基于高光谱图像技术的玉米杂交种纯度鉴定方法探索

引 言
２ ０ １ １ 年 ，国 务 我国是农业大国 ，种子 则 是 农 业 的 根 本 。 ，将 农 院出台了 《 关于加快推进现代农作物种 业 发 展 的 意 见 》 作物种业提升到了国家战略 性 、基 础 性 核 心 产 业 的 高 度 。玉 米是我国主要的粮 食 和 饲 料 作 物 ，近 年 来 ， 随着大量玉米杂 交种进入市场 ，玉米种子质量 问 题 逐 渐 显 现 出 来 ，对 种 子 质 量进行鉴定变得越 来 越 迫 切 。纯 度 是 种 子 质 量 的 关 键 指 标 ， 影响玉米杂 交 种 纯 度 的 主 要 因 素 有 机 械 混 杂 ，生 物 学 混 杂 等 ，其中母本由于去雄不及时 、不 彻 底 使 母 本 自 交 结 实 是 影 响种子纯度的主要原因 。 玉米杂交种纯度鉴 定 的 方 法 有 很 多 ， 主要分为田间种植 鉴定和室内鉴定两类 。种植鉴 定 是 公 认 的 最 准 确 、最 权 威 的 纯度 鉴 定 方 法 ，但 是 其 缺 点 是 时 间 长 、用 地 多 、费 用 高 。室 内鉴定方法中 ，形态 学 鉴 定 方 法 易 受 环 境 ，种 子 的 大 小 、颜 色和成熟度的影响 ，准确性差 ；电 泳 谱 带 鉴 定 技 术 和 分 子 标 记鉴定法
第３ 第１ ３卷 ， ０期 光 谱 学 与 光 谱 分 析 ２０１３ 年 １０ 月 Ｓ ｅ ｃ ｔ ｒ ｏ ｓ ｃ ｏ ｎ ｄＳ ｅ ｃ ｔ ｒ ａ ｌＡ ｎ ａ ｌ ｓ ｉ ｓ ｐ ｐ ｙａ ｐ ｙ
Ｖ ｏ ｌ ． ３ ３， Ｎ ｏ ． １ ０， ２ ８ ４ ７ ２ ８ ５ ２ ｐ ｐ ， Ｏ ｃ ｔ ｏ ｂ ｅ ｒ ２ ０ １ ３
［ ２］
３ ５］ 。本 课 题 组 对 玉 米 品 种 烟草和食品等领 域 得 到 广 泛 应 用 ［
的近红外光谱鉴定方法进行了一系列探 索 性 研 究 ，提 出 了 以 近红外光谱和仿生模式识别的玉米品种 鉴 别 方 法 ，并 初 步 建
１］ 。现 有 的 立了近红外光谱的实用化玉米品种籽 粒 判 别 系 统 ［
基于高光谱图像技术的玉米杂交种纯度鉴定方法探索
贾仕强 ，刘 哲 ，李绍明 ，李 林 ，马 钦 ，张晓东 ，朱德海 ，严衍禄 ，安 冬
中国农业大学信息与电气工程学院 ，北京 １ ０ ０ ０ ８ ３
摘 要 对玉米种子高光谱图像的光谱维信息进行分 析 ，探 索 利 用 高 光 谱 图 像 技 术 鉴 定 玉 米 杂 交 种 纯 度 的 可行性 。实验中利用高光谱成像系统采集玉米品种农华 １ ０ １ 的母本和杂交种的高光谱图像 ，波长 范 围 ８ ７ １～ １ ６ ９ ９ｎ ｍ；在每个玉米样本上提取感兴趣区域的平均光谱信息 ，利用处理后的数据 建 立 农 华 １ ０ １母本和杂交 种子胚 正 对 光 源 和 背 对 光 源 ，种 子 在 样 品 台 上 的 位 置 ） 和实验环境 种的鉴定模型 。讨论了样品的摆放方式 （ 对鉴定模型性能的影响 。鉴定模型对不同摆放方式和实 验 环 境 下 获 得 的 同 种 样 品 的 光 谱 的 正 确 识 别 率 和 正
［］ 确拒识率均达到 ９ ０％ 以上 ，模型稳健性良好 。利用 Ｑ ｓ方法选择特征波段 １ ，发现在 １２ ３ ０ｎ ｍ 附近 （ １１ ９ ５～
