高光谱成像技术检测高温障碍胁迫下番茄叶片色差的研究

提出了利用可见/近红外高光谱成像技术检测高温障碍胁迫下番茄叶片色差的方法。首先采集380~1 023 nm波段范围内60个高温障碍胁迫和60个健康番茄叶片的高光谱图像,同时获取全部叶片的色差值(L*, a*和b*),然后提取所有样本的高光谱图像中感兴趣区域(region of interest, ROI)的光谱反射率值。基于不同预处理方法建立偏最小二乘(partial least squares, PLS)预测模型,再利用连续投影算法(successive projections algorithm, SPA)提取特征波长并建立SPA-PLS预测模型。最后分别基于全波段和特征波段建立偏最小二乘-判别分析(partial least squares-discriminant analysis, PLS-DA)模型。结果显示,全波段中基于原始光谱信息建立的模型效果最好,3个色差值的预测集决定系数(determination coefficient, R2)分别是0.818,0.109和0.896;基于特征波长建立的模型预测集R2分别是0.591,0.244和0.673;所有模型预测集的总体识别率均大于77.50%。结果表明,可见/近红外高光谱成像技术检测番茄叶片色差值(L*和b*)和识别高温障碍样本是可行的。     

高光谱成像技术的柑橘植株叶片含氮量预测模型

氮素是果树生长发育的一种大量必需元素,及时准确地监控果树的氮营养状况,对果树的合理施肥、增产、优化果实品质以及减缓过量施氮引起的水资源污染具有重要意义。利用高光谱成像技术结合多变量统计学方法,建立了柑橘植株叶片的含氮量预测模型。研究步骤为：高光谱扫描、提取平均光谱曲线、预处理原始光谱数据、采用连续投影法提取特征波段和建立含氮量预测模型。从SG平滑、SNV、MSC、1-Der等11种预处理方法中筛选出的较优预处理方法是SG平滑、Detrending和SG平滑-Detrending。对应这三种最优预处理方法,先采用连续投影法挑选出各自的特征波长,然后将各特征波段下的光谱反射率作为偏最小二乘、多元线性回归和反向传播人工神经网络模型的输入,各自建立三个预测模型。从以上获得的9个预测模型中,得出两个最优模型SG平滑-Detrending-SPA-BPNN(R_p：0.851 3,RMSEP：0.188 1)和Detrending-SPA-BPNN(R_p：0.8609,RMSEP：0.159 5)。结果表明,利用高光谱数据测定柑橘叶片含氮量具有可行性。这为实时、准确地监控柑橘植株生长过程中叶片含氮量的变化以及合理科学的氮肥施加提供了一定的理论基础。     

基于马铃薯叶片光纤光谱信息的晚疫病患病程度预测

针对马铃薯晚疫病害的早期检测和防治问题,利用光谱技术对马铃薯晚疫病叶片过氧化物酶(POD)活性进行预测,并基于POD酶活性实现了马铃薯晚疫病的患病程度预测.采集和测定处于不同温湿度及接菌时间的马铃薯叶片样本的光谱反射率和POD酶活性,选用中心化(MC)预处理方法以消除原始光谱数据的误差.为降低模型复杂程度,利用随机青蛙...     

基于高光谱技术的病害早期胁迫下黄瓜叶片中过氧化物酶活性的研究

应用可见/近红外高光谱对细菌性角斑病早期胁迫下的黄瓜叶片中所含过氧化物酶(peroxidase,POD)活性进行检测。在380~1 030 nm光谱范围获取120个样本(健康,病害轻微感染1级和2级)的光谱曲线,并使用分光光度计法测量感染病害样本中的过氧化物酶活性值。采用单因素方差分析(analysis of variance,ANOVA)对三种不同程度早期病害胁迫下过氧化物酶活性值进行统计分析,结果表明不同程度病害胁迫下黄瓜叶片中的过氧化物活性存在显著性差异(p=0.05)。采用SPXY方法将样本分为建模集(80个样本)与预测集(40个样本)。采用random frog(RF)和回归系数法(regression coefficient,RC)方法提取特征波段,并建立过氧化物酶活性值的偏最小二乘回归(partial least square regression,PLSR)预测模型。最终得到RF-PLSR具有最佳的预测效果,预测集相关系数为0.816,预测均方根误差为11.235。研究结果表明高光谱结合化学计量学方法可以实现细菌性角斑病早期胁迫下黄瓜叶片中过氧化物酶活性的测定,为植物病害的早期无损诊断提供参考。     

