新疆农业科学 ›› 2023, Vol. 60 ›› Issue (3): 616-623.DOI: 10.6048/j.issn.1001-4330.2023.03.012
郭阳1(), 郭俊先1(
), 史勇1, 刘丽2, 方文艳2, 刘彦岑1
收稿日期:
2022-07-08
出版日期:
2023-03-20
发布日期:
2023-04-18
作者简介:
郭阳(1995-),男,辽宁沈阳人,硕士研究生,研究方向为农产品无损检测,(E-mail)2744103108@qq.com
基金资助:
GUO Yang1(), GUO Junxian1(
), SHI Yong1, LIU Li2, FANG Wenyan2, LIU Yancen1
Received:
2022-07-08
Published:
2023-03-20
Online:
2023-04-18
Supported by:
摘要:
【目的】利用光谱技术对定量估测大田甜瓜冠层叶片叶绿素含量,为田间的水肥调控以及田间管理提供理论依据。【方法】采用一阶求导对400~1 100 nm的叶绿素可见近红外反射光谱数据进行预处理,对于冗余的光谱数据,先分别使用特征筛选中的竞争性自适应重加权采样法(CARS)、遗传算法(GA)、蒙特卡罗无信息变量消除法(MC-UVE),再分别与主成分分析(PCA)特征提取算法融合;分别建立极限学习机(ELM)、支持向量机(SVM)、最小二乘支持向量机(LS-SVM)对甜瓜叶片SPAD定量预测模型。【结果】单一的特征筛选下,最优预测模型为CARS+SVM,校正集相关系数为0.903 5,预测集相关系数为0.893 1;特征筛选和特征提取融合下,最优的预测模型为GA+PCA+LSSVM,校正集相关系数0.955 8,预测集相关系数为0.939 7。【结论】优化后的模型可用于定量分析的使用,精准测定甜瓜叶片叶绿素含量。
中图分类号:
郭阳, 郭俊先, 史勇, 刘丽, 方文艳, 刘彦岑. 特征波长筛选结合PCA-LSSVM对甜瓜叶片SPAD值的预测[J]. 新疆农业科学, 2023, 60(3): 616-623.
GUO Yang, GUO Junxian, SHI Yong, LIU Li, FANG Wenyan, LIU Yancen. Prediction of SPAD Value in Melon Leaves by Characteristic Wavelength Screening Combined with PCA-LSSVM[J]. Xinjiang Agricultural Sciences, 2023, 60(3): 616-623.
样本集 Sample set | 样本数 Sample size | SPAD值 | ||
---|---|---|---|---|
平均值 Mean value | 最大值 Maximum value | 最小值 Minimum value | ||
校正集 Calibration set | 75 | 53.0 | 61.9 | 43.1 |
预测集 Prediction set | 25 | 52.5 | 61.5 | 45.1 |
表1 甜瓜叶绿素相对含量 SPAD 值
Tab.1 SPAD value of relative content of chlorophyll in Melon
样本集 Sample set | 样本数 Sample size | SPAD值 | ||
---|---|---|---|---|
平均值 Mean value | 最大值 Maximum value | 最小值 Minimum value | ||
校正集 Calibration set | 75 | 53.0 | 61.9 | 43.1 |
预测集 Prediction set | 25 | 52.5 | 61.5 | 45.1 |
不同光谱预处理 Different Spectral pretreatment | PC | RC | RMSEC | RP | RMSEP | RPD |
---|---|---|---|---|---|---|
Origina | 8 | 0.821 5 | 1.281 6 | 0.563 5 | 1.477 8 | 1.552 1 |
Autoscales | 5 | 0.762 3 | 1.384 4 | 0.740 5 | 1.354 4 | 1.974 1 |
SNVT | 5 | 0.762 3 | 1.384 4 | 0.740 5 | 1.354 4 | 1.974 1 |
SavitZky-Golay | 8 | 0.532 9 | 2.875 7 | 0.601 2 | 2.517 7 | 1.583 7 |
1st deriative | 3 | 0.789 4 | 1.330 9 | 0.766 6 | 1.264 5 | 2.106 3 |
MA | 8 | 0.821 2 | 1.287 8 | 0.563 9 | 1.477 2 | 1.552 8 |
Normalize | 12 | 0.879 6 | 1.011 1 | 0.350 6 | 2.024 5 | 1.243 2 |
表2 不同预处理方法的叶绿素含量PLS模型
Tab.2 PLS model of chlorophyll content with different pretreatment methods
不同光谱预处理 Different Spectral pretreatment | PC | RC | RMSEC | RP | RMSEP | RPD |
---|---|---|---|---|---|---|
Origina | 8 | 0.821 5 | 1.281 6 | 0.563 5 | 1.477 8 | 1.552 1 |
Autoscales | 5 | 0.762 3 | 1.384 4 | 0.740 5 | 1.354 4 | 1.974 1 |
