冷害是造成作物嚴(yán)重?fù)p失和不可逆轉(zhuǎn)傷害的災(zāi)害之一。為避免產(chǎn)量損失，可利用高通量表型選擇耐寒脅迫的作物品種。如今，無損光譜圖像分析已成為一種有效方法，并已廣泛應(yīng)用于高通量表型分析中，反映出植物結(jié)構(gòu)組成，生長發(fā)育過程中的生理，生化特性和特征。本研究利用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（CNN）模型提取可見-近紅外范圍的特征光譜估計(jì)玉米幼苗的冷害。文中以五個品種的冷處理玉米幼苗的高光譜圖像為研究對象。光譜范圍為450-885?nm。高斯低通濾波和Savitzky-Golay平滑方法結(jié)合一階導(dǎo)數(shù)進(jìn)行光譜數(shù)據(jù)的預(yù)處理。從每種玉米幼苗選定的感興趣區(qū)域獲取3600個像素樣本用于CNN建模。CNN模型建立后，從高光譜圖像中提取400個像素樣本作為每個品種的測試集。最后，通過分析分類準(zhǔn)確度和計(jì)算效率確定一個CNN模型。CNN檢測到的不同類型的玉米幼苗的冷害水平分別為W22 (41.8 %)，BxM (35%)，?B73 (25.6%)，PH207 (20%)，?Mo17 (14%)，與化學(xué)方法的結(jié)果高度相關(guān)。兩種方法檢測結(jié)果的相關(guān)系數(shù)為0.8219。因此，研究證明基于CNN建模的光譜分析可以為玉米幼苗冷害監(jiān)測提供參考。
高光譜成像采集
利用推掃式高光譜相機(jī)（PIKA II，Resonon）
成像系統(tǒng)的整個結(jié)構(gòu)
感興趣區(qū)域樣本數(shù)據(jù)選擇程序
樣本的3D光譜分布
CNN和化學(xué)方法結(jié)果的比較
結(jié)論
自卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)發(fā)展以來，算法的高性能引起了學(xué)者的廣泛關(guān)注。同時，有效識別作物病害是智能農(nóng)業(yè)發(fā)展的需要，但是基于人工設(shè)計(jì)特征的識別模型準(zhǔn)確度較低且穩(wěn)定。基于這些問題，該研究利用CNN設(shè)計(jì)了5個玉米幼苗品種的冷害識別模型，詳細(xì)的高光譜圖像預(yù)處理方法，樣本提取方法，以及深度卷積網(wǎng)絡(luò)。在整個過程中，針對不同的輸入數(shù)據(jù)建立不同的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，獲得圖像分割結(jié)果。對于少量玉米幼苗冷害的情況，將卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于玉米冷害監(jiān)測模型，并構(gòu)建CNN模型。分析了CNN的權(quán)重分布特性，激活函數(shù)以及不同初始化方法的影響。結(jié)合Dropout策略解決了過度擬合問題以及網(wǎng)絡(luò)深度對預(yù)處理效果的負(fù)面影響。該模型解決了隨機(jī)初始化權(quán)重的缺陷。最后，在少量玉米幼苗病害的情況下，驗(yàn)證了預(yù)處理方法的有效性，且CNN檢測到不同類型的玉米幼苗的冷害水平分別為W22 (41.8 %)，BxM (35%)，?B73 (25.6%)，PH207 (20%)，?Mo17 (14%)，與化學(xué)方法檢測的冷害結(jié)果高度相關(guān)。下一步的工作將引入高光譜成像的維度特征，提取作物病害組織結(jié)構(gòu)的紋理特征，結(jié)合光譜維度信息建立模型，以進(jìn)一步改善模型的分類性能。