高光谱成像技术的不同叶位尖椒叶片氮素分布可视化研究

为了快速、准确、直观估测尖椒叶片的营养水平和生长状况,利用高光谱成像技术结合化学计量学方法对不同叶位尖椒叶片氮素含量(nitrogen content, NC)的分布进行了可视化研究。按照叶片位置采摘尖椒叶片,并采集高光谱数据,然后测定相应叶片的SPAD和NC。提取出叶片的光谱信息后,采用Random-frog(RF)算法提取特征波段,分别选出5条与10条特征波段。针对选取的特征波段和全波段,分别建立偏最小二乘回归(partial leastsquares regression, PLSR)模型,结果表明采用特征波段建立的PLSR模型性能较好(SPAD：R_C=0.970, R_CV=0.965, R_P=0.934; NC: R_C=0.857, R_CV=0.806, R_P=0.839)。根据预测模型计算尖椒叶片高光谱图像每个像素点的SPAD与NC,从而实现SPAD与NC的可视化分布。事实上叶片的SPAD在一定程度上可以反映含氮量,二者分布图的变化趋势基本一致,验证了可视化结果的正确性。结果表明：运用高光谱成像技术可以实现对不同叶位尖椒叶片氮素分布的可视化研究,这为监测植物的生长状况和养分分布提供理论依据。     

基于高光谱技术的灰霉病胁迫下番茄叶片SPAD值检测方法研究

对灰霉病胁迫下番茄叶片中叶绿素含量(SPAD)的高光谱图像信息进行了研究。首先获取380～1 030 nm波段范围内健康和染病番茄叶片的高光谱图像,然后基于ENVI软件处理平台提取高光谱图像中感兴趣区域的光谱信息,经平滑(Smoothing)、标准化(Normalize)等预处理后,建立了基于Normalize预处理的偏最小二乘回归(PLSR)和主成分回归(PCR)模型。再基于PLSR获得的4个变量建立反向传播神经网络(BPNN)和最小二乘-支持向量机(LS-SVM)模型。4个模型中,LS-SVM的预测效果最好,其决定系数R2为0.901 8,预测集均方根误差RMSEP为2.599 2。结果表明,基于健康和染病番茄叶片的高光谱图像响应特性检测叶绿素含量(SPAD)是可行的。     

小米米粉碱消值的高光谱快速预测

小米米粉的主要成分是淀粉,其食味品质决定小米米粉的市场价值。糊化特性是小米米粉的重要物理特性,而碱消值是能够直接反应其糊化特性的主要特征指标。通过小米米粉碱消值的差异,可以间接反映直链淀粉含量,当碱消值降低时,相反,糊化温度和直链淀粉含量却很高,而小米米粉口感粘糯性越差。采用高光谱技术结合化学计量学方法,建立快速检测小米米粉碱消值预测模型,旨在探索一种快速、无损、低成本预测小米米粉碱消值的方法。实验采集小米米粉高光谱数据,在被测样品感兴趣区域(ROI)按像素点逐一选择,提取高光谱数据矩阵,并进行均值运算,得到每个样品在各个光谱波段的平均光谱值。利用粘度测定仪(RVA)测定小米米粉碱消值指标。光谱数据采用全波段、竞争性自适应重加权采样法(CARS)及随机蛙跳(RF)法选择特征波段处理,建立偏最小二乘回归(PLSR)模型;全波段建立预测模型R_p值最高为0.77,说明能够利用小米米粉高光谱反射率反演小米米粉的碱消值,而采用其他两种计算方法所得R_p值分别为0.72和0.7,与前者较为接近,也反映了采用CARS和RF建立的回归模型具有可行性。为提高预测精度,采用Savitzky-Golay(S-G)法、多元散射校正(MSC)和S-G+MSC对数据预处理。可以看出采用MSC预处理光谱数据建立PLSR模型性能较好(R_p=0.83)。对MSC预处理后的数据再次CARS和RF法选择特征波段,建立PLSR模型,与未进行预处理的回归模型相比,R_p值变化不大,这也说明CARS和RF具有一定的稳定性,可以作为小米米粉高光谱反射率预测碱消值的参考方法。结果表明：为实现对小米米粉碱消值的快速、无损检测,通过运用高光谱技术能够利用小米米粉高光谱反射率预测碱消值,进而为小米米粉品质评级、加工及碱消值传感器的开发提供参考依据和数据支撑。     

