基于Self-Attention-BiLSTM网络的西瓜种苗叶片氮磷钾含量高光谱检测方法

作     者：徐胜勇 刘政义 黄远 曾雨 别之龙 董万静 XU Shengyong;LIU Zhengyi;HUANG Yuan;ZENG Yu;BIE Zhilong;DONG Wanjing

作者机构：华中农业大学工学院武汉430070 中国农业科学院深圳农业基因组研究所深圳518000 华中农业大学园艺林学学院武汉430070 

基　　金：国家重点研发计划项目(2019YFD1001901) 湖北省重点研发计划项目(2021BBA239) HZAU-AGIS交叉基金项目(SZYJY2022006) 中央高校基本科研业务费专项资金项目(2662022YLYJ010) 国家西甜瓜产业技术体系项目(CARS-25) 

出 版 物：《农业机械学报》 (Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery)

年 卷 期：2024年第55卷第8期

页      码：243-252页

摘      要：元素含量无损检测技术可以为植物生长发育的环境精准调控提供关键实时数据。以西瓜苗为例,提出了一种基于图谱特征融合的氮磷钾含量深度学习检测方法。首先,使用高光谱仪拍摄西瓜苗叶片的高光谱图像,使用连续流动化学分析仪测定叶片的3种元素含量。然后,采用基线偏移校正(BOC)叠加高斯平滑滤波(GF)的光谱预处理方法和随机森林算法(RF)建立预测模型,基于竞争性自适应重加权采样(CARS)和连续投影算法(SPA)2种算法初步筛选出特征波长,再综合考虑波长数和建模精度设计了一种最优波长评价方法,将波长数进一步减少到3~4个。最后,提取使用U-Net网络分割的彩色图像颜色和纹理特征,和光谱反射率特征一起作为输入,基于自注意力机制-双向长短时记忆(Self-Attention-BiLSTM)网络构建了3种元素含量的预测模型。实验结果表明,氮磷钾含量预测的R2分别为0.961、0.954、0.958,RMSE分别为0.294%、0.262%、0.196%,实现了很好的建模效果。使用该模型对另2个品种西瓜进行测试,R2超过0.899、RMSE小于0.498%,表明该模型具有很好的泛化性。该高光谱建模方法使用少量波长光谱即实现了高精度检测,在精度和效率上达成了很好的平衡,为后续便携式高光谱检测装备开发奠定了理论基础。

主 题 词：西瓜苗叶片 元素含量 无损检测 自注意力机制 双向长短时记忆网络 高光谱 

学科分类：1201[管理学-管理科学与工程类] 0828[工学-建筑类] 09[农学] 0901[农学-植物生产类] 0812[工学-测绘类] 

核心收录：

D　O　I：10.6041/j.issn.1000-1298.2024.08.022

馆 藏 号：203138932...