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基于多光谱图像的小麦种子形态和成分性状的自动化检测算法开发

The development of automated analysis algorithms for characterizing wheat seeds'morphological traits and internal components using multispectral imagery

摘要在全球气候变化加剧的背景下,小麦(Triticum aestivum)产量与中国粮食安全密切相关,因此,基于小麦种子外部形态与内部成分的快速、无损检测对高通量鉴定其品质和活力意义重大.针对当前种子检测通量及准确性的限制,本研究通过多学科融合,结合多光谱成像、计算机视觉、自动化图像处理等技术,开发了一种通过多光谱图像从近百粒种子中快速提取单粒、并在单粒尺度完成外部形态(如种子面积、长度、宽度与圆度等)和内部物质成分(如植物色素、淀粉、植物油脂与水分含量等)量化分析的算法.针对所选的15个小麦品种,算法对1 347粒种子形态性状的分析结果与人工测量结果间的决定系数(R2)为面积0.900(RMSE=1.504)、长度0.981(RMSE=0.188)、宽度0.911(RMSE=0.795);对513粒种子的六个关键光谱波段的R2为0.973、0.970、0.983、0.953、0.891、0.893;以上P值均小于0.005.在此基础上,通过形态与光谱性状的聚类和主成分分析,本研究还构建了区分不同品种小麦种子的分类方法,进而探索了重要种子农艺性状(如种子破损区域及种胚检测等)的自动鉴选算法,为种子活力和品质的高通量检测研究提供了新思路和新方法.