1光譜遙感

農作物光譜的遙感已經被深入研究，并被證明是現代農業管理的一個重要工具。農業光譜遙感是指在田野上方所得到的光譜圖像，此時的入射電磁輻射通常是指陽光[1]。當陽光照射到作物或土壤表面時，光線會被反射、吸收或透射，這取決于光線的波長和所接觸物體的特性。所接觸物體的物理或化學性質的差異，例如葉子的顏色、質地或形狀，決定了某一特殊波長的光線被反射、吸收或透射的能量多寡。農業中最常用的遙感技術是光譜反射比測量。所測定的光譜反射比（反射能量與入射能量的比值）是波長的函數[2,3]。與波長相關的反射比曲線這一光譜特征隨植物品種和條件不同而有所差異。大多數農業應用項目中所測得的電磁波的波長范圍從可見光（400~700nm）直至近紅外范圍（700~2500nm）之間[1]。研究表明這一范圍內的光譜特征可以為了解作物和土壤的生理學和生物學性質提供豐富和有價值的信息[1,4,5]。已經依據所測定的光譜反射比數據編制了某些特殊植物和農作物的光譜學指數，用于對不同的農業狀況進行研究[1,6]。光譜儀、輻射計和數字照相機可以安裝在不同的平臺上，諸如地面（拖拉機或卡車）、空中（飛機）或太空（衛星）等，以收集各種數據。傳感器平臺移動時可進行小范圍的連續測量，接著進行數據處理并繪制相應圖像[3]。遙感結果的質量可從空間分辨率、光譜分辨率和時間分辨率等方面進行評估[1,3]?？臻g分辨率是指在圖像中可以辨認的最小區間。空間分辨率與圖像的像素直接相關。光譜分辨率表達了由傳感器所測定的電磁波譜線的數值和寬度。時間分辨率則表明一個傳感器平臺能以怎樣的時間間隔提供該區域的測量數據。農業和農場管理應用所需數據的空間分辨率通常為2~5米，時間分辨率則為1~3天，以及1個像素的地域精度和24小時內的農產品送貨時間，同時需對大氣環境的干擾，諸如灰塵、一氧化碳、二氧化碳和臭氧等進行校正[6]。在上一個十年中，對傳感器分辨率的嚴苛要求極大地推動了農用傳感器研發的進展[6]。空間分辨率在很大程度上取決于傳感器平臺的類型。地面和空中的傳感器平臺可以較容易地滿足田野上方空間分辨率的要求，但成本和勞動力的花費很大。設置在太空的平臺只能提供較低的分辨率，同時易受氣象條件的影響，例如云層的干擾。各類傳感器平臺的優劣在Scotford等的文章中作了概括的評價[1]。光譜遙感技術早在上世紀六十年代初已被用于農業。傳統的光譜傳感器采用一個多光譜成像系統，各個平行的傳感器陣列在電磁波的可見光波段至中紅外波段之間分別測量少量的光譜帶（3~6）[2,7]。近二十年來高光譜成像技術（hyperspectralimaging）的進展促進了光譜分辨率的提高。高光譜成像系統可以測量許多（數百個）極窄的相近光譜帶，波長范圍從可見、近紅外、中紅外直至熱紅外[2,3,7,8]。由高光譜系統可以得到詳盡的高分辨率光譜數據，并可由此得到有關農作物和田地特征的詳盡而精確的信息。高光譜系統產生了海量的數據。如何對數據進行解析有賴于對高光譜傳感器和測定對象性質的深入了解[2,3]。當前，高光譜成像的研究課題包括數據處理機制、數據比對和模型建立等[9,10]。光譜遙感已經被成功地應用于測量農作物營養狀況、農作物病害、水資源缺乏或豐盈、叢生的雜草、昆蟲危害、植物種群、洪水管理和其它田野狀況[1~3,11,12]。食品工業已采用光譜遙感技術來監控食品質量和檢測可能發生的食品污染[13~16]。在食品加工廠中通常采用一種人工光源來照射在傳送帶上輸送的食品，然后用一個傳感器系統來測量所產生的熒光或散射光的反射比。用于食品質量監控的光線波長包括紫外（10~400nm）、可見（400~750nm）和近紅外（750~2500nm）等波段[13]。近來，三維高光譜成像系統已被用于準確測定[17~21]。

