Airsense電子鼻技術(shù)在棉花早期棉鈴蟲蟲害檢測(cè)中的應(yīng)用

在廣袤的棉田之中，棉鈴蟲的肆虐常常給棉花生產(chǎn)帶來巨大損失。這種隱蔽性強(qiáng)的害蟲以幼蟲鉆蛀蕾鈴為害，導(dǎo)致棉鈴腐爛或形成僵瓣，嚴(yán)重影響棉花的產(chǎn)量與質(zhì)量。傳統(tǒng)的聲學(xué)檢測(cè)法、圖像識(shí)別法等在復(fù)雜的棉田環(huán)境中往往顯得力不從心，而電子鼻技術(shù)的出現(xiàn)，為棉花早期棉鈴蟲蟲害檢測(cè)帶來了新的希望。

01Airsense 電子鼻技術(shù)原理
Airsense 電子鼻是一款融合先進(jìn)科技的精密儀器，其核心在于模擬生物嗅覺系統(tǒng)的運(yùn)行機(jī)制。儀器內(nèi)部配備了由多種金屬氧化物（MOS）傳感器組成的高靈敏度陣列。植物在遭受蟲害侵襲時(shí)，會(huì)釋放出特定的揮發(fā)性有機(jī)化合物，這些化合物的成分和含量會(huì)隨著蟲害程度的不同而發(fā)生變化。電子鼻正是利用這一特性，通過其內(nèi)部的氣體傳感器陣列來捕捉這些 “氣味信號(hào)"。

02研究目的
為實(shí)現(xiàn)棉花早期棉鈴蟲蟲害的有效檢測(cè)，解決傳統(tǒng)方法（聲學(xué)檢測(cè)、圖像識(shí)別等）在復(fù)雜棉田環(huán)境中的局限性，通過分析棉花受蟲害后揮發(fā)物的變化，探索電子鼻技術(shù)在該領(lǐng)域的應(yīng)用可行性。
03材料與方法
1試驗(yàn)材料
棉花：冀棉 14 號(hào)，種植約 12 周，處于棉鈴期，盆規(guī)格 24cm（直徑）×19cm（高），生長(zhǎng)于室外自然條件。
棉鈴蟲：2 齡幼蟲，試驗(yàn)前在（26±1）℃、相對(duì)濕度 40%~50% 環(huán)境中飼養(yǎng)，饑餓 24h 后用于試驗(yàn)。
2儀器設(shè)備
電子鼻：PEN3 型（德國(guó) Airsense 公司），含 10 個(gè)金屬氧化物半導(dǎo)體傳感器，對(duì)不同揮發(fā)物靈敏度不同（見表 1）。

3試驗(yàn)設(shè)計(jì)
分組：對(duì)照組（健康棉花）、1 條棉鈴蟲組、2 條棉鈴蟲組、3 條棉鈴蟲組，每組電子鼻檢測(cè)設(shè) 20 個(gè)重復(fù)樣品。
處理：棉鈴蟲侵染 6h 后檢測(cè)（模擬早期蟲害），電子鼻檢測(cè)參數(shù)為清洗 60s（600mL/min）、檢測(cè) 90s（400mL/min）。
4數(shù)據(jù)分析
特征提取：從電子鼻響應(yīng)曲線提取穩(wěn)定值（85s 響應(yīng)值）、面積值、平均微分值、小波能量值、多項(xiàng)式擬合曲線參數(shù)值5 種特征。
分類方法：采用 MLPNN、RBFNN、ELM 3 種神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。
預(yù)測(cè)方法：采用支持向量機(jī)回歸（SVR），以特征值為自變量，棉鈴蟲數(shù)量為因變量，用R2和 RMSE 評(píng)價(jià)模型。
04結(jié)果與分析
1電子鼻傳感器響應(yīng)
健康棉花與受蟲害棉花的傳感器響應(yīng)曲線差異顯著：受蟲害棉花的 S2（對(duì)氮氧化物靈敏）響應(yīng)值更高，S1、S3、S5（對(duì)芳香族化合物靈敏）響應(yīng)變化更大，且響應(yīng)值隨棉鈴蟲數(shù)量增加而增大，與 GC-MS 檢測(cè)的揮發(fā)物總量變化一致。

2主成分分析（PCA）
5 種特征值中，平均微分值的第一、二主成分之和達(dá) 97.18%，能有效區(qū)分健康與不同蟲害組。
3分類分析
單特征分類：3 種神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中，MLPNN 效果佳，穩(wěn)定值、平均微分值、面積值的分類正確率較高（訓(xùn)練集均 > 90%，測(cè)試集均 > 85%），RBFNN 效果最差（測(cè)試集正確率 < 70%）。
多特征分類：將穩(wěn)定值、平均微分值、面積值兩兩或三者組合后，分類效果提升，其中 “穩(wěn)定值 + 平均微分值" 結(jié)合 ELM 的訓(xùn)練集和測(cè)試集正確率均達(dá) 100%。
05結(jié)論
本研究充分證明了Airsense電子鼻技術(shù)在棉花早期棉鈴蟲蟲害檢測(cè)中的可行性。通過特征值優(yōu)化和多特征組合，能夠顯著提高電子鼻對(duì)受蟲害棉花的識(shí)別準(zhǔn)確率和預(yù)測(cè)效果。
Airsense電子鼻技術(shù)憑借其快速、無損、高效的特點(diǎn)，為棉花蟲害檢測(cè)提供了一種全新的手段。未來，隨著技術(shù)的不斷發(fā)展和完善，Airsense電子鼻有望在棉田現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)中發(fā)揮更大作用，為精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的發(fā)展貢獻(xiàn)力量，讓棉花生長(zhǎng)得到更有效的守護(hù)