背景：茶樹(shù)，作為一種至關(guān)重要的經(jīng)濟(jì)作物，其種植卻時(shí)常受到惡劣天氣條件的困擾，導(dǎo)致茶苗生長(zhǎng)緩慢且成本顯著增加，從而限制了茶樹(shù)良種的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。在茶樹(shù)育種中，扦插苗的新梢和根系的生物量作為衡量其生長(zhǎng)發(fā)育的關(guān)鍵指標(biāo)，其準(zhǔn)確且快速的監(jiān)測(cè)對(duì)于提高茶苗成活率至關(guān)重要。然而，傳統(tǒng)的茶樹(shù)扦插苗生物量分析方法主要依賴于人工測(cè)量，不僅費(fèi)時(shí)費(fèi)力，而且效率低下。幸運(yùn)的是，隨著高通量表型技術(shù)的興起，我們能夠從圖像數(shù)據(jù)中快速提取出有用的表型特征。相較于傳統(tǒng)方法，高通量系統(tǒng)具有更高的效率、準(zhǔn)確性和無(wú)損性，能夠更精準(zhǔn)地呈現(xiàn)我們感興趣的植物特征。
實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)：利用高光譜成像設(shè)備（Gaia field Pro-V10, Dualix Spectral Imaging）采集整個(gè)育苗時(shí)期的茶樹(shù)扦插苗的光譜數(shù)據(jù)。采集系統(tǒng)的外部由一個(gè)黑色的暗箱封閉。此外，高光譜相機(jī)捕獲的圖像的光譜范圍在可見(jiàn)-近紅外波段(391-1010 nm)有1101 ×960像素，可以測(cè)量360波段的光譜反射率。為了減輕扦插苗生長(zhǎng)后期葉片重疊的影響，對(duì)扦插苗的冠層進(jìn)行了檢查，將被遮擋的成熟葉片和嫩枝移至視場(chǎng)。
結(jié)論：首先，利用Mask R-CNN網(wǎng)絡(luò)提取新梢和母葉的光譜反射率，其次，利用多元散射校正（MSC）、一階導(dǎo)數(shù)（1-D）和平滑濾波（S-G）算法對(duì)采集的原始高光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，并利用無(wú)信息變量消除（UVE）和競(jìng)爭(zhēng)性自適應(yīng)重加權(quán)（SPA）算法篩選預(yù)處理后高光譜數(shù)據(jù)的特征波段。最后，提出一種卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)-門控循環(huán)網(wǎng)絡(luò)（CNN-GRU）網(wǎng)絡(luò)用于估計(jì)扦插苗新梢和根系的生物量，并且與支持向量機(jī)（SVM）、隨機(jī)森林（RF）、偏最小二乘法（PLS）三種機(jī)器學(xué)習(xí)方法和卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（CNN）、長(zhǎng)短時(shí)記憶網(wǎng)絡(luò)（LSTM）兩種深度學(xué)習(xí)方法進(jìn)行比較。
圖1 顯示了圖像采集和流程圖的組合。(a)圖像采集(b)數(shù)據(jù)處理流程圖
為了去除原始光譜數(shù)據(jù)的基線漂移、噪聲等信息，建立穩(wěn)定、可靠的定量分析模型，我們結(jié)合S-G、MSC和1-D對(duì)光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理。原始平均反射率光譜圖和預(yù)處理后光譜曲線如圖2所示。預(yù)處理后，可以清晰地觀察到光譜的吸收峰和反射谷更加突出，提高了光譜的靈敏度。
圖2 原始光譜與預(yù)處理后的光譜
為了消除無(wú)關(guān)波段對(duì)模型精度的影響，我們使用UVE和SPA算法選擇特征波段，如圖3所示。
圖3 特征波段的分布
最后基于選取的特征波段，利用新梢和母葉光譜結(jié)合CNN-GRU 、SVM、RF、PLS、CNN、LSTM建立新梢和根系生物量的定量預(yù)測(cè)模型（圖4）。在新梢生物量的預(yù)測(cè)模型中，新梢光譜+ UVE + CNN-GRU模型的精度最高（RP2=0.90，RMSEP=0.12，RPD=2.43）；在根系生物量的預(yù)測(cè)模型中，母葉光譜+ SPA+LSTM模型的精度最高（RP2=0.65，RMSEP=0.05，RPD=1.67）。
圖4 模型的預(yù)測(cè)值和實(shí)際值的散點(diǎn)圖。(a)新梢光譜+ UVE + CNN-GRU;(b)母葉光譜+ UVE + CNN-GRU;(c)新梢光譜+ SPA + CNN;(d)母葉光譜+ SPA + LSTM。
本研究中高光譜成像技術(shù)和多種算法相結(jié)合建立的模型具有準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)結(jié)果，可用于監(jiān)測(cè)茶樹(shù)扦插苗新梢和分析生物量。這不僅為高效篩選茶葉優(yōu)良品種提供了新的數(shù)據(jù)來(lái)源和技術(shù)手段，而且提高了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率和資源利用率。
作者簡(jiǎn)介：毛藝霖，青島農(nóng)業(yè)大學(xué)，研究生
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