SNVT | 5 | 0.762 3 | 1.384 4 | 0.740 5 | 1.354 4 | 1.974 1 |
SavitZky-Golay | 8 | 0.532 9 | 2.875 7 | 0.601 2 | 2.517 7 | 1.583 7 |
1st deriative | 3 | 0.789 4 | 1.330 9 | 0.766 6 | 1.264 5 | 2.106 3 |
MA | 8 | 0.821 2 | 1.287 8 | 0.563 9 | 1.477 2 | 1.552 8 |
Normalize | 12 | 0.879 6 | 1.011 1 | 0.350 6 | 2.024 5 | 1.243 2 |
图5 不同特征筛选方法融合PCA提取的前15个主成分累计贡献率
Fig.5 The cumulative contribution rate of the first 15 principal components extracted by PCA with different feature selection methods
处理方法 Processing method | 校正集 Calibration set | 预测集 Prediction set | ||
---|---|---|---|---|
Rc | RMSEC | Rp | RMSEP | |
MC-UVE | 0.831 4 | 1.441 9 | 0.739 1 | 2.031 7 |
GA | 0.888 1 | 0.990 4 | 0.720 6 | 1.843 7 |
CARS | 0.881 8 | 0.976 1 | 0.804 5 | 1.810 4 |
MC-UVE+PCA | 0.863 3 | 1.149 0 | 0.749 8 | 1.830 2 |
GA+PCA | 0.867 4 | 1.101 4 | 0.859 0 | 1.129 3 |
CARS+PCA | 0.875 6 | 1.032 8 | 0.872 6 | 1.252 6 |
表3 光谱变量多种处理下结合ELM的建模预测效果
Tab.3 Modeling and prediction of spectral variables combined with ELM
处理方法 Processing method | 校正集 Calibration set | 预测集 Prediction set | ||
---|---|---|---|---|
Rc | RMSEC | Rp | RMSEP | |
MC-UVE | 0.831 4 | 1.441 9 | 0.739 1 | 2.031 7 |
GA | 0.888 1 | 0.990 4 | 0.720 6 | 1.843 7 |
CARS | 0.881 8 | 0.976 1 | 0.804 5 | 1.810 4 |
MC-UVE+PCA | 0.863 3 | 1.149 0 | 0.749 8 | 1.830 2 |
GA+PCA | 0.867 4 | 1.101 4 | 0.859 0 | 1.129 3 |
CARS+PCA | 0.875 6 | 1.032 8 | 0.872 6 | 1.252 6 |
处理方法 Processing method | 校正集 Calibration set | 预测集 Prediction set | ||
---|---|---|---|---|
Rc | RMSEC | Rp | RMSEP | |
MC-UVE | 0.953 7 | 0.003 4 | 0.812 9 | 0.010 8 |
GA | 0.576 3 | 0.027 4 | 0.526 2 | 0.032 8 |
CARS | 0.903 5 | 0.006 8 | 0.893 1 | 0.008 6 |
MC-UVE+PCA | 0.877 3 | 0.009 2 | 0.793 8 | 0.011 8 |
GA+PCA | 0.897 0 | 0.007 2 | 0.883 0 | 0.008 3 |
CARS+PCA | 0.878 1 | 0.008 5 | 0.843 1 | 0.010 5 |
表4 光谱变量多种处理下结合SVM的建模预测效果
Tab.4 Modeling and prediction effect of spectral variable processing combined with SVM
处理方法 Processing method | 校正集 Calibration set | 预测集 Prediction set | ||
---|---|---|---|---|
Rc | RMSEC | Rp | RMSEP | |
MC-UVE | 0.953 7 | 0.003 4 | 0.812 9 | 0.010 8 |
GA | 0.576 3 | 0.027 4 | 0.526 2 | 0.032 8 |
CARS | 0.903 5 | 0.006 8 | 0.893 1 | 0.008 6 |
MC-UVE+PCA | 0.877 3 | 0.009 2 | 0.793 8 | 0.011 8 |
GA+PCA | 0.897 0 | 0.007 2 | 0.883 0 | 0.008 3 |
CARS+PCA | 0.878 1 | 0.008 5 | 0.843 1 | 0.010 5 |
处理方法 Processing method | 校正集 Calibration set | 预测集 Prediction set | ||
---|---|---|---|---|
Rc | RMSEC | Rp | RMSEP | |
MC-UVE | 0.990 0 | 0.000 1 | 0.792 3 | 0.012 4 |
GA | 0.674 3 | 0.021 7 | 0.633 1 | 0.023 6 |
CARS | 0.890 0 | 0.007 1 | 0.873 1 | 0.008 7 |
