本研究草莓葉片含水率光譜數(shù)據(jù)實時分析、反演，構(gòu)建了一套融合高光譜成像（HSI）技術(shù)與多種機器學(xué)習(xí)模型的反演體系。通過搭建 HSI 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)獲取草莓葉片光譜信息，經(jīng)嚴格的數(shù)據(jù)預(yù)處理流程提取有效特征，深入對比偏最小二乘回歸（PLSR）、支持向量回歸（SVR）、梯度提升決策樹回歸（GBDTR）、ResNet 18 及寬度學(xué)習(xí)系統(tǒng)（BLS）等模型在不同超參數(shù)優(yōu)化策略下的性能表現(xiàn)，最終篩選出適用于草莓葉片含水率反演模型架構(gòu)，草莓葉片含水率光譜數(shù)據(jù)實時分析、反演為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中作物水分狀態(tài)的實時監(jiān)測提供了先進的技術(shù)手段與理論支撐 。
草莓作為經(jīng)濟價值較高的漿果類作物，其葉片含水率是反映生長狀態(tài)、指導(dǎo)精準(zhǔn)灌溉的關(guān)鍵指標(biāo)。傳統(tǒng)含水率檢測方法（如烘干法）操作繁瑣、破壞性強，難以滿足現(xiàn)代農(nóng)業(yè)實時、無損監(jiān)測需求。高光譜成像技術(shù)憑借其 “圖譜合一” 特性，可同時獲取草莓葉片的圖像與光譜信息，為含水率無損檢測提供了新途徑。然而，高光譜數(shù)據(jù)存在維度高、冗余信息多等問題，需結(jié)合先進機器學(xué)習(xí)算法挖掘光譜與含水率間的復(fù)雜非線性關(guān)系，實現(xiàn)精準(zhǔn)反演，這也是本研究的核心突破方向。
搭建由高光譜相機、鏡頭、鹵素?zé)艄庠础⒐庠纯刂破骷皥D像采集平臺組成的 HSI 系統(tǒng)（圖 1）。鹵素?zé)籼峁┓€(wěn)定照明，高光譜相機采集草莓葉片 400 - 900nm 波段的高光譜圖像，經(jīng)鏡頭聚焦后傳輸至計算機存儲與處理，確保光譜信息采集的準(zhǔn)確性與穩(wěn)定性。
選取健康與干旱脅迫狀態(tài)的草莓葉片樣本（圖 4），總計 1086 個。利用 HSI 系統(tǒng)采集樣本高光譜圖像，后續(xù)通過圖像分割、背景去除、ROI 定義及平均光譜反射率計算（圖 2），構(gòu)建樣本光譜數(shù)據(jù)庫，為模型訓(xùn)練提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。
采用 SG 平滑（一階導(dǎo)數(shù) SG - D?、二階導(dǎo)數(shù) SG - D?）、多元散射校正（SG - MSC）、標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)變換（SG - SNV）等預(yù)處理方法，有效去除噪聲、基線漂移等干擾，提升光譜數(shù)據(jù)質(zhì)量。
將 1086 個樣本按合理比例劃分為訓(xùn)練集（724 個）與測試集（362 個）（表 1），確保訓(xùn)練集與測試集在含水率統(tǒng)計特征（最小值、最大值、標(biāo)準(zhǔn)差、平均值）上分布一致，為模型公平評估提供保障。
PLSR：通過對光譜數(shù)據(jù)進行主成分分析，提取與含水率高度相關(guān)的潛在成分，構(gòu)建線性回歸模型，實現(xiàn)光譜到含水率的映射。
SVR：基于統(tǒng)計學(xué)習(xí)理論，通過核函數(shù)將光譜數(shù)據(jù)映射到高維特征空間，尋找超平面實現(xiàn)含水率預(yù)測，適用于處理小樣本、非線性問題。
GBDTR：以梯度提升策略迭代構(gòu)建決策樹集成模型，不斷修正殘差，增強模型對復(fù)雜非線性關(guān)系的擬合能力。
ResNet 18：借助殘差連接突破深度網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練瓶頸，自動提取光譜數(shù)據(jù)深層次特征，適用于高維光譜數(shù)據(jù)的特征學(xué)習(xí)與回歸任務(wù)。