基于高光谱成像技术的番茄叶片灰霉病早期检测研究

提出了独立软模式法(SIMCA)的番茄叶片灰霉病特征波段图像的提取,并通过多元线性回归法(MLR)提取波段融合图像,通过最小距离法获取番茄灰霉病患病信息的技术路线。利用680～740 nm波段的方差图像和建模能力参数提取的特征波段,并作为输入变量进行MLR分析,在0.5准确率阈值下,准确率均大于99%,说明特征波段可以实现番茄叶片灰霉病的检测,并利用MLR回归系数提取波段融合图像,通过最小距离法获取番茄灰霉病患病信息,结果表明所提出的方法具有很好的预测能力,为番茄灰霉病的早期检测提供了一种新方法,且大大降低了高光谱图像的数据处理时间。     

基于高光谱成像的牧草粗蛋白含量检测研究

粗蛋白（CP）是评价牧草营养价值和品质参数的关键指标。快速、准确地对牧草中粗蛋白含量进行评估在畜牧业生产研究中具有重要意义。为确定牧草粗蛋白含量的高光谱特征波段及最优检测模型,研究分别于2017年5月至9月间在黑龙江省杜尔伯特自治区的人工牧草场（羊草）内每月随机选取35个样本,5个月共采集175个样本。采样时在样本点处放置1 m×1 m的样方,将样方内所有牧草全部齐地面收割采集后称重并冷藏保存。将样本带回实验室后,立即进行牧草叶片高光谱图像采集,同时采用凯氏定氮法对采集的牧草样本进行粗蛋白化学值测定,以此建立牧草粗蛋白含量高光谱数据集。研究首先通过Savitzky-Golay卷积平滑（SG）、多元散射校正（MSC）、变量标准化（SNV）、一阶导数（1-Der）和直接正交信号校正（DOSC）方法5种预处理方法对高光谱数据进行处理后分别建立偏最小二乘回归（PLSR）检测模型,从中确定最优预处理方法。利用最优预处理结果,分别采用连续投影算法（SPA）和随机蛙跳算法（RF）进行牧草粗蛋白含量的特征波段选择,并利用选择结果分别进一步建立PLSR模型,以此确定适合粗蛋白含量的特征波段选择方法,确定最优高光谱检测模型。结果表明,在五种高光谱预处理方法中,基于SNV方法预处理后所建立的高光谱PLSR模型表现最优（R2-P=0.929,RMSE-P=6.344 mg·g-1,RPD=4.204）。利用连续投影算法筛选的粗蛋白含量特征波长为30个,分布于530～700和940～1 000 nm范围内。经随机蛙跳算法确定的粗蛋白含量特征波段为6个,分别为826.544,827.285,828.766,971.012,972.494和973.235 nm。因此,该研究中牧草粗蛋白含量最优高光谱检测模型为SNV-RF-PLSR（R2-P=0.933,RMSE-P=6.034 mg·g-1,RPD=4.322）,模型精度较高。该研究结果为牧草粗蛋白含量的高光谱检测提供了最优模型和理论基础,同时为指导草业生产开拓了新的技术思路。     

基于双波段植被指数(TBVI)的柑橘冠层含氮量预测及可视化研究

氮素(nitrogen,N)是果树生长发育的必需重要元素,及时准确地无损检测果树的氮素水平对果实增产、合理施肥以及减少环境污染等具有重要意义。研究了基于高光谱成像技术进行柑橘冠层含氮量预测及可视化的可行性。实验采用高光谱成像光谱仪ImSpector V10E(Spectral imaging Ltd.,Oulu,Finland)分别采集柑橘叶片实验室样本和野外整个植株冠层的高光谱图像。利用ENVI软件提取每个叶片样本感兴趣区域(ROI)的平均光谱数据作为整个样本的光谱数据进行分析,同时采用杜马斯燃烧法快速定氮仪(ElementarAnalytical, Germany)测定叶片样本的含氮量。通过简单相关分析和双波段植被指数(TBVI)的获取,建立基于光谱数据的含氮量预测模型。计算表明,基于811和856 nm的双波段植被指数(TBVI)能够建立最佳的柑橘叶片含氮量预测模型(R2=0.607 1)。在此基础上,计算上述TBVI的冠层图像,把基于该TBVI的含氮量预测模型导入到TBVI图像中计算生成冠层含氮量的预测分布图。图中直观地显示柑橘嫩叶、中叶、老叶的含氮水平从高到低分布,实现了冠层含氮量的可视化。结果表明,利用高光谱成像技术可以实现柑橘冠层氮素水平的检测和诊断,这为实施基于每颗果树信息的变量施肥技术提供了参考信息。     

