基于高光譜成像與機(jī)器學(xué)習(xí)模型的草莓葉片含水率精準(zhǔn)反演技術(shù)研究

摘要

本研究草莓葉片含水率光譜數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)分析、反演，構(gòu)建了一套融合高光譜成像（HSI）技術(shù)與多種機(jī)器學(xué)習(xí)模型的反演體系。通過(guò)搭建 HSI 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)獲取草莓葉片光譜信息，經(jīng)嚴(yán)格的數(shù)據(jù)預(yù)處理流程提取有效特征，深入對(duì)比偏最小二乘回歸（PLSR）、支持向量回歸（SVR）、梯度提升決策樹(shù)回歸（GBDTR）、ResNet 18 及寬度學(xué)習(xí)系統(tǒng)（BLS）等模型在不同超參數(shù)優(yōu)化策略下的性能表現(xiàn)，最終篩選出適用于草莓葉片含水率反演模型架構(gòu)，草莓葉片含水率光譜數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)分析、反演為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中作物水分狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)提供了先進(jìn)的技術(shù)手段與理論支撐 。

一、引言

草莓作為經(jīng)濟(jì)價(jià)值較高的漿果類(lèi)作物，其葉片含水率是反映生長(zhǎng)狀態(tài)、指導(dǎo)精準(zhǔn)灌溉的關(guān)鍵指標(biāo)。傳統(tǒng)含水率檢測(cè)方法（如烘干法）操作繁瑣、破壞性強(qiáng)，難以滿(mǎn)足現(xiàn)代農(nóng)業(yè)實(shí)時(shí)、無(wú)損監(jiān)測(cè)需求。高光譜成像技術(shù)憑借其 “圖譜合一" 特性，可同時(shí)獲取草莓葉片的圖像與光譜信息，為含水率無(wú)損檢測(cè)提供了新途徑。然而，高光譜數(shù)據(jù)存在維度高、冗余信息多等問(wèn)題，需結(jié)合先進(jìn)機(jī)器學(xué)習(xí)算法挖掘光譜與含水率間的復(fù)雜非線(xiàn)性關(guān)系，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)反演，這也是本研究的核心突破方向。

二、高光譜成像系統(tǒng)與數(shù)據(jù)采集

（一）HSI 系統(tǒng)搭建

搭建由高光譜相機(jī)、鏡頭、鹵素?zé)艄庠础⒐庠纯刂破骷皥D像采集平臺(tái)組成的 HSI 系統(tǒng)（圖 1）。鹵素?zé)籼峁┓€(wěn)定照明，高光譜相機(jī)采集草莓葉片 400 - 900nm 波段的高光譜圖像，經(jīng)鏡頭聚焦后傳輸至計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)與處理，確保光譜信息采集的準(zhǔn)確性與穩(wěn)定性。

（二）樣本制備與數(shù)據(jù)采集

選取健康與干旱脅迫狀態(tài)的草莓葉片樣本（圖 4），總計(jì) 1086 個(gè)。利用 HSI 系統(tǒng)采集樣本高光譜圖像，后續(xù)通過(guò)圖像分割、背景去除、ROI 定義及平均光譜反射率計(jì)算（圖 2），構(gòu)建樣本光譜數(shù)據(jù)庫(kù)，為模型訓(xùn)練提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

三、數(shù)據(jù)預(yù)處理與數(shù)據(jù)集劃分

（一）光譜數(shù)據(jù)預(yù)處理

（二）數(shù)據(jù)集劃分

將 1086 個(gè)樣本按合理比例劃分為訓(xùn)練集（724 個(gè)）與測(cè)試集（362 個(gè)）（表 1），確保訓(xùn)練集與測(cè)試集在含水率統(tǒng)計(jì)特征（最小值、最大值、標(biāo)準(zhǔn)差、平均值）上分布一致，為模型公平評(píng)估提供保障。

四、機(jī)器學(xué)習(xí)模型構(gòu)建與超參數(shù)優(yōu)化

（一）模型選擇與原理

1. PLSR：通過(guò)對(duì)光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行主成分分析，提取與含水率高度相關(guān)的潛在成分，構(gòu)建線(xiàn)性回歸模型，實(shí)現(xiàn)光譜到含水率的映射。

2. SVR：基于統(tǒng)計(jì)學(xué)習(xí)理論，通過(guò)核函數(shù)將光譜數(shù)據(jù)映射到高維特征空間，尋找超平面實(shí)現(xiàn)含水率預(yù)測(cè)，適用于處理小樣本、非線(xiàn)性問(wèn)題。

3. GBDTR：以梯度提升策略迭代構(gòu)建決策樹(shù)集成模型，不斷修正殘差，增強(qiáng)模型對(duì)復(fù)雜非線(xiàn)性關(guān)系的擬合能力。

4. ResNet 18：借助殘差連接突破深度網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練瓶頸，自動(dòng)提取光譜數(shù)據(jù)深層次特征，適用于高維光譜數(shù)據(jù)的特征學(xué)習(xí)與回歸任務(wù)。