BLS：通過隨機映射構(gòu)建特征節(jié)點與增強節(jié)點，快速構(gòu)建寬而淺的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，在保證精度的同時提升計算效率 。
針對各模型設(shè)定超參數(shù)搜索范圍（表 2），如 PLSR 的最佳成分數(shù) n∈(1,20) ，SVR 的正則化參數(shù) c∈(10,600)、核參數(shù) g∈(0.01,1) ，GBDTR 的決策樹數(shù)量、節(jié)點分裂參數(shù)等，為模型性能優(yōu)化提供參數(shù)空間。
采用隨機搜索（RS）、網(wǎng)格搜索（GS）、貝葉斯優(yōu)化（BO）等策略優(yōu)化超參數(shù)，在訓(xùn)練集上訓(xùn)練模型，測試集驗證性能，對比不同預(yù)處理方法、優(yōu)化策略下模型的決定系數(shù)（R2）、均方根誤差（RMSE）等指標(biāo)。
通過不同模型在測試集上的表現(xiàn)（圖 7、表 4）可知：BLS 模型結(jié)合 GS 優(yōu)化與 SG - D?預(yù)處理時，訓(xùn)練集 R2 達 0.8210、RMSE 為 0.0042，測試集 R2 為 0.7974、RMSE 為 0.0045，性能優(yōu)于 PLSR、GBDTR 等模型；ResNet 18 雖在特征提取上有優(yōu)勢，但超參數(shù)優(yōu)化不當(dāng)易出現(xiàn)過擬合，需精準(zhǔn)調(diào)控訓(xùn)練周期、學(xué)習(xí)率等參數(shù)。
對比健康與干旱脅迫樣本的光譜特征（圖 5、表 3），干旱脅迫樣本光譜反射率在可見光波段（400 - 700nm）更高、近紅外波段（700 - 900nm）增長更緩，反映出含水率對光譜特性的顯著影響。各模型在兩類樣本上的預(yù)測表現(xiàn)顯示，BLS - GS - SG - D?模型對不同水分脅迫狀態(tài)樣本的適應(yīng)性更強，預(yù)測誤差波動小，魯棒性更優(yōu)。
本研究構(gòu)建的高光譜成像與機器學(xué)習(xí)融合體系，實現(xiàn)了草莓葉片含水率的精準(zhǔn)反演。BLS 模型結(jié)合 GS 超參數(shù)優(yōu)化與 SG - D?預(yù)處理表現(xiàn)，為農(nóng)業(yè)作物水分監(jiān)測提供了高效技術(shù)方案。未來可拓展至更多作物、更多生長指標(biāo)監(jiān)測，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)構(gòu)建田間實時監(jiān)測系統(tǒng)，同時探索量子計算等新型算法對高光譜數(shù)據(jù)處理的潛力，進一步提升反演精度與效率，助力智慧農(nóng)業(yè)發(fā)展邁向新高度 。
以象科技作為一家由西安光機所光學(xué)博士團隊、行業(yè)*專家、光譜軟件算法團隊以及光學(xué)應(yīng)用博士等多元專業(yè)力量共同發(fā)起創(chuàng)立的科技型企業(yè)，在光學(xué)技術(shù)領(lǐng)域展現(xiàn)出了非凡的潛力與強勁的實力，正逐步成為行業(yè)內(nèi)的一顆璀璨新星。
其團隊成員憑借深厚的學(xué)術(shù)造詣與豐富的實踐經(jīng)驗，構(gòu)建起了一座堅實的技術(shù)堡壘。西安光機所光學(xué)博士團隊深入鉆研光學(xué)核心原理，在光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計、優(yōu)化以及創(chuàng)新方面持續(xù)發(fā)力，致力于打造出具有性能與高精度的光學(xué)基礎(chǔ)架構(gòu)。行業(yè)*專家則猶如敏銳的市場領(lǐng)航員，他們憑借對行業(yè)發(fā)展脈絡(luò)的精準(zhǔn)把握以及對市場需求變化的前瞻性洞察，為公司的產(chǎn)品戰(zhàn)略布局指明方向，確保每一款產(chǎn)品都能精準(zhǔn)對接市場痛點，在激烈的市場競爭中脫穎而出。光學(xué)應(yīng)用博士則專注于探索光學(xué)技術(shù)在各個實際領(lǐng)域的落地應(yīng)用，他們深入挖掘產(chǎn)品在不同場景下的潛在用途，從生物醫(yī)學(xué)到工業(yè)制造，從環(huán)境監(jiān)測到農(nóng)業(yè)科技，不斷拓展產(chǎn)品的應(yīng)用邊界，讓光學(xué)技術(shù)真正造福于人類社會的各個角落。