基于高光谱成像技术的脐橙叶片的叶绿素含量及其分布测量

为实现脐橙叶片叶绿素含量无损检测及其分布可视化表征,采用高光谱成像技术,结合自适应重加权算法(CARS)和连续投影算法(SPA),筛选特征光谱变量,进行脐橙叶片叶绿素含量及可视化分布研究。选取叶绿素测量位置的7×7矩形感兴趣区域,提取并计算脐橙叶片平均光谱。基于Kennard-ston方法,将148个脐橙叶片样品划分成建模集和预测集(111∶37)。采用CARS和SPA算法分别筛选出了32个和6个叶绿素特征光谱变量,用于建立偏最小二乘(PLS)回归模型。采用37个未参与建模的脐橙叶片样品评价模型的预测能力,经比较,CARS-PLS和SPA-PLS模型均优于变量筛选前的PLS模型,且CARS-PLS和SPA-PLS模型的预测能力几乎相同,其预测集相关系数分别为0.90和0.91,均方根误差分别为1.53和1.60。SPA-PLS模型计算脐橙叶片每个像素点的叶绿素含量,经伪彩色变换,绘制了脐橙叶片叶绿素含量可视化分布图。实验结果表明:变量筛选方法结合高光谱成像技术,能够实现脐橙叶片叶绿素含量无损检测及叶绿素分布可视化表达,并简化了数学模型。     

不同波长提取方法的高光谱成像技术检测番茄叶片早疫病的研究

提出了基于连续投影算法(successive projections algorithm,SPA)、载荷系数法(x-loading weights,x-LW)和格拉姆-施密特正交(gram-schmidt orthogonalization,GSO)提取特征波长的高光谱成像技术检测番茄叶片早疫病的方法。首先获取380～1 023 nm波段范围内70个健康和70个染病番茄叶片的高光谱图像信息,然后提取健康和染病叶片感兴趣区域(region of interest, ROI)的光谱反射率值,建立番茄叶片早疫病的最小二乘-支持向量机(least squares-support vector machine,LS-SVM)鉴别模型,建模集和预测集的鉴别率都是100%。再通过SPA 、x-LW和GSO提取特征波长(effective wavelengths,EW),并建立EW-LS-SVM和特征波长-线性判别分析(ew-linear discriminant analysis,EW-LDA)鉴别模型。结果显示,每个模型的鉴别效果都很好,EW-LS-SVM模型中预测集的鉴别率都达到了100%,EW-LDA模型中预测集的鉴别率分别是100%, 100%和97.83%。基于SPA, x-LW和GSO所建模型的输入变量分别是4个(492,550,633和680nm),3个(631,719和747 nm)和2个(533和657 nm),较少的特征波长便于实时检测仪器的开发。结果表明,高光谱成像技术检测番茄叶片早疫病是可行的,SPA,x-LW和GSO都是非常有效的特征波长提取方法。     

高光谱成像技术的油菜叶片氮含量及分布快速检测

应用高光谱成像技术实现了油菜苗-花-角果整个生命期叶片氮含量的快速检测和氮素水平分布的可视化。采集三个生长时期共计420个叶片样本的高光谱图像信息(380～1 030 nm),提取图像中感兴趣区域的平均光谱数据,经过不同光谱预处理后,利用连续投影算法(SPA)选择特征波长,将提取的12个特征波长(467,557,665,686,706,752,874,879,886,900,978和995 nm)作为自变量,叶片氮含量作为因变量,分别建立偏最小二乘法(PLS)和最小二乘-支持向量机(LS-SVM)模型。SPA-PLS和SPA-LS-SVM模型对叶片氮含量的预测相关系数R_P分别为0.807和0.836,预测均方根误差RMSEP分别为0.387和0.358。高光谱图像中的每一个像素点都有对应的光谱反射值,利用结构简单、更易提取回归系数的SPA-PLS模型,快速计算出12个特征波长下高光谱图像中每个像素点对应的氮含量预测值,结合像素点的空间位置生成氮素浓度的叶面分布图。可视化分布图详细且直观的反应出同一叶片内部或不同叶片之间氮含量的差异。结果表明,应用高光谱成像技术分析整个油菜生长期的叶片氮含量及其可视化分布是可行的。     

以高光谱数据有效预测苹果可溶性固形物含量

从高光谱数据中选取能够有效进行内部品质检测的特征波长,是利用高光谱成像技术进行水果品质定量分析的关键。本文采用遗传算法(GA)、连续投影算法(SPA)和GA-SPA算法分别从400～1 000 nm的苹果高光谱图像中提取特征波长,利用偏最小二乘法(PLS)、最小二乘支撑向量机(LS-SVM)和多元线性回归(MLR)建模进行苹果可溶性固形物含量(SSC)的定量分析并进行了综合比较。160个样品中,120个用于建模,40个用于预测。比较发现SPA-MLR模型获得了最好的结果,R2_p,RMSEP和RPD分别为0.950 1,0.308 7和4.476 6。结果表明：SPA能够有效地用于高光谱数据的变量选择,利用SPA-MLR可建立稳健的苹果SSC预测模型,较少的有效变量和MLR模型的易解释性表明该模型在在线检测和便携式仪器开发中具有较大的应用潜力。     

