基于模块化高通量近红外无损检测系统的玉米种子纯度快速检测方法研究

第一作者及机构
该研究由来自中国农业大学信息与电气工程学院的Zheli Wang（王哲利）和北京农林科学院智能装备研究中心的Yao Yao Fan（范瑶瑶）、Xi Tian（田曦）等学者共同完成，通讯作者为北京农林科学院智能装备研究中心的Liping Chen（陈立平）和Yuan Long（龙源）。研究成果发表于期刊Infrared Physics and Technology 2025年第148卷，文章编号105836。

学术背景
玉米（Zea mays L.）作为全球最重要的粮食作物之一，其种子纯度直接影响农业生产质量、市场规范及育种效率。目前，中国国家标准规定单粒播种玉米种子纯度需≥97%，但传统检测方法（如形态学鉴定、分子标记技术）存在效率低、破坏样本等问题。近红外光谱（Near-Infrared Spectroscopy, NIR）和机器学习技术的结合为种子无损检测提供了新思路。然而，现有技术存在光谱信息采集不完整（如仅能获取种子单侧数据）、设备通用性差等问题。因此，本研究旨在开发一种基于模块化高通量近红外无损检测系统的玉米种子纯度快速检测方法，通过全环绕光谱采集和机器学习模型优化，实现高效分类。

研究流程与实验设计
1. 样本准备
- 研究对象：9个玉米品种（如农大108、先玉335等），分为红涂层、蓝涂层和无涂层三类，每品种300粒，共2700粒种子。
- 分组设计：按7:3比例划分为校准集（模型训练）和测试集（性能评估）。

1. 光谱采集系统

   • 自主研发设备：系统由采集模块、检测光纤、入射光源和漫反射光电开关组成，支持全环绕光谱采集（覆盖种子所有表面），解决了单侧数据不完整问题。
     
   • 关键技术：
     
     • 动态白参考校正：实时消除粉尘对光源强度的影响（公式：校正光谱=原始光谱/白参考光谱）。
       
     • 模块化设计：支持更换光源（紫外-近红外波段）和光谱仪（900–1700 nm、500–1200 nm等），适配不同检测需求。
       

2. 数据处理与分析

   • 预处理方法：
     
     • Savitzky-Golay（SG）平滑去噪；
       
     • 结合标准正态变量变换（SNV）、多元散射校正（MSC）和一阶导数（FD）增强特征。
       
   • 特征选择：
     
     • 采用竞争性自适应重加权采样（CARS）和连续投影算法（SPA）筛选关键波段，减少冗余信息（如CARS-SPA组合将全波段512个缩减至60个）。
       
   • 分类模型：
     
     • 对比逻辑回归（LR）、偏最小二乘判别分析（PLS-DA）和支持向量机（SVM），采用“一对多”（OvR）策略扩展为多分类模型。
       

3. 实验验证

   • 九分类任务（混合涂层种子）：评估不同预处理和模型组合的性能。
     
   • 三分类任务（同类型涂层种子）：验证模型在简化任务中的泛化能力。
     

主要结果
1. 全波段模型性能
- 最优模型：SG-SNV预处理结合SVM，校准集和测试集准确率分别达0.93和0.87。
- 涂层影响：蓝涂层种子在1050–1150 nm波段光谱差异显著，易与其他涂层区分。

1. 特征波段优化

   • CARS-SPA-LR模型：仅用60个波段，校准集和测试集准确率分别为0.87和0.86，与全波段模型相当，但计算效率提升86%。
     
   • 混淆矩阵分析：涂层颜色显著影响分类效果，同涂层品种间易混淆（如红涂层的农大108与先玉335）。
     

2. 无涂层种子检测

   • CARS-SPA-LR模型：仅需15个波段即可实现99%的分类准确率，凸显技术对无涂层种子的高效识别能力。
     

结论与价值
1. 科学意义：
- 全环绕光谱采集技术克服了传统NIR和HSI（高光谱成像）的局限性，为种子无损检测提供了新方法。
- 提出的CARS-SPA特征选择策略显著提升了模型效率，为小样本高维数据分析提供了参考。

1. 应用价值：
   
   • 该系统适用于工业化高通量检测，成本低于高光谱设备，检测速度更快。
     
   • 为种子市场监管、育种研究及农业生产提供了可靠工具。
     

研究亮点
1. 技术创新：
- 模块化设计支持多波段灵活切换，动态白参考校正提升稳定性。
- 首次将CARS-SPA-LR模型应用于玉米种子分类，特征波段缩减至15个仍保持高精度。

1. 方法学贡献：
   
   • 通过对比实验明确了涂层类型对光谱特征的影响，为后续品种改良提供数据支持。
     

其他发现
- 无涂层种子的分类性能显著优于涂层种子，提示涂层成分可能干扰光谱特征，未来需进一步研究涂层材料的标准化。

（全文约2000字）