項(xiàng)檢疫技術(shù)。

2.5 高光譜圖像技術(shù)在植物檢疫中的應(yīng)用

高光譜圖像技術(shù)在進(jìn)行植物檢疫過程中，其主要應(yīng)用到的原理是當(dāng)光線照射到檢測植物表面，反射的電磁波以及透射的電磁波依波長排列，組成相對應(yīng)的光譜。與近紅外光譜分析技術(shù)類似，能夠輔助工作人員進(jìn)一步加強(qiáng)其結(jié)構(gòu)和化學(xué)特性的識別。高光譜圖像技術(shù)相比單一的機(jī)器識別技術(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)是近年來綜合其他無損檢測技術(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)以及開發(fā)。

3 發(fā)展措施

3.1 培養(yǎng)建立高素質(zhì)植物檢疫隊(duì)伍

基于以上無損檢測技術(shù)在植物檢疫過程中的應(yīng)用，想在實(shí)際過程中做好相關(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)以我國產(chǎn)品安全以及國民生活質(zhì)量和健康的角度，開展相關(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)對于專業(yè)人才的知識培訓(xùn)工作，通過借鑒和學(xué)習(xí)其他發(fā)達(dá)國家先進(jìn)方法以及邀請專家定期授課和外派的形式開展培訓(xùn)學(xué)習(xí)工作，進(jìn)一步優(yōu)化我國的植物檢疫工作標(biāo)準(zhǔn)及質(zhì)量，只有保證與國際水平并進(jìn)的狀態(tài)，才能實(shí)現(xiàn)技術(shù)上的自我革新與發(fā)展。

3.2 加強(qiáng)植物檢疫技術(shù)和設(shè)備研發(fā)力度

由于植物檢疫是一門復(fù)合性較強(qiáng)的工作，不僅僅要求技術(shù)人員具備專業(yè)的知識水平，還要有技術(shù)上的革新，面對目前市場復(fù)雜的狀況，應(yīng)要不斷引進(jìn)國內(nèi)外先進(jìn)的檢疫經(jīng)驗(yàn)，創(chuàng)新檢測技術(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。

4 植物檢疫中新檢測技術(shù)發(fā)展前景

4.1 在農(nóng)業(yè)、林業(yè)及畜牧業(yè)等方面發(fā)揮更大作用

無損檢測技術(shù)不僅僅能夠?yàn)橹参餀z疫工作帶來科學(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)系到日后作物生長的質(zhì)量以及經(jīng)濟(jì)效益。通過無損檢測技術(shù)對種子質(zhì)量的檢測，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。二是通過已經(jīng)成型和較為成熟的檢測技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)植物檢疫工作的自動化發(fā)展，進(jìn)一步減輕了勞動了，提高了工作效率。三是作物的優(yōu)質(zhì)穩(wěn)定成長及輸出，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。

4.2 優(yōu)化檢測技術(shù)，實(shí)現(xiàn)高效且準(zhǔn)確的研發(fā)目標(biāo)

針對目前部分無損檢測技術(shù)中所出現(xiàn)的問題，其優(yōu)化途徑以及發(fā)展的方向主要有三方面：第一自動化。檢疫系統(tǒng)越來越集成化，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。無損檢測技術(shù)有區(qū)別于傳統(tǒng)檢測技術(shù)，能夠增加檢測對象內(nèi)部結(jié)構(gòu)和遭受害蟲侵害部位的可視性。第三智能化。隨著我國科技不斷地發(fā)展，無損檢測技術(shù)也越來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。

4.3 加大新識別分類以及模型的開發(fā)，實(shí)現(xiàn)適用于各種復(fù)合式的檢測

通過結(jié)合不同識別模型的優(yōu)點(diǎn)以及優(yōu)勢，應(yīng)摒棄掉識別分類以及模型中所出現(xiàn)的其他缺點(diǎn)，通過相關(guān)智能軟件的開發(fā)，能夠進(jìn)一步的優(yōu)化其建模工具，實(shí)現(xiàn)良好的自動全局尋優(yōu)能力。由于目前許多無損檢測技術(shù)識別分類以及建立模型過程中都存在植物樣本溫度、測量位置以及裝樣條件等外界因素會對其結(jié)果會造成干擾的現(xiàn)象，在研發(fā)和優(yōu)化過程中，應(yīng)將此類影響因素都考慮到試驗(yàn)范圍之中，加大對于模型的抗干擾能力，實(shí)現(xiàn)能夠適用于各種復(fù)合式的檢測當(dāng)中。

5 結(jié)語

綜上所述，植物檢疫中的無損檢測技術(shù)，能為檢疫工作帶來極大的便利，針對此領(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、速度較慢以及無法在線檢測的缺點(diǎn)，對提高植物產(chǎn)品質(zhì)量、穩(wěn)定市場經(jīng)濟(jì)、遏制病蟲害有著深遠(yuǎn)的意義。