集成光學(xué)成像技術(shù)用于評估西伯利亞野生黑麥種子成熟度的新方法
快速無損方法的光學(xué)成像技術(shù)的進(jìn)步提高了種子質(zhì)量檢測的效率。準(zhǔn)確地安排收獲時間對于限度地減少收獲過程中的過度破碎，從而限度地提高西伯利亞野生黑麥種子的產(chǎn)量至關(guān)重要。本研究應(yīng)用集成光學(xué)成像技術(shù)和機(jī)器學(xué)習(xí)算法，開發(fā)了基于不同成熟階段和籽粒位置的西伯利亞野生黑麥種子分類模型。形態(tài)、多光譜和自發(fā)熒光數(shù)據(jù)的多源融合提供了更全面的信息，但也增加了對設(shè)備的性能要求。因此，我們采用了三種濾波算法，即最小聯(lián)合互信息（jmim）法、信息增益法和基尼雜質(zhì)法，并建立了兩種控制方法（特征并集和無濾波）來評估僅保留20%的特征對模型性能的影響。jmim和信息增益都揭示了自發(fā)熒光和形態(tài)特征（cielab a、cielab b、色調(diào)和飽和度），這兩種濾波算法的運(yùn)行時間更短。此外，觀察到芽長與形態(tài)和自發(fā)熒光光譜特征之間有很強(qiáng)的相關(guān)性?；诰€性判別分析（lda）、隨機(jī)森林（rf）和支持向量機(jī)（svm）的機(jī)器學(xué)習(xí)模型在對不同成熟階段的種子進(jìn)行分類時表現(xiàn)出較高的性能（>0.78的準(zhǔn)確率）。此外，研究發(fā)現(xiàn)，在成熟階段，不同的晶粒位置存在相當(dāng)大的變化，使用k-means方法將模型性能提高了5.8%-9.24%?？傊?，我們的研究表明，特征濾波算法與機(jī)器學(xué)習(xí)算法相結(jié)合，在識別種子成熟度階段方面具有高性能和低成本，并且針對不一致成熟度應(yīng)用k-means技術(shù)提高了分類精度。因此，該技術(shù)可用于西伯利亞野生黑麥種子成熟度和優(yōu)良生理品質(zhì)的分類。
關(guān)鍵詞：西伯利亞野生黑麥種子；自體熒光成像；特征濾波；集成光學(xué)成像；機(jī)器學(xué)習(xí)；模型更新；多光譜成像。integrating optical imaging techniques for a novel approach to evaluate siberian wild rye seed maturity
abstract
advances in optical imaging technology using rapid and non-destructive methods have led to improvements in the efficiency of seed quality detection. accurately timing the harvest is crucial for maximizing the yield of higher-quality siberian wild rye seeds by minimizing excessive shattering during harvesting. this research applied integrated optical imaging techniques and machine learning algorithms to develop different models for classifying siberian wild rye seeds based on different maturity stages and grain positions. the multi-source fusion of morphological, multispectral, and autofluorescence data provided more comprehensive information but also increases the performance requirements of the equipment. therefore, we employed three filtering algorithms, namely minimal joint mutual information maximization (jmim), information gain, and gini impurity, and set up two control methods (feature union and no-filtering) to assess the impact of retaining only 20% of the features on the model performance. both jmim and information gain revealed autofluorescence and morphological features (cielab a, cielab b, hue and saturation), with these two filtering algorithms showing shorter run times. furthermore, a strong correlation was observed between shoot length and morphological and autofluorescence spectral features. machine learning models based on linear discriminant analysis (lda), random forests (rf) and support vector machines (svm) showed high performance (>0.78 accuracies) in classifying seeds at different maturity stages. furthermore, it was found that there was considerable variation in the different grain positions at the maturity stage, and the k-means approach was used to improve the model performance by 5.8%-9.24%. in conclusion, our study demonstrated that feature filtering algorithms combined with machine learning algorithms offer high performance and low cost in identifying seed maturity stages and that the application of k-means techniques for inconsistent maturity improves classification accuracy. therefore, this technique could be employed classification of seed maturity and superior physiological quality for siberian wild rye seeds.
keywords:siberian wild rye seed; autofluorescence imaging; feature filtering; integrating optical imaging; machine learning; model updating; multispectral imaging.
videometer種子表型表型成像系統(tǒng)可測量種子如尺寸、顏色、形狀等，間接測定種子參數(shù)如種子純度、發(fā)芽百分比、發(fā)芽率、種子健康度、種子成熟度、中壽命等。種子活力綜合種子活力是種子發(fā)芽和出苗率、幼苗生長的潛勢、植株抗逆能力和生產(chǎn)潛力的總和（發(fā)芽和出苗期間的活性水平與行為），是種子品質(zhì)的重要指標(biāo)，具體包括吸漲后旺盛的代謝強(qiáng)度、出苗能力、抗逆性、發(fā)芽速度及同步性、幼苗發(fā)育與產(chǎn)量潛力。種子活力是植物的重要表型特征，傳統(tǒng)檢測方法包括低溫測試、高溫加速衰老測試、幼苗生長測定等。
該系統(tǒng)也可以對細(xì)菌、蟲卵、真菌等進(jìn)行高通量成像測量，進(jìn)行病理學(xué)、毒理學(xué)或其它研究。對于擬南芥等冠層平展的植物，可以進(jìn)行自動的葉片計(jì)數(shù)等。
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