MC-UVE+PCA | 0.993 1 | 0.000 7 | 0.744 7 | 0.014 3 |
GA+PCA | 0.955 8 | 0.004 3 | 0.939 7 | 0.005 1 |
CARS+PCA | 0.986 6 | 0.001 1 | 0.776 9 | 0.017 7 |
表5 光谱变量多种处理下结合LSSVM的建模预测效果
Tab.5 Modeling and prediction effect of spectral variable processing combined with LSSVM
处理方法 Processing method | 校正集 Calibration set | 预测集 Prediction set | ||
---|---|---|---|---|
Rc | RMSEC | Rp | RMSEP | |
MC-UVE | 0.990 0 | 0.000 1 | 0.792 3 | 0.012 4 |
GA | 0.674 3 | 0.021 7 | 0.633 1 | 0.023 6 |
CARS | 0.890 0 | 0.007 1 | 0.873 1 | 0.008 7 |
MC-UVE+PCA | 0.993 1 | 0.000 7 | 0.744 7 | 0.014 3 |
GA+PCA | 0.955 8 | 0.004 3 | 0.939 7 | 0.005 1 |
CARS+PCA | 0.986 6 | 0.001 1 | 0.776 9 | 0.017 7 |
[1] |
丁永军, 李民赞, 郑立华, 等. 基于近红外光谱小波变换的温室番茄叶绿素含量预测[J]. 光谱学与光谱分析, 2011, 31(11):2936-2937.
PMID |
DING Yongjun, LI Minzan, ZHENG Lihua, et al. Prediction of chlorophyll content in greenhouse tomato based on wavelet transform of near-infrared spectroscopy[J]. Spectroscopy and Spectral Analysis, 2011, 31(11): 2936-2937.
PMID |
|
[2] |
Mareco R A, Antezanavera S A, Nascimento H C S. Relationship between specific leaf area, leaf thickness, leaf water content and SPAD-502 readings on six Amazonian tree species[J]. Photosynthetica, 2009, 47(2):184-190.
DOI URL |
[3] | 崔小涛, 常庆瑞, 屈春燕, 等. 基基于高光谱和MLSR-GA-BP神经网络模型油菜叶片SPAD值遥感估算[J]. 东北农业大学学报, 2020, 51(8):74-84. |
CUI Xiaotao, CHANG Qingrui, QU Chunyan, et al. Estimation of SPAD value of rape leaves based on hyperspectral and MLSR-GA-BP Neural Network Model[J]. Journal of Northeast Agricultural University, 2020, 51(8): 74-84. | |
[4] | 刘宁, 邢子正, 乔浪, 等. 基于模型集群的马铃薯叶绿素检测光谱变量筛选讨论[J]. 光谱学与光谱分析, 2020, 40(7),2259-2266. |
LIU Ning, XING Zizheng, QIAO Lang, et al. Discussion on the selection of spectral variables for chlorophyll detection in potato based on model cluster[J]. Spectroscopy and Spectral Analysis, 2020, 40(7): 2259-2266. | |
[5] | 李雪, 杨瑞楠, 原喆, 等. 油菜籽叶绿素含量近红外光谱快速检测[J]. 中国油料作物学报, 2019, 41(1),126-129. |
LI Xue, YANG Yuinan, YUAN Zhe, et al. Rapid determination of chlorophyll content in rapeseed by near infrared spectroscopy[J]. Chinese Journal of Oil Crop Sciences, 2019, 41(1):126-129. | |
[6] | 王璐, 李凯伟, 关海鸥, 等. 基于多维度光谱特征波长提取大豆冠层SPAD值估算模型[J]. 江苏大学学报(自然科学版), 2020, 41(3),334-372. |
WANG Lu, LI Kaiwei, GUAN Haiou, et al. Estimating model for SPAD value of soybean canopy based on multi-dimensional spectral characteristic wavelength[J]. Journal of Jiangsu University, 2020, 41(3): 334-372. | |
[7] | 吴文强, 常庆瑞, 陈涛, 等. 基于PCA-BP神经网络算法桃树叶片SPAD值高光谱估算[J]. 西北林学院学报, 2019, 34(5),134-140, 224. |