在產(chǎn)品層面，以象科技目前已成功投產(chǎn)并推向市場的可見光、近紅外、短波中紅外高光譜相機，無疑是其技術(shù)實力的集中體現(xiàn)。這不僅為國內(nèi)相關(guān)行業(yè)提供了更為可靠、性價比更高的光學(xué)設(shè)備選擇，還在一定程度上推動了我國光學(xué)技術(shù)自主創(chuàng)新的進程，提升了我國在*光學(xué)產(chǎn)業(yè)價值鏈中的地位。
此外，公司經(jīng)營的激光共聚焦、激光散斑血流成像儀、光譜儀等光學(xué)產(chǎn)品，也均在各自的領(lǐng)域內(nèi)展現(xiàn)出了的優(yōu)勢與性能。激光共聚焦以其超高的分辨率和清晰的成像效果，在生物醫(yī)學(xué)微觀成像領(lǐng)域成為科研人員探索生命奧秘的得力助手；激光散斑血流成像儀能夠精準(zhǔn)地監(jiān)測微循環(huán)血流變化，為醫(yī)學(xué)臨床診斷和疾病研究提供了重要的參考依據(jù)；光譜儀則憑借其對物質(zhì)光譜特性的精確分析能力，在材料成分分析、環(huán)境污染物監(jiān)測以及食品安全檢測等領(lǐng)域發(fā)揮著作用。
以象科技秉持著集研發(fā)、生產(chǎn)、銷售于一體的全產(chǎn)業(yè)鏈運營模式，展現(xiàn)出了強大的綜合實力與協(xié)同效應(yīng)。其研發(fā)中心坐落于西安這充滿科技活力與創(chuàng)新氛圍的城市，依托當(dāng)?shù)刎S富的科研資源與人才優(yōu)勢，持續(xù)不斷地投入大量資源進行技術(shù)研發(fā)與創(chuàng)新，為公司的產(chǎn)品迭代升級和技術(shù)突破提供了源源不斷的動力源泉。
與此同時，公司精心構(gòu)建的銷售網(wǎng)絡(luò)如同一張緊密交織的大網(wǎng)，全面覆蓋全國各個地區(qū)，確保了產(chǎn)品能夠快速、高效地觸達每一位客戶手中。而完善的售后服務(wù)機構(gòu)則像是一位貼心的守護者，隨時為客戶提供多層次的技術(shù)支持與售后服務(wù)保障，讓客戶在使用產(chǎn)品的過程中無后顧之憂，進一步增強了客戶對公司品牌的信任度與忠誠度。
以象科技憑借其團隊、創(chuàng)新的產(chǎn)品以及完善的運營模式，在光學(xué)技術(shù)領(lǐng)域正穩(wěn)步前行，未來有望在國內(nèi)乃至*市場上取得更為輝煌的成就，為推動光學(xué)科技的進步與應(yīng)用普及做出更多的貢獻。
以象科技由西安光機所光學(xué)博士團隊，行業(yè)*專家，光譜軟件算法團隊，光學(xué)應(yīng)用博士等相關(guān)人員共同發(fā)起成立的科技型公司，目前投產(chǎn)市場可見光、近紅外、短波中紅外高光譜相機，實現(xiàn)國產(chǎn)化，突破進口技術(shù)壁壘，打破進口短波紅外高光譜相機的技術(shù)限制。
以象科技是一家集研發(fā)、生產(chǎn)、銷售于一體的科技型公司。目前經(jīng)營產(chǎn)品有激光共聚焦，激光散斑血流成像儀，光譜儀，高光譜相機等光學(xué)產(chǎn)品。研發(fā)中心設(shè)立于西安，銷售網(wǎng)絡(luò)、完善售后服務(wù)機構(gòu)設(shè)立覆蓋全國。
以象科技作為一家由西安光機所光學(xué)博士團隊、行業(yè)*專家、光譜軟件算法團隊以及光學(xué)應(yīng)用博士等多元專業(yè)力量共同發(fā)起創(chuàng)立的科技型企業(yè)，在光學(xué)技術(shù)領(lǐng)域展現(xiàn)出了非凡的潛力與強勁的實力，正逐步成為行業(yè)內(nèi)的一顆璀璨新星。
