高光谱成像在种子品种、种子纯度、种子活力鉴别的研究进展

高光谱成像技术（Hyperspectral Imaging, HSI）作为一门融合光学、图像处理与数据分析的前沿技术，因其非破坏性、高精度和快速检测能力，在种子品种鉴别领域展现出巨大潜力。中达瑞和系统综述了高光谱成像技术的基本原理、在种子品种鉴别中的关键技术突破、主要应用场景，旨在为农业育种、种子质量控制和粮食安全提供理论支持和技术参考。

种子作为农业生产的核心资源，其品种纯度直接影响作物产量和品质。传统种子鉴别方法（如形态学观察、分子标记分析）存在效率低、成本高或破坏性等问题。高光谱成像技术通过捕捉种子表面及内部成分的光谱-空间信息，能够实现无损、快速的品种识别，成为当前研究热点。

高光谱成像结合光谱分析与二维成像技术，获取目标物体在连续窄波段（通常为可见光至短波红外波段，400–1700 nm）的光谱反射率数据，形成“光谱-空间”三维数据立方体。高光谱成像技术在种子检测中可以做到非接触式检测，避免样品破坏；同时获取空间分布与光谱特征；可识别种子表面纹理、色素含量、水分及化学成分差异。

高光谱成像在种子品种鉴别中的关键技术

光谱数据采集与预处理

硬件系统：包括中达瑞和推扫式高光谱相机（VIX系列）、中达瑞和凝采式高光谱相机（SHIS系列），以及光源控制模块（如LED或卤素灯）。

数据预处理：

噪声消除（如Savitzky-Golay平滑滤波）；

基线校正（多项式拟合）；

特征波长提取（如连续投影法SPA、竞争自适应加权采样CAWS）。

特征提取与建模方法

光谱特征：通过主成分分析（PCA）、线性判别分析（LDA）或深度学习模型（如CNN）提取种子的光谱特征向量。

图像特征：结合形态学参数（如种子大小、形状）与纹理特征（灰度共生矩阵GLCM）。

分类模型：支持向量机（SVM）、随机森林（RF）、深度神经网络（DNN）等算法的对比研究。

多源数据融合策略

光谱-形态学融合：将高光谱数据与传统形态学指标结合，提升分类精度。

多模态数据融合：与近红外光谱（NIRS）、X射线成像等技术联合使用，增强鉴别能力。

高光谱成像在种子鉴别中的应用研究进展

主要作物品种的鉴别

谷物类：水稻、小麦、玉米等主要粮食作物的品种识别研究。

案例：

• Zhang et al. (2020) 利用短波红外光谱（900–1700 nm）结合SVM，对水稻品种“泰优808”与“宜香优2115”的识别准确率达98.2%。

• Wang et al. (2021) 提出基于迁移学习的CNN模型，在玉米种子品种分类任务中较传统方法提升12%准确率。

经济作物：油菜、大豆、棉花等种子的品种快速筛选。

混杂种子的纯度检测

混合样本分离：通过光谱聚类（如K-means）或混合像元分解技术，识别混杂种子中的异质成分。

案例：Li et al. (2022) 开发了一种基于高光谱成像的自动化分拣系统，可在3秒内完成100粒小麦种子的纯度检测，准确率超过95%。

种子活力与发芽率预测

间接指标关联：通过种子内部化学成分（如蛋白质、油脂含量）的光谱特征预测其活力。

案例：Chen et al. (2023) 利用可见光-近红外光谱（400–1000 nm）建立种子发芽率预测模型，决定系数R²达0.89。

高光谱成像技术通过其独特的光谱-空间融合能力，为种子品种鉴别提供了高效、精准的解决方案。尽管仍面临技术瓶颈，但随着硬件成本降低、算法优化及多学科交叉融合，其在农业智能化领域的应用前景广阔。未来的研究应聚焦于技术标准化、实时化与低成本化，推动高光谱成像从实验室走向田间地头。