WU Wenqiang, CHANG Qingrui, CHEN Tao, et al. Hyperspectral estimation of SPAD value of peach leaves based on PCA-BP neural network algorithm[J]. Journal of Northwest Forestry University, 2019, 34(5):134-140, 224. | |
[8] | 陈晓, 李修华, 王策, 等. 基于反射光谱全波段与双波段甘蔗叶片叶绿素预测模型比较[J]. 中国农业大学学报, 2018, 23(8),118-124. |
CHEN Xiao, LI Xiuhua, WANG Ce, et al. Comparison of full-band and dual-band models for predicting chlorophyll content in sugarcane leaves based on reflectance[J]. Journal of China Agricultural University, 2018, 23(8):118-124. | |
[9] | 康丽, 高睿, 孔庆明, 等. 水稻叶片SPAD值高光谱成像估测[J]. 东北农业大学学报, 2020, 51(10),89-96. |
KANG Li, GAO Rui, GONG Qingming, et al. Estimation of SPAD value of rice leaves by hyperspectral imaging[J]. Journal of Northeast Agricultural University, 2020, 51(10): 89-96. | |
[10] | 毛博慧, 孙红, 毛罕平. 等. 基于正交变换与SPXY样本划分的冬小麦叶绿素诊断[J]. 农业机械学报, 2017, 48(S1): 160-165. |
MAO Bohui, SUN Hong, LIU Haojie, et al. Diagnosis of chlorophyll in winter wheat based on orthogonal transformation and SPXY samples[J]. Journal of Agricultural Machinery, 2017, 48(S1):160-165. | |
[11] |
王小燕, 王锡昌, 刘源. 等. 基于SVM 算法的近红外光谱技术在鱼糜水分和蛋白质检测中的应用[J]. 光谱学与光谱分析, 2012, 32(9): 2418-2421.
PMID |
WANG Xiaoyan, WANG Xichang, LIU Yuan, et al. Application of SVM Algorithm based near-infrared spectroscopy in detection of water and protein in Surimi[J]. Spectroscopy and Spectral Analysis, 2012, 32(9):2418-2421.
PMID |
|
[12] | 何勇, 刘飞, 李晓丽. 等. 光谱及成像技术在农业中的应用[M]. 北京: 科学出版社, 2016: 97-98. |
HE Yong, LIU Fei, LI Xiaoli, et al. Application of spectroscopy and imaging technology in agriculture[M]. Beijing: Science Press, 2016: 97-98. | |
[13] |
朱哲燕, 刘飞, 张初. 等. 基于中红外光谱技术的香菇蛋白质含量测定[J]. 光谱学与光谱分析, 2014, 34(7): 1844-1848.
PMID |
ZHU Zheyan, LIU Fei, ZHANG Chu, et al. Determination of Lentinus edodes protein content based on mid infrared spectroscopy[J]. Spectroscopy and spectral analysis, 2014, 34(7): 1844-1848.
PMID |
|
[14] | 孙俊, 从孙丽, 毛罕平. 等. 基于高光谱的油麦菜叶片水分CARS-ABC-SVR预测模型[J]. 农业工程学报, 2017, 33(5): 178-184. |
SUN Jun, CONG Sunli, MAO Hanping, et al. CARS-ABC-SVR model for predicting leaf moisture of leaf-used lettuce based on hyperspectral[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering, 2017, 33(5): 178-184. | |
[15] |
Farrés M, Platikanov S, Tsakovski S, et al. Comparison of the variable importance in projection (VIP) and of the selectivity ratio (SR) methods for variable selection and interpretation[J]. Journal of Chemometrics, 2015, 29(10):528-536.
DOI URL |
[16] |
Pereira A F C, Pontes M J C, Neto F F G, et al. NIR spectrometric determination of quality parameters in vegetable oils using iPLS and variable selection[J]. Food Research International, 2008, 41(4):341-348.
