多光譜成像在蓖麻種子活力質(zhì)量檢測(cè)中的應(yīng)用

摘要：本研究旨在強(qiáng)調(diào)多光譜成像在蓖麻種子質(zhì)量檢測(cè)中的應(yīng)用。從視覺(jué)上看，120顆種子被分為三類(lèi)：黃色、灰色和黑色種子。此后，在375-970nm范圍內(nèi)的19個(gè)不同波長(zhǎng)下拍攝了所有種子的圖像。從圖像中提取每個(gè)種子的平均強(qiáng)度，觀察到三種顏色類(lèi)別之間的顯著差異，近紅外波長(zhǎng)的分離效果最好。采用基于歸一化典型判別分析的特定特征（區(qū)域SI均值），以92%的準(zhǔn)確率區(qū)分活種子和死種子。在一組驗(yàn)證種子上測(cè)試了相同的模型。根據(jù)發(fā)芽能力將這些種子分為兩組，其中241個(gè)被預(yù)測(cè)為有活力并有望發(fā)芽，59個(gè)被預(yù)測(cè)為死亡或未發(fā)芽的種子。該模型的驗(yàn)證使種子分類(lèi)正確率達(dá)到96%。這些結(jié)果說(shuō)明了如何利用多光譜成像技術(shù)，根據(jù)種皮顏色預(yù)測(cè)活蓖麻種子。 
 

圖1.(A)VideometerLab儀器圖片和(B)VideometerLab 儀器的輪廓設(shè)置
 

2.種子概述根據(jù)種皮的視覺(jué)顏色分為三類(lèi)：黃色、灰色和黑色
 

本文是對(duì)蓖麻的第一項(xiàng)研究，其中使用多光譜成像測(cè)量了種皮顏色反射，并根據(jù)種子活力進(jìn)行了分類(lèi)。Lucena 等人實(shí)施了類(lèi)似的蓖麻種子分離，基于人眼的檢查，在我們的研究中也進(jìn)行了評(píng)估作為主要步驟（A 行，圖 2）。圖 2 提供了生態(tài)型 Esfahan 種子的概覽，分為三個(gè)種皮顏色類(lèi)別；黃色、灰色和黑色。行A中種子的3×3圖像的視覺(jué)比較表明所有三種種皮顏色類(lèi)別之間的顏色變化。B行顯示A行種子的變換圖像；此處黃色種子顯示為紅色，灰色和黑色種子顯示為藍(lán)色。C行和D行顯示切割的種子，觀察到與整個(gè)種子相似的模式，展示了圖像的轉(zhuǎn)換如何導(dǎo)致切割的黃色種子呈現(xiàn)紅色，而可行的切割種子呈現(xiàn)藍(lán)色外觀。E行顯示四唑染色的結(jié)果。根據(jù)脫氫酶活性，黃色種子沒(méi)有染色，而灰色和黑色種子將活組織染成紅色。因此，我們的結(jié)果表明，多光譜成像可以是蓖麻種子活力測(cè)試中的一種非破壞性方法，因?yàn)槲覀円呀?jīng)觀察到種皮顏色反射與通過(guò)四唑測(cè)試獲得的活力之間令人滿(mǎn)意的正相關(guān)。
 

圖3中的光譜顯示了三個(gè)種子類(lèi)別的反射，從中可以觀察到，在375 470 nm 的波長(zhǎng)中，黃色和灰色種子是相似的，但在使用更高的波長(zhǎng)數(shù)時(shí)有所不同。與所有19個(gè)波長(zhǎng)的黃色和灰色種子相比，黑色種子的反射強(qiáng)度較低�；�于來(lái)自所有波長(zhǎng)的反射數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析表明，三類(lèi)有顯著差異。黑色種子類(lèi)別內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)偏差低于黃色和灰色種子類(lèi)別內(nèi)的變化。
 

圖3.基于三種種子類(lèi)別的種皮表面反射的平均反射光譜，確定為黃色、灰色和黑色種子

校準(zhǔn)模型（基于活種子和死種子之間的nCDA轉(zhuǎn)換）校準(zhǔn)集的結(jié)果如圖4和圖5所示。圖4顯示了從活種子獲得的區(qū)域平均值的分布，觀察到大多數(shù)值為負(fù)值，屬于種子類(lèi)別的灰色和黑色。在圖5中，大多數(shù)值為正值，從測(cè)定為黃色的種子中獲得。根據(jù)四氮唑試驗(yàn)和區(qū)域平均特征，總共有94個(gè)種子被確定為有活力的，89個(gè)種子為負(fù)值，被歸類(lèi)為有活力的。在校準(zhǔn)組中，根據(jù)四氮唑試驗(yàn)，26個(gè)種子被確定為死亡，根據(jù)區(qū)域平均特征，21個(gè)種子被分類(lèi)為死亡。在校準(zhǔn)組中，120個(gè)種子中有92%被正確分類(lèi)（當(dāng)0被設(shè)置為閾值時(shí)）。
 

圖4.在四唑試驗(yàn)中具有/不具有酶活性的種子RegionMSI平均值圖
 

圖6.平均反射光譜基于來(lái)自發(fā)芽和未發(fā)芽種子的種子的種皮表面的反射

光譜反射率的評(píng)估在圖6和靜態(tài)分析中觀察到，發(fā)芽種子和非發(fā)芽種子的平均強(qiáng)度值之間存在顯著差異，并且使用近紅外反射(NIR)波長(zhǎng)進(jìn)行最佳分離。早期的視覺(jué)研究強(qiáng)調(diào)了 NIR 波長(zhǎng)在預(yù)測(cè)發(fā)芽能力方面的重要性，例如Shetty, N對(duì)菠菜種子進(jìn)行的多光譜成像測(cè)試。