高光譜成像技術(shù)（Hyperspectral Imaging, HSI）作為一門融合光學(xué)、圖像處理與數(shù)據(jù)分析的前沿技術(shù)，因其非破壞性、高精度和快速檢測能力，在種子品種鑒別領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大潛力。中達(dá)瑞和系統(tǒng)綜述了高光譜成像技術(shù)的基本原理、在種子品種鑒別中的關(guān)鍵技術(shù)突破、主要應(yīng)用場景，旨在為農(nóng)業(yè)育種、種子質(zhì)量控制和糧食安全提供理論支持和技術(shù)參考。

種子作為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的核心資源，其品種純度直接影響作物產(chǎn)量和品質(zhì)。傳統(tǒng)種子鑒別方法（如形態(tài)學(xué)觀察、分子標(biāo)記分析）存在效率低、成本高或破壞性等問題。高光譜成像技術(shù)通過捕捉種子表面及內(nèi)部成分的光譜-空間信息，能夠?qū)崿F(xiàn)無損、快速的品種識別，成為當(dāng)前研究熱點(diǎn)。

高光譜成像結(jié)合光譜分析與二維成像技術(shù)，獲取目標(biāo)物體在連續(xù)窄波段（通常為可見光至短波紅外波段，400–1700 nm）的光譜反射率數(shù)據(jù)，形成“光譜-空間”三維數(shù)據(jù)立方體。高光譜成像技術(shù)在種子檢測中可以做到非接觸式檢測，避免樣品破壞；同時(shí)獲取空間分布與光譜特征；可識別種子表面紋理、色素含量、水分及化學(xué)成分差異。

高光譜成像在種子品種鑒別中的關(guān)鍵技術(shù)

光譜數(shù)據(jù)采集與預(yù)處理

硬件系統(tǒng)：包括中達(dá)瑞和推掃式高光譜相機(jī)（VIX系列）、中達(dá)瑞和凝采式高光譜相機(jī)（SHIS系列），以及光源控制模塊（如LED或鹵素?zé)簦?/p>

數(shù)據(jù)預(yù)處理：

噪聲消除（如Savitzky-Golay平滑濾波）；

基線校正（多項(xiàng)式擬合）；

特征波長提?。ㄈ邕B續(xù)投影法SPA、競爭自適應(yīng)加權(quán)采樣CAWS）。

特征提取與建模方法

光譜特征：通過主成分分析（PCA）、線性判別分析（LDA）或深度學(xué)習(xí)模型（如CNN）提取種子的光譜特征向量。

圖像特征：結(jié)合形態(tài)學(xué)參數(shù)（如種子大小、形狀）與紋理特征（灰度共生矩陣GLCM）。

分類模型：支持向量機(jī)（SVM）、隨機(jī)森林（RF）、深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（DNN）等算法的對比研究。

多源數(shù)據(jù)融合策略

光譜-形態(tài)學(xué)融合：將高光譜數(shù)據(jù)與傳統(tǒng)形態(tài)學(xué)指標(biāo)結(jié)合，提升分類精度。

多模態(tài)數(shù)據(jù)融合：與近紅外光譜（NIRS）、X射線成像等技術(shù)聯(lián)合使用，增強(qiáng)鑒別能力。

高光譜成像在種子鑒別中的應(yīng)用研究進(jìn)展

主要作物品種的鑒別

谷物類：水稻、小麥、玉米等主要糧食作物的品種識別研究。

案例：

Zhang et al. (2020) 利用短波紅外光譜（900–1700 nm）結(jié)合SVM，對水稻品種“泰優(yōu)808”與“宜香優(yōu)2115”的識別準(zhǔn)確率達(dá)98.2%。

Wang et al. (2021) 提出基于遷移學(xué)習(xí)的CNN模型，在玉米種子品種分類任務(wù)中較傳統(tǒng)方法提升12%準(zhǔn)確率。

經(jīng)濟(jì)作物：油菜、大豆、棉花等種子的品種快速篩選。

混雜種子的純度檢測

混合樣本分離：通過光譜聚類（如K-means）或混合像元分解技術(shù)，識別混雜種子中的異質(zhì)成分。

案例：Li et al. (2022) 開發(fā)了一種基于高光譜成像的自動化分揀系統(tǒng)，可在3秒內(nèi)完成100粒小麥種子的純度檢測，準(zhǔn)確率超過95%。

種子活力與發(fā)芽率預(yù)測

間接指標(biāo)關(guān)聯(lián)：通過種子內(nèi)部化學(xué)成分（如蛋白質(zhì)、油脂含量）的光譜特征預(yù)測其活力。

案例：Chen et al. (2023) 利用可見光-近紅外光譜（400–1000 nm）建立種子發(fā)芽率預(yù)測模型，決定系數(shù)R2達(dá)0.89。

高光譜成像技術(shù)通過其獨(dú)特的光譜-空間融合能力，為種子品種鑒別提供了高效、精準(zhǔn)的解決方案。盡管仍面臨技術(shù)瓶頸，但隨著硬件成本降低、算法優(yōu)化及多學(xué)科交叉融合，其在農(nóng)業(yè)智能化領(lǐng)域的應(yīng)用前景廣闊。未來的研究應(yīng)聚焦于技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化、實(shí)時(shí)化與低成本化，推動高光譜成像從實(shí)驗(yàn)室走向田間地頭。

審核編輯 黃宇