2電子鼻

植物和樹木通常都會釋放出揮發性有機物（VOCs），這是它們日常生理過程的副產物。此類特殊的揮發性有機物的產生以及所釋放的數量反映了農作物和農田的情況。濕度、光線、溫度、土壤情況、施肥、昆蟲和植物病害都會影響揮發性物質的釋放。電子鼻在農業中的最常見應用是測定農作物病害、判別昆蟲危害以及監測食品質量。電子鼻通常由氣體傳感器陣列和電子模式識別系統兩部分組成。陣列中的各種傳感器的選擇性可以廣泛或部分交叉覆蓋，模式識別系統中則包含了多變量統計數據處理工具。電子鼻的典型訓練過程是對健康的植物/水果和罹患病害的植物/水果所釋放的揮發性物質的特性進行比較。這一領域的最新進展可參見Sankaran等所撰寫的評論文章[22]。電子鼻在食品工業中的重要應用是在加工和包裝過程中評估水果和蔬菜的新鮮和腐敗程度[23,24]。研究工作表明，揮發性物質的檢測可以指示水果的成熟度以及哪些化合物能促進水果的成熟，如氨[25,26]、乙醇[26]、乙烯[26,27]和反式-2-己烯醛[28]等。電子鼻已用于檢測蘋果儲藏期間芳香物的數量變化[29]，評估采摘后的桃、梨、香蕉[29~31]和油桃[29,31]等水果的質量，以及檢測土豆的腐爛[32]等。不過上述研究都還處于初始階段。傳感器的穩定性、使用壽命、標定、選擇性以及氣體傳感器陣列儀器的標準化等都是制約其商業應用的因素[33]。電子鼻和電位傳感器曾被用來確定安放食草性昆蟲誘捕器的范圍[34~36]。近來，利用電子鼻來測定植物在受到昆蟲襲擊后所釋放出的揮發性物質，以便及早確定昆蟲危害的發生[37~39]。

3電化學傳感器

電化學傳感器在農業領域中的一個重要應用是土壤化學中對諸如pH值或營養成分的直接測量。土壤測試結果對于提高農作物產量和生產質優、味美的食品至關重要。關于土壤傳感器的評述可參見Adamchuk等最近撰寫的文章[40]。用于測量土壤中某些離子活度（H+,K+,NO3-,Na+等）的電化學傳感器有如下兩類：1）離子選擇電極和2）離子選擇性場效應管(ISFET)傳感器。這兩類傳感器也被用于監測植物對離子的攝取。營養成分的攝取速度取決于植物對營養的需求，此種需求與植物的生長速度和植物體的營養狀況有關。多數常量營養元素（如氮、磷、鉀）的吸收過程都很活躍。監測植物體或生長系統的離子濃度可以幫助農民制訂施肥策略和提高產量。離子選擇電極已經可以用于多種不同離子的檢測。它們可用于土壤和作物(如土豆[41,42]和蔬菜)中氮元素的監測，以便進行施肥管理[43,44]。植物或土壤中的離子（例如碘離子、氟離子、氯離子、鈉離子、鉀離子和鎘離子等）可以用離子選擇電極進行測定，以便對植物的新陳代謝、營養以及植物中所存在的重金屬離子的毒物學影響[45~48]等進行研究。隨著離子選擇電極和離子選擇性場效應管的發展，促進了溫室工業中為作物/植物開發特定離子營養液供應系統的努力。某些研究者開發了基于特定離子濃度測量的液體肥料注入系統[49,50]。這些系統能自動進行植物所需營養的補給。

