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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

农业机械学报 2024年第8期55卷 243-252页

作者：徐胜勇刘政义黄远曾雨别之龙董万静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

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... 详细信息

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。

关键词：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

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