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Resonon | 高光谱成像实现鳄梨养分监测与提前产量预测

日期: 2026-07-27
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 Resonon | 高光谱成像实现鳄梨养分监测与提前产量预测

研究背景

全球人口持续增长对粮食安全提出了严峻挑战。果树是全球食物供应体系的重要组成部分,其产量与品质在很大程度上取决于树体营养状况。然而,传统叶片营养分析依赖复杂的样品前处理和实验室化学测定,通常耗时较长、成本较高;人工估产同样劳动投入大,且难以在生育早期为采收安排和采后物流规划提供及时依据。高光谱成像能够捕捉叶片在可见光—近红外波段的细微光谱差异,为快速评估果树营养状态和提前预测产量提供了新的技术路径。

基于此,格里菲斯大学Shahla Hosseini Bai团队联合维多利亚大学等机构,以澳大利亚商业果园中的“Hass”鳄梨为研究对象,系统比较田间与实验室条件下不同高光谱成像方式,并结合叶片养分测定和单株产量调查建立预测模型。研究结果为鳄梨园精准施肥、早期估产以及采收与采后资源配置提供了重要参考。相关成果发表于期刊《Precision Agriculture》。

 Resonon | 高光谱成像实现鳄梨养分监测与提前产量预测

图1.拍摄鳄梨高光谱图像:(a)使用手持相机拍摄树冠或树上的单片叶子;(b)使用手持相机拍摄果园中摘下的单片叶子;(c)在实验室中,使用固定式手持相机和台式相机拍摄单片叶子。

研究方法

研究在澳大利亚昆士兰州一处商业化鳄梨园开展,共选取60株8年生“Hass”鳄梨树作为研究对象,并在开花期、幼果形成期、果实发育期和果实成熟期4个关键物候阶段进行连续采样与观测;

研究采用手持式和台式两套高光谱成像系统,其中台式系统选择Resonon Pika XC2。设置5种成像方式:田间冠层成像、田间在树单叶成像、田间离树单叶成像、实验室手持单叶成像和实验室台式单叶成像,共采集1200幅高光谱图像;

光谱参数:

光谱范围:400~1000 nm;

光谱分辨率:1.9 nm;

空间通道数:1600;

光谱通道数:447;

监测指标:测定C、N、P、K、Ca、Al、B、Cu、Fe、Mg、Mn、Na、S和Zn等14种叶面元素浓度,同时调查单株产量,并进一步划分为低产、中产和高产等级;

数据分析:通过光谱预处理、偏最小二乘回归(PLSR)和机器学习分类建立养分与产量预测模型,并以独立测试集的R²、RMSE、RPD、准确率和F1值评价模型性能;

 Resonon | 高光谱成像实现鳄梨养分监测与提前产量预测 

图2.图 (a–d) 和 (e–h) 分别展示了使用高光谱图像测量的鳄梨叶片中N和P浓度的实测值与预测值。

 Resonon | 高光谱成像实现鳄梨养分监测与提前产量预测 

图3.图 (a–d) 和 (e–h) 分别展示了使用高光谱图像测量的鳄梨叶片中K和Ca浓度的实测值与预测值。

 Resonon | 高光谱成像实现鳄梨养分监测与提前产量预测 

图4.图 (a, b) 和 (c, d) 分别展示了使用手持相机在果园中拍摄的单片鳄梨叶片(a、c、e、g)以及使用台式相机在实验室中拍摄的单片叶片(b、d、f、h)的高光谱图像,构建的最佳拟合PLSR模型预测鳄梨叶片中N、P、K和Ca浓度的β系数。

表1.利用在田间或实验室中,采用五种成像方法,在授粉和果实发育期四个不同时间点采集的光谱数据,对PLSR模型进行预测,以评估其对哈斯鳄梨产量(kg/株)的影响。

 Resonon | 高光谱成像实现鳄梨养分监测与提前产量预测 

表2.利用果实成熟期采集的叶片高光谱图像,对哈斯鳄梨树产量等级进行分类模型预测的性能。

 Resonon | 高光谱成像实现鳄梨养分监测与提前产量预测 

研究结果

(1)Ca在叶片中分布相对稳定,实验室台式成像又能有效降低光照与环境干扰,因此其Ca含量定量精度最高;

(2)N、P、K与叶绿素及可溶性化合物联系紧密,田间离体成像能较好保留其原生生化光谱特征,因此预测效果更佳;

(3)树上原位和冠层成像易受光照、叶片姿态、背景及拍摄角度干扰,导致养分信号被光谱噪声削弱;

(4)冠层高光谱可在幼果期提前约6个月捕捉最终产量信息,且随果实发育推进,模型预测稳定性持续增强;

(5)台式叶片成像在幼果形成期、果实发育期和成熟期均可预测产量;

(6)在产量等级分类任务中,KNN模型表现最佳;

结语

该研究结果显示,不同养分的光谱响应和适宜成像条件存在差异,冠层及单叶光谱则能够在果实发育早期获取与最终产量相关的信息。未来,可进一步从扩大多果园、多季节和多品种样本,优化原位冠层成像及光照、背景校正方法,提升模型的外部验证能力与高产类别识别精度,以及融合气象、土壤和物候等多源数据等方面开展研究,从而推动高光谱技术在果园精准管理中的规模化应用。

发表期刊:Precision Agriculture【影响因子:7.6】

研究单位:格里菲斯大学、维多利亚大学等

研究地点:澳大利亚昆士兰州的一处商业鳄梨园

使用设备:Resonon Pika XC2高光谱成像仪

DOI:https://doi.org/10.1007/s11119-026-10401-1


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