4生物傳感器

近年來，用于化學污染物質以及食源性病原體檢測的生物傳感器的研究工作廣泛展開。食源性疾病對公共衛生是一個迫在眉睫的威脅，每年由此造成的損失近300億美元[51]?，F今的細菌檢測方法，例如細菌培養、菌落計數、聚合酶鏈反應（PCR）[52]以及基于抗體的酶聯免疫法（ELISA）[53]等技術所需樣品量較大，隨后還需在實驗室中進行樣品制備以及對試樣進行分析，既費力又費時。大量研究工作集中于開發適用的生物傳感器，用于對目標化學物質和病原體進行快速測定[54~56]，且操作人員無需經過特殊培訓。生物傳感器通常由如下兩部分組成：1）生物分子識別元件（生物探針），它能識別目標病原體并與之反應；2）變換元件，它能對生物探針與目標待分析物的相互作用發生響應并將其轉換成可測定信號。有幾篇新發表的評論文章對近年來生物傳感器研發中的生物探針和變換器探索研究進行了很好的評述[57~60]。目前常用的生物探針主要有核酸(DNA/RNA)、蛋白質、酶、抗體和噬菌體[61~63]。用于生物傳感器的變換部件則主要有以下四類：電化學變換器、光學式變換器、熱學變換器和聲波(AW)器件。生物分子識別元件及其在傳感器界面的恰當固定化決定了生物傳感器的選擇性，生物傳感器的靈敏度則決定于變換器元件。對高性能生物傳感器的需求已經和正在推動著不同種類變換元件的研究開發。在生物傳感器開發過程中，抗體和多肽長期被用作生物識別結構[64,65]。但是無論單克隆抗體和多克隆抗體都有其局限性，例如成本高昂、效果欠佳、易損傷和繁瑣的固定化操作。近年來，纖維狀噬菌體和溶解性噬菌體作為生物分子識別元件引起了許多研究者的注意[66~68]。與抗體相比，纖維狀噬菌體具有明顯長處。噬菌體的結構非常穩定，可以抵抗攝氏80度以上的溫度以及各種化學品（例如酸、堿和有機溶劑）的作用[69]。噬菌體的三維識別表面能夠提供多個鍵合位點，因而對所測定的病原體有很強的鍵合能力。再則，只需花少量費用即可得到大量合用的噬菌體[70]。表1中列出了已經用于測定食源性病原體的多種噬菌體生物傳感器。聲波器件構成了高靈敏度換能器的一個重要類別，并顯示了諸多優異特性，例如高靈敏度、成本低廉、易使用、可遠距離測量、微型化和能用于現場測量等[62,71~74]。近年來，由無定形磁伸縮材料制作的聲波器件已被用于高性能生物傳感器的研發。應用磁伸縮材料開發了兩類聲波器件：1）磁彈性（magnetoelastic,ME）共振器[75~82]；2）磁伸縮微懸臂梁（magnetostrictivemicrocantilevers,MSMC）[83~85]。圖2顯示了磁彈性生物傳感器的操作原理。研究者已經用微機械加工的方法制作了基于噬菌體的獨立式磁彈性生物傳感器，在其中的磁彈性共振器表面覆蓋了用基因工程制得的噬菌體，用來與待測病原體進行特異性鍵合（圖3）[86,87]。ME生物傳感器在交變磁場作用下以特定的共振頻率進行振蕩。當生物傳感器與待測病原體接觸后彼此發生鍵合。這種鍵合作用導致共振器的質量增加，因而使生物傳感器的共振頻率降低。ME生物傳感器是一類無線傳感器，并且不需要附帶電源。ME生物傳感器也是一種價廉和一次性傳感器件，應用微機械加工方法制作一千個傳感器的加工成本小于一美分。ME生物傳感器已成功用于檢測許多種病原體，例如沙門氏桿菌、炭疽芽胞桿菌和大腸桿菌等[77~81,88,89]。最近的研究表明，ME生物傳感器可以對新鮮食品表面的細菌直接進行測定而無需取樣操作（水洗和消化）[90]。用于多種化學戰劑和食品污染物的高靈敏檢測和鑒別的酶基生物傳感器在過去幾十年中發展迅速并被視作有效工具。具有高毒性的有機磷神經毒劑（organophosphateneurotoxins,OPs）已被廣泛地用作農用殺蟲劑和化學戰劑，因而對農產品和食品中的OPs的鑒別性測定尤為重要。用于OPs測定的生物傳感器研發工作中的兩個重要方向是1）對特種酶，例如乙酰膽堿酯酶和丁酰膽堿酯酶（AChE和BChE)的抑制[91~94]；2）應用不同水解酶對OPs進行直接水解[95~99]。

5無線傳感器網絡

得益于無線技術的發展，無線傳感器網絡的開發已有相當進展并可以在農業實踐中達到新的精度。無線傳感器網絡包含如下幾部分：無線電頻率接收器、全球定位傳感器以及土壤、水、離子和揮發性有機化合物傳感器、微型控制器和電源。這一無線傳感器網絡已處于田間試驗階段[119]。上述技術的開發為農業實踐中的觀察、評估和控制提供了革命性工具。但無線傳感器網絡技術目前還處于早期發展階段。某些作者新近發表的評論文章對無線傳感器網絡的發展和未來趨勢進行了評述[119~122]。