农华 １ １２ ４ ６ｎ ｍ） ０ １ 的母本和杂交种差异最大 。实验中利用特征 波 段 内 的 数 据 进 行 建 模 和 测 试 ，正 确 识 别 率 和正确拒识率达到 ９ 获 得 的 识 别 效 果 相 当 。分 析 结 果 表 明 ，利 用 高 ０％ 以上 ，与利用全波段 （ ９ ２ ５～１ ５ ９ ７ｎ ｍ） 光谱图像技术鉴定玉米杂交种纯度是可行的 。 关键词 玉米杂交种 ；纯度鉴定 ；高光谱图像技术 ： ／ （ ） 中图分类号 ： ． ｉ ｓ ｓ ｎ ． １ ０ ０ ０ ０ ５ ９ ３ Ｓ ５ １ ３ 文献标识码 ：Ａ 犇 犗 犐 １ ０ ． ３ ９ ６ ４ ２ ０ １ ３ １ ０ ２ ８ ４ ７ ０ ６ ｊ 本低的特点 ，并且易 于 实 现 在 线 分 析 ， 在 农 业 、医 药 、石 化 、
技术提取玉米种子 的 图 像 特 征 ，能 较 准 确 地 鉴 别 玉 米 品 种 ；
１ ０］ 冯朝丽等 ［ 利用 ４ ０ ０～１０ ０ ０ｎ ｍ 波段的高光谱图像的光谱
特征对玉米品种进行识别 ，测试集的识别精度达到 ９ ９ ． ６ ６％ ；
１ １］ 朱启兵等 ［ 提出了 高 光 谱 反 射 图 像 采 集 系 统 及 基 于 该 系 统
研究表明 ，近红外光谱分析方 法 有 受 样 品 均 匀 性 、环 境 影 响 较大的缺点 。该技术适于分析 均 匀 样 品 ，而 农 作 物 种 子 等 天 然产物性质并不均 匀 。近 红 外 光 谱 对 温 度 和 水 分 变 化 敏 感 ， 所以同种玉米样品在不同时间 （ 环境因素发生变化 ） 测量的 光 谱存在显著差异 。这导致特定条件下建立的 Ｎ Ｉ Ｒ 分析模型只 能适用于该条件下的样品性 质 分 析 ，模 型 稳 健 性 较 差 。因 此 探索使用成像光谱技术来解决上述问题 。 高光谱图像技术是近年来出现的一种结合图像技术与光 谱技术的无损检测新方法 。此技术可以获 得 不 均 匀 样 品 全 面 的化学信息 ，得到其化学成分 的 空 间 分 布 情 况 。目 前 国 外 在 利用高光谱分析农作物生长情况 ，种子品 质 等 方 面 做 了 丰 富
的玉米种子纯度无损检测方法 ，为玉米种 子 纯 度 的 检 测 提 供 了一种新方法 。 以上研究都只分析了可见光波段和短波近红外波段的高 光谱图像 ，且没有考虑玉米样品胚正对光 谱 和 背 对 光 源 及 样 品的摆放位置对系统识别性能的影响 ，也 没 有 分 析 鉴 定 模 型 对不同测量环境下测量的高光谱数据是 否 都 能 正 确 识 别 。短 适合做长光程的透射光谱 波近红外高光谱 （ ７ ０ ０～１１ ０ ０ｎ ｍ） 分析 ，中长波近红外高光谱 （ 适合做短光程 １１ ０ ０～２５ ０ ０ｎ ｍ）
８］ 等［ 利用 高 光 谱 图 像 技 术 鉴 别 油 菜 籽 品 种 ， 识 别 率 达 到
９ １ ． ６ ７％ ，证明高光谱 图 像 技 术 对 油 菜 籽 品 种 具 有 较 好 的 分 类和鉴别作用 。 在利用高光谱成像技术分析玉米品 质 方 面 ，也 有 很 多 新
９］ 的研究 。黄敏等 ［ 利用 ５ ６ ３ ． ６～９ １ １ ． ４ｎ ｍ 波段的 高 光 谱 图 像
２ ０ １ ３ ０ １ ２ ０，修订日期 ： ２ ０ １ ３ ０ ３ ２ ６ 收稿日期 ：
谱成像和多元变量分析检测玉米种子的 真 菌 污 染 情 况 ，取 得 了良好的效果 ；国内的许多学 者 也 进 行 了 类 似 的 研 究 ，邹 伟
） ，北京市科技计划项目农科城种子检测 Ｉ 项目 （ ８ ６ ３ 计划 ） ２ ０ １ １ ＡＡ １ ０ Ａ １ ０ ３ １ Ｓ Ｔ Ａ 认证与 服 务 平 台 建 设 （ Ｄ １ ３ １ １ ０ ０ ０ ０ ０ ４ １ ３ ０ ０ ２） 基金项目 ：国家 （ ） 和国家大学生科技创新项目 （ 资助 ２ ０ １ ２ １ ０ ０ １ ９ １ ２ ４ ： １ ９ ８ ９ 年生 ，中国农业大学信息与电气工程学院研究生 ｅ ｍ ａ ｉ ｌ ｉ ａ ｓ ｈ ｉ ｉ ａ ｎ ａ ｕ ． ｅ ｄ ｕ ． ｃ ｎ 作者简介 ：贾仕强 ， ＠ｃ ｊ ｑ ｇ ： ｍ ａ ｉ ｌ ． ｃ ｏ ｍ； ｍ ａ ｉ ｌ ａ ｎ ｃ ｌ ｅ ａ ｒ ａ ｎ ｄ ｏ ｎ ｅ ｍ ｉ ． ａ ｃ ． ｃ ｎ 通讯联系人 ｅ ＠ｇ ＠ｓ ｇ