其團隊成員憑借深厚的學(xué)術(shù)造詣與豐富的實踐經(jīng)驗，構(gòu)建起了一座堅實的技術(shù)堡壘。西安光機所光學(xué)博士團隊深入鉆研光學(xué)核心原理，在光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計、優(yōu)化以及創(chuàng)新方面持續(xù)發(fā)力，致力于打造出具有性能與高精度的光學(xué)基礎(chǔ)架構(gòu)。行業(yè)*專家則猶如敏銳的市場領(lǐng)航員，他們憑借對行業(yè)發(fā)展脈絡(luò)的精準(zhǔn)把握以及對市場需求變化的前瞻性洞察，為公司的產(chǎn)品戰(zhàn)略布局指明方向，確保每一款產(chǎn)品都能精準(zhǔn)對接市場痛點，在激烈的市場競爭中脫穎而出。光學(xué)應(yīng)用博士則專注于探索光學(xué)技術(shù)在各個實際領(lǐng)域的落地應(yīng)用，他們深入挖掘產(chǎn)品在不同場景下的潛在用途，從生物醫(yī)學(xué)到工業(yè)制造，從環(huán)境監(jiān)測到農(nóng)業(yè)科技，不斷拓展產(chǎn)品的應(yīng)用邊界，讓光學(xué)技術(shù)真正造福于人類社會的各個角落。
在產(chǎn)品層面，以象科技目前已成功投產(chǎn)并推向市場的可見光、近紅外、短波中紅外高光譜相機，無疑是其技術(shù)實力的集中體現(xiàn)。這不僅為國內(nèi)相關(guān)行業(yè)提供了更為可靠、性價比更高的光學(xué)設(shè)備選擇，還在一定程度上推動了我國光學(xué)技術(shù)自主創(chuàng)新的進程，提升了我國在*光學(xué)產(chǎn)業(yè)價值鏈中的地位。
此外，公司經(jīng)營的激光共聚焦、激光散斑血流成像儀、光譜儀等光學(xué)產(chǎn)品，也均在各自的領(lǐng)域內(nèi)展現(xiàn)出了的優(yōu)勢與性能。激光共聚焦以其超高的分辨率和清晰的成像效果，在生物醫(yī)學(xué)微觀成像領(lǐng)域成為科研人員探索生命奧秘的得力助手；激光散斑血流成像儀能夠精準(zhǔn)地監(jiān)測微循環(huán)血流變化，為醫(yī)學(xué)臨床診斷和疾病研究提供了重要的參考依據(jù)；光譜儀則憑借其對物質(zhì)光譜特性的精確分析能力，在材料成分分析、環(huán)境污染物監(jiān)測以及食品安全檢測等領(lǐng)域發(fā)揮著作用。
以象科技秉持著集研發(fā)、生產(chǎn)、銷售于一體的全產(chǎn)業(yè)鏈運營模式，展現(xiàn)出了強大的綜合實力與協(xié)同效應(yīng)。其研發(fā)中心坐落于西安這充滿科技活力與創(chuàng)新氛圍的城市，依托當(dāng)?shù)刎S富的科研資源與人才優(yōu)勢，持續(xù)不斷地投入大量資源進行技術(shù)研發(fā)與創(chuàng)新，為公司的產(chǎn)品迭代升級和技術(shù)突破提供了源源不斷的動力源泉。
與此同時，公司精心構(gòu)建的銷售網(wǎng)絡(luò)如同一張緊密交織的大網(wǎng)，全面覆蓋全國各個地區(qū)，確保了產(chǎn)品能夠快速、高效地觸達每一位客戶手中。而完善的售后服務(wù)機構(gòu)則像是一位貼心的守護者，隨時為客戶提供多層次的技術(shù)支持與售后服務(wù)保障，讓客戶在使用產(chǎn)品的過程中無后顧之憂，進一步增強了客戶對公司品牌的信任度與忠誠度。
以象科技憑借其團隊、創(chuàng)新的產(chǎn)品以及完善的運營模式，在光學(xué)技術(shù)領(lǐng)域正穩(wěn)步前行，未來有望在國內(nèi)乃至*市場上取得更為輝煌的成就，為推動光學(xué)科技的進步與應(yīng)用普及做出更多的貢獻。
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