DOI URL |
[17] | 孟庆龙, 尚静, 黄人帅. 等. 基于主成分回归的苹果可溶性固形物含量预测模型[J]. 保鲜与加工, 2020, 20(5): 185-189. |
MENG Qinglong, SHANG Jing, HUANG Renshuai, et al. Prediction model of soluble solid content of apple based on principal component regression[J]. Preservation and Processing, 2020, 20(5): 185-189. |
[1] | 张浩, 梁其干, 张学军, 符小发, 陈积豪, 周勃, 黄远. 刺角瓜砧木抗性分析及其嫁接对甜瓜品质的影响[J]. 新疆农业科学, 2024, 61(8): 1963-1968. |
[2] | 陈积豪, 张浩, 梁其干, 符小发, 张学军, 毛建才. 减施化肥增施蚯蚓粪有机肥对连作甜瓜的影响[J]. 新疆农业科学, 2024, 61(8): 1969-1975. |
[3] | 卡地尔阿依·买买提, 周婷婷, 韩盛, 梅丽克汗·热西提, 玉山江·麦麦提. 不同甜瓜品种遗传转化再生体系的建立与基因编辑植株的快速获取[J]. 新疆农业科学, 2024, 61(7): 1666-1672. |
[4] | 杨君妍, 闫淼, 吴海波, 杨文莉, 王豪杰, 毛建才, 翟文强, 李俊华. 高温对不同厚皮甜瓜品种种子萌发的影响及其耐热性综合评价[J]. 新疆农业科学, 2024, 61(6): 1386-1396. |
[5] | 刘阳, 张郑啸, 白羽嘉, 冯作山. 链格孢菌侵染对甜瓜不同组织活性氧代谢的影响[J]. 新疆农业科学, 2024, 61(6): 1397-1406. |
[6] | 高沐甜, 肖艳梅, 廖志杰, 黄成. 玉米-大刍草渗入系群体籽粒及品质性状的综合评价[J]. 新疆农业科学, 2024, 61(4): 885-891. |
[7] | 马凌, 沈琦, 康琪, 张忠祥, 贾宏涛, 王成. 甜瓜不同生长阶段5种重金属在植株中富集分配的变化及关联分析[J]. 新疆农业科学, 2024, 61(4): 892-899. |
[8] | 杨文莉, 许丽蓉, 刘斌, 凌悦铭, 李寐华, 杨永, 范蓉, 黎玉顺, 张永兵, 张学军. 盐胁迫对薄皮甜瓜‘灰鼠’离子平衡、膜脂过氧化及渗透调节物质积累的影响[J]. 新疆农业科学, 2024, 61(4): 900-907. |
[9] | 梁其干, 张浩, 胡国智, 陈积豪, 冯烔鑫, 曹庆, 王敏, 符小发, 闫淼, 高强, 张学军, 周勃, 王豪杰. 施肥调控对设施甜瓜生长与产量、品质的影响[J]. 新疆农业科学, 2024, 61(3): 599-606. |
[10] | 徐斌, 王征, 宋占腾, 玛尔哈巴·帕尔哈提, 朱靖蓉, 车凤斌, 李永海, 武凤艳, 苗福红. 11份野生沙棘种质资源果实品质分析与综合评价[J]. 新疆农业科学, 2024, 61(12): 3020-3031. |
[11] | 李超, 杨英, 郑贺云, 杨建丽, 陈伟, 杨咪, 孙玉萍. 基于SSR荧光标记分析新疆甜瓜种质资源遗传多样性与群体结构[J]. 新疆农业科学, 2024, 61(11): 2614-2625. |
[12] | 沈悦, 凌悦铭, 段晓宇, 杨文莉, 李寐华, 王懿柔, 王惠林, 张学军. 甜瓜抗霜霉病KASP分子标记的开发与验证[J]. 新疆农业科学, 2024, 61(11): 2626-2634. |
[13] | 唐丽, 田可川, 张昕宁, 刘黎, 阿布力克木·阿地力, 杨智, 杨存明, 张晓雪, 黄锡霞, 田月珍. 不同生长阶段和田羊体重体尺指标的聚类与主成分分析[J]. 新疆农业科学, 2024, 61(11): 2853-2860. |
[14] | 姚军, 秦勇, 郑贺云, 张翠环, 再吐娜·买买提, 汪志伟, 耿新丽. 无花果叶提取液复合保鲜膜的研制及其在甜瓜保鲜上的应用[J]. 新疆农业科学, 2024, 61(1): 118-126. |
[15] | 欧阳单华, 赵康, 宋东博, 柳自清, 郭旺珍, 刘燕, 顾爱星, 阿扎提古丽·麦麦提图尔, 艾力卡尔江·艾麦尔. 35份棉花品系对黄萎病抗性鉴定及综合分析[J]. 新疆农业科学, 2024, 61(1): 9-18. |
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