［］ 的研究 ，Ｗ ｅ ｓ ｔ等 ６ 使 用 高 光 谱 成 像 技 术 有 效 地 检 测 了 农 作 ［］ 物种子中化学污染物的含 量 ；Ｗ ｉ ｌ ｌ ｉ ａ ｍ ｓ等 ７ 运 用 近 红 外 高 光
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
可以获得较高的准 确 率 ，但 都 有 操 作 复 杂 ，成 本
较高的缺点 ，不利于推广应用 。 近红外光谱 （ 分 析 技 术 具 有 分 析 速 度 快 、无 损 、成 Ｎ Ｉ Ｒ）
５］ 。短波近 红 外 高 光 谱 将 玉 米 的透射光谱或漫反射光谱分析 ［
种子内部的化学成分分布信息均匀化 ，不 能 反 映 玉 米 种 子 的 形态结构特征 ，中长波近红外高光谱则可 以 获 得 种 子 表 面 和 形态结构信息 ，可以更好地提 取 种 子 的 特 征 。因 此 有 必 要 对 中长波近红外高光 谱 （ 的相关应用进行探 １１ ０ ０～２５ ０ ０ｎ ｍ） 索。 由于高光谱图像技术可以获得玉米 样 品 的 图 像 ，能 够 采 集到整个种子的化学信息 ，可以克服样品 的 化 学 信 息 分 布 不 均匀造成的测试误差 ，同时样品的测试位 置 对 测 量 的 影 响 也 会减小 。而且高光谱丰富的图像信息对玉 米 杂 交 种 纯 度 的 鉴 定有很大帮助 ，有利于克服环 境 因 素 对 测 量 的 影 响 。本 工 作 研究了玉米品种农华 １ ０ １ 及其母本的 高 光 谱 鉴 定 方 法 ，采 集 玉米样品 ８ ７ １～１６ ９ ９ｎ ｍ 波段范 围 内 的 高 光 谱 图 像 ，通 过 对 高光谱图像感兴趣区域反射率光谱的提 取 ，并 结 合 仿 生 模 式 识别建模方法对玉米种子进行鉴定 。 犉 犻 １ 犎 犲 狉 狊 犲 犮 狋 狉 犪 犾 犻 犿 犪 犻 狀 狊 狊 狋 犲 犿 犵 狔 狆 狆 犵 犵 狔 １ ２ 样品与图像获取 实验中使用的两组样品是玉米品种农华 １ ０ １ 的母本和 杂 交种种子 ，样品纯度 １ ０ ０％ 。采集图像时系统 的 初 始 值 设 置 ： ，帧频 ： 镜头焦距 ３ ５ｍｍ，物距 ３ １ｃ ｍ，积分时间 １ ５０ ０ ０μ ｓ ６ ０ ，图像尺寸 ３ ；空 间 分 辨 率 ０ ｆ ｓ ８ ０×２ ４ ０ｐ ｉ ｘ ． ２ ５ ｍｍ。将 样 品 ｐ 放 在３ ０ｃ ｍ×５ ０ｃ ｍ 的全黑背景下 ，采用白板标定 。采集的每 ，波 段 间 隔 为 组数 据 中 ， 共 ３ ０ ８个波段（ ８ ７ １～１６ ９ ９ｎ ｍ） ２ ． ６ ９ ８４ｎ ｍ。每 个 波 段 采 集 一 幅 图 像 ，图 ２ 为 农 华 １ ０ １样品 ， 在 １２ 处的高光谱图像 图中虚线划分的 个区域中的 ３ ０ｎ ｍ ４ 样品名称以及摆放方式见标注 ，每个 区 域 中 摆 放 １ ２粒样品， 改变样品胚的朝向和调换不同区域中的 样 品 ，采 集 不 同 的 高 光谱图像 。 １ １ 仪器设备 实验中利用图 １ 所示的高光谱成像系统采集高光谱图 像 数据 。整个系统由图像采集单元 、光源 、样本输送平台 ３ 部 实验数据分两次采集 ，采 集 时 间 间 隔 一 周 。第 一 次 采 集 数据时 ，从农华 １ ０ １ 母本种子和杂交 种 中 各 选 择 ２ ４粒样品， 变换样品的摆放方式 ，采集 ４ 组高光谱图像数据 。第二次采