5. BLS：通過(guò)隨機(jī)映射構(gòu)建特征節(jié)點(diǎn)與增強(qiáng)節(jié)點(diǎn)，快速構(gòu)建寬而淺的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，在保證精度的同時(shí)提升計(jì)算效率 。

   
   

   

（二）超參數(shù)優(yōu)化范圍

（三）優(yōu)化策略與模型訓(xùn)練

采用隨機(jī)搜索（RS）、網(wǎng)格搜索（GS）、貝葉斯優(yōu)化（BO）等策略?xún)?yōu)化超參數(shù)，在訓(xùn)練集上訓(xùn)練模型，測(cè)試集驗(yàn)證性能，對(duì)比不同預(yù)處理方法、優(yōu)化策略下模型的決定系數(shù)（R2）、均方根誤差（RMSE）等指標(biāo)。

五、模型性能對(duì)比與分析

（一）單一模型性能對(duì)比

（二）模型魯棒性與適應(yīng)性分析

六、結(jié)論與展望

本研究構(gòu)建的高光譜成像與機(jī)器學(xué)習(xí)融合體系，實(shí)現(xiàn)了草莓葉片含水率的精準(zhǔn)反演。BLS 模型結(jié)合 GS 超參數(shù)優(yōu)化與 SG - D?預(yù)處理表現(xiàn)，為農(nóng)業(yè)作物水分監(jiān)測(cè)提供了高效技術(shù)方案。未來(lái)可拓展至更多作物、更多生長(zhǎng)指標(biāo)監(jiān)測(cè)，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)構(gòu)建田間實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，同時(shí)探索量子計(jì)算等新型算法對(duì)高光譜數(shù)據(jù)處理的潛力，進(jìn)一步提升反演精度與效率，助力智慧農(nóng)業(yè)發(fā)展邁向新高度 。

以象科技作為一家由西安光機(jī)所光學(xué)博士團(tuán)隊(duì)、行業(yè)*專(zhuān)家、光譜軟件算法團(tuán)隊(duì)以及光學(xué)應(yīng)用博士等多元專(zhuān)業(yè)力量共同發(fā)起創(chuàng)立的科技型企業(yè)，在光學(xué)技術(shù)領(lǐng)域展現(xiàn)出了非凡的潛力與強(qiáng)勁的實(shí)力，正逐步成為行業(yè)內(nèi)的一顆璀璨新星。

其團(tuán)隊(duì)成員憑借深厚的學(xué)術(shù)造詣與豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，構(gòu)建起了一座堅(jiān)實(shí)的技術(shù)堡壘。西安光機(jī)所光學(xué)博士團(tuán)隊(duì)深入鉆研光學(xué)核心原理，在光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、優(yōu)化以及創(chuàng)新方面持續(xù)發(fā)力，致力于打造出具有性能與高精度的光學(xué)基礎(chǔ)架構(gòu)。行業(yè)*專(zhuān)家則猶如敏銳的市場(chǎng)領(lǐng)航員，他們憑借對(duì)行業(yè)發(fā)展脈絡(luò)的精準(zhǔn)把握以及對(duì)市場(chǎng)需求變化的前瞻性洞察，為公司的產(chǎn)品戰(zhàn)略布局指明方向，確保每一款產(chǎn)品都能精準(zhǔn)對(duì)接市場(chǎng)痛點(diǎn)，在激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中脫穎而出。光學(xué)應(yīng)用博士則專(zhuān)注于探索光學(xué)技術(shù)在各個(gè)實(shí)際領(lǐng)域的落地應(yīng)用，他們深入挖掘產(chǎn)品在不同場(chǎng)景下的潛在用途，從生物醫(yī)學(xué)到工業(yè)制造，從環(huán)境監(jiān)測(cè)到農(nóng)業(yè)科技，不斷拓展產(chǎn)品的應(yīng)用邊界，讓光學(xué)技術(shù)真正造福于人類(lèi)社會(huì)的各個(gè)角落。

在產(chǎn)品層面，以象科技目前已成功投產(chǎn)并推向市場(chǎng)的可見(jiàn)光、近紅外、短波中紅外高光譜相機(jī)，無(wú)疑是其技術(shù)實(shí)力的集中體現(xiàn)。這不僅為國(guó)內(nèi)相關(guān)行業(yè)提供了更為可靠、性?xún)r(jià)比更高的光學(xué)設(shè)備選擇，還在一定程度上推動(dòng)了我國(guó)光學(xué)技術(shù)自主創(chuàng)新的進(jìn)程，提升了我國(guó)在*光學(xué)產(chǎn)業(yè)價(jià)值鏈中的地位。