近红外光谱技术结合RCA和SPA方法检测土壤总氮研究

基于近红外光谱技术结合连续投影算法和回归系数分析对检测土壤总氮含量进行研究。采集农田土壤样本近红外光谱数据,土壤样本数量共394个。由于原始光谱数据量大,在500～2 500 nm光谱波长范围基础上,为简化模型,在原始光谱基础上采用连续投影算法和回归系数分析提取特征变量,以两种变量选择方法提取的特征变量作为输入,分别采用偏最小二乘回归(PLS)、 多元线性回归(MLR)和最小二乘支持向量机(LS-SVM)建模方法建立总氮预测模型,共建立了9个预测模型,最优预测集的决定系数为0.81,剩余预测偏差RPD为2.26。研究表明,基于连续投影算法和回归系数分析选择的特征波长可以应用于近红外光谱检测土壤总氮含量,同时可以大大简化模型,适合开发便携式土壤养分检测仪。     

基于高光谱的GA和SPA算法对赣南脐橙叶绿素定量分析

用遗传算法(GA)和连续投影算法(SPA)分别提取了赣南脐橙叶片高光谱图像的有效信息,对叶绿素的含量用偏最小二乘法(PLS)进行建模定量分析。高光谱图像标定后,提取感兴趣区域(ROI)的平均光谱,用GA和SPA算法分别选出了27和8条特征波长,然后用PLS对叶绿素含量建模。GA-PLS与SPA-PLS模型得到的预测集相关系数分别为0.80和0.83,均方根误差分别为2.45和2.30。结果表明：SPA-PLS模型具有较高的优势,可以结合高光谱技术对赣南脐橙叶绿素含量快速、无损的定量分析。     

竞争性自适应重加权算法和相关系数法提取特征波长检测番茄叶片真菌病害

基于竞争性自适应重加权算法(CARS)和相关系数法(CA)特征波长选择方法,提出了利用可见-近红外高光谱成像技术检测番茄叶片灰霉病的方法。首先获取380～1 023 nm波段范围内80个染病和80个健康番茄叶片的高光谱图像,然后提取染病和健康叶片感兴趣区域(ROI)的光谱反射率值,作为番茄叶片灰霉病鉴别模型的输入来建立支持向量机(SVM)鉴别模型,训练集和验证集的鉴别率都是100%。研究进一步通过CARS和CA提取特征波长,分别得到5个(554, 694, 696, 738和880 nm)和4个(527, 555, 571和633 nm)特征波长,然后分别建立CARS-SVM和CA-SVM鉴别模型。结果显示,CARS-SVM模型中训练集和验证集的鉴别率都是100%,CA-SVM模型中训练集和验证集的鉴别率分别是91.59%和92.45%。以上结果说明了从可见-近红外高光谱图像中提取的光谱反射率值用于检测番茄叶片的灰霉病是可行的。     

基于高光谱技术的土壤水分无损检测

利用高光谱成像仪(光谱范围400～1 000 nm)对土壤含水率进行了无损检测。比较了208个土样不同天数下土壤含水率与光谱变化、不同质量含水量光谱的差异;对比分析了不同光谱预处理方法、不同方法提取特征波长、采用多元线性回归(multiple linear regression,MLR)、主成分回归(principal component regression,PCR)与偏最小二乘回归(partial least squares regression,PLSR)建模,优选出最佳模型。结果表明：光谱曲线的反射率随着土壤含水率的增加而减小。当超过田间持水率时,光谱曲线的反射率会随着土壤含水率的增加而增大。对比分析了不同预处理方法,近红外波段优选出单位向量归一化预处理方法。采用无信息变量消除法(UVE)、竞争自适应加权采样(CARS)、β系数法、连续投影算法(SPA)方法提取特征波长为49,30,5和7。为了减少数据冗余,对UVE与CARS提取的特征波长进一步采用SPA方法进行特征提取,UVE+SPA,CARS+SPA提取特征波长数分别为5和8个。在此基础上,利用MLR,PCR和PLSR方法对400～1 000 nm范围的特征波长建立模型,对比分析不同建模效果,优选出β系数提取的特征波长的MLR模型。最优的特征波长为411,440,622,713和790 nm,最优模型的预测相关系数R_p=0.979,预测均方根误差RMSEP为0.763。因此,今后可采用不同波段对土壤含水率进行定量分析。