此外，公司經(jīng)營(yíng)的激光共聚焦、激光散斑血流成像儀、光譜儀等光學(xué)產(chǎn)品，也均在各自的領(lǐng)域內(nèi)展現(xiàn)出了的優(yōu)勢(shì)與性能。激光共聚焦以其超高的分辨率和清晰的成像效果，在生物醫(yī)學(xué)微觀成像領(lǐng)域成為科研人員探索生命奧秘的得力助手；激光散斑血流成像儀能夠精準(zhǔn)地監(jiān)測(cè)微循環(huán)血流變化，為醫(yī)學(xué)臨床診斷和疾病研究提供了重要的參考依據(jù)；光譜儀則憑借其對(duì)物質(zhì)光譜特性的精確分析能力，在材料成分分析、環(huán)境污染物監(jiān)測(cè)以及食品安全檢測(cè)等領(lǐng)域發(fā)揮著作用。

以象科技秉持著集研發(fā)、生產(chǎn)、銷(xiāo)售于一體的全產(chǎn)業(yè)鏈運(yùn)營(yíng)模式，展現(xiàn)出了強(qiáng)大的綜合實(shí)力與協(xié)同效應(yīng)。其研發(fā)中心坐落于西安這充滿(mǎn)科技活力與創(chuàng)新氛圍的城市，依托當(dāng)?shù)刎S富的科研資源與人才優(yōu)勢(shì)，持續(xù)不斷地投入大量資源進(jìn)行技術(shù)研發(fā)與創(chuàng)新，為公司的產(chǎn)品迭代升級(jí)和技術(shù)突破提供了源源不斷的動(dòng)力源泉。

與此同時(shí)，公司精心構(gòu)建的銷(xiāo)售網(wǎng)絡(luò)如同一張緊密交織的大網(wǎng)，全面覆蓋全國(guó)各個(gè)地區(qū)，確保了產(chǎn)品能夠快速、高效地觸達(dá)每一位客戶(hù)手中。而完善的售后服務(wù)機(jī)構(gòu)則像是一位貼心的守護(hù)者，隨時(shí)為客戶(hù)提供多層次的技術(shù)支持與售后服務(wù)保障，讓客戶(hù)在使用產(chǎn)品的過(guò)程中無(wú)后顧之憂(yōu)，進(jìn)一步增強(qiáng)了客戶(hù)對(duì)公司品牌的信任度與忠誠(chéng)度。

以象科技憑借其團(tuán)隊(duì)、創(chuàng)新的產(chǎn)品以及完善的運(yùn)營(yíng)模式，在光學(xué)技術(shù)領(lǐng)域正穩(wěn)步前行，未來(lái)有望在國(guó)內(nèi)乃至*市場(chǎng)上取得更為輝煌的成就，為推動(dòng)光學(xué)科技的進(jìn)步與應(yīng)用普及做出更多的貢獻(xiàn)。

以象科技由西安光機(jī)所光學(xué)博士團(tuán)隊(duì)，行業(yè)*專(zhuān)家，光譜軟件算法團(tuán)隊(duì)，光學(xué)應(yīng)用博士等相關(guān)人員共同發(fā)起成立的科技型公司，目前投產(chǎn)市場(chǎng)可見(jiàn)光、近紅外、短波中紅外高光譜相機(jī)，實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化，突破進(jìn)口技術(shù)壁壘，打破進(jìn)口短波紅外高光譜相機(jī)的技術(shù)限制。

以象科技是一家集研發(fā)、生產(chǎn)、銷(xiāo)售于一體的科技型公司。目前經(jīng)營(yíng)產(chǎn)品有激光共聚焦，激光散斑血流成像儀，光譜儀，高光譜相機(jī)等光學(xué)產(chǎn)品。研發(fā)中心設(shè)立于西安，銷(xiāo)售網(wǎng)絡(luò)、完善售后服務(wù)機(jī)構(gòu)設(shè)立覆蓋全國(guó)。

以象科技作為一家由西安光機(jī)所光學(xué)博士團(tuán)隊(duì)、行業(yè)*專(zhuān)家、光譜軟件算法團(tuán)隊(duì)以及光學(xué)應(yīng)用博士等多元專(zhuān)業(yè)力量共同發(fā)起創(chuàng)立的科技型企業(yè)，在光學(xué)技術(shù)領(lǐng)域展現(xiàn)出了非凡的潛力與強(qiáng)勁的實(shí)力，正逐步成為行業(yè)內(nèi)的一顆璀璨新星。

其團(tuán)隊(duì)成員憑借深厚的學(xué)術(shù)造詣與豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，構(gòu)建起了一座堅(jiān)實(shí)的技術(shù)堡壘。西安光機(jī)所光學(xué)博士團(tuán)隊(duì)深入鉆研光學(xué)核心原理，在光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、優(yōu)化以及創(chuàng)新方面持續(xù)發(fā)力，致力于打造出具有性能與高精度的光學(xué)基礎(chǔ)架構(gòu)。行業(yè)*專(zhuān)家則猶如敏銳的市場(chǎng)領(lǐng)航員，他們憑借對(duì)行業(yè)發(fā)展脈絡(luò)的精準(zhǔn)把握以及對(duì)市場(chǎng)需求變化的前瞻性洞察，為公司的產(chǎn)品戰(zhàn)略布局指明方向，確保每一款產(chǎn)品都能精準(zhǔn)對(duì)接市場(chǎng)痛點(diǎn)，在激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中脫穎而出。光學(xué)應(yīng)用博士則專(zhuān)注于探索光學(xué)技術(shù)在各個(gè)實(shí)際領(lǐng)域的落地應(yīng)用，他們深入挖掘產(chǎn)品在不同場(chǎng)景下的潛在用途，從生物醫(yī)學(xué)到工業(yè)制造，從環(huán)境監(jiān)測(cè)到農(nóng)業(yè)科技，不斷拓展產(chǎn)品的應(yīng)用邊界，讓光學(xué)技術(shù)真正造福于人類(lèi)社會(huì)的各個(gè)角落。

在產(chǎn)品層面，以象科技目前已成功投產(chǎn)并推向市場(chǎng)的可見(jiàn)光、近紅外、短波中紅外高光譜相機(jī)，無(wú)疑是其技術(shù)實(shí)力的集中體現(xiàn)。這不僅為國(guó)內(nèi)相關(guān)行業(yè)提供了更為可靠、性?xún)r(jià)比更高的光學(xué)設(shè)備選擇，還在一定程度上推動(dòng)了我國(guó)光學(xué)技術(shù)自主創(chuàng)新的進(jìn)程，提升了我國(guó)在*光學(xué)產(chǎn)業(yè)價(jià)值鏈中的地位。

此外，公司經(jīng)營(yíng)的激光共聚焦、激光散斑血流成像儀、光譜儀等光學(xué)產(chǎn)品，也均在各自的領(lǐng)域內(nèi)展現(xiàn)出了的優(yōu)勢(shì)與性能。激光共聚焦以其超高的分辨率和清晰的成像效果，在生物醫(yī)學(xué)微觀成像領(lǐng)域成為科研人員探索生命奧秘的得力助手；激光散斑血流成像儀能夠精準(zhǔn)地監(jiān)測(cè)微循環(huán)血流變化，為醫(yī)學(xué)臨床診斷和疾病研究提供了重要的參考依據(jù)；光譜儀則憑借其對(duì)物質(zhì)光譜特性的精確分析能力，在材料成分分析、環(huán)境污染物監(jiān)測(cè)以及食品安全檢測(cè)等領(lǐng)域發(fā)揮著作用。

以象科技秉持著集研發(fā)、生產(chǎn)、銷(xiāo)售于一體的全產(chǎn)業(yè)鏈運(yùn)營(yíng)模式，展現(xiàn)出了強(qiáng)大的綜合實(shí)力與協(xié)同效應(yīng)。其研發(fā)中心坐落于西安這充滿(mǎn)科技活力與創(chuàng)新氛圍的城市，依托當(dāng)?shù)刎S富的科研資源與人才優(yōu)勢(shì)，持續(xù)不斷地投入大量資源進(jìn)行技術(shù)研發(fā)與創(chuàng)新，為公司的產(chǎn)品迭代升級(jí)和技術(shù)突破提供了源源不斷的動(dòng)力源泉。

與此同時(shí)，公司精心構(gòu)建的銷(xiāo)售網(wǎng)絡(luò)如同一張緊密交織的大網(wǎng)，全面覆蓋全國(guó)各個(gè)地區(qū)，確保了產(chǎn)品能夠快速、高效地觸達(dá)每一位客戶(hù)手中。而完善的售后服務(wù)機(jī)構(gòu)則像是一位貼心的守護(hù)者，隨時(shí)為客戶(hù)提供多層次的技術(shù)支持與售后服務(wù)保障，讓客戶(hù)在使用產(chǎn)品的過(guò)程中無(wú)后顧之憂(yōu)，進(jìn)一步增強(qiáng)了客戶(hù)對(duì)公司品牌的信任度與忠誠(chéng)度。

以象科技憑借其團(tuán)隊(duì)、創(chuàng)新的產(chǎn)品以及完善的運(yùn)營(yíng)模式，在光學(xué)技術(shù)領(lǐng)域正穩(wěn)步前行，未來(lái)有望在國(guó)內(nèi)乃至*市場(chǎng)上取得更為輝煌的成就，為推動(dòng)光學(xué)科技的進(jìn)步與應(yīng)用普及做出更多的貢獻(xiàn)。