本技术公开了水稻光谱胁迫指数构建方法、系统、计算机设备和存储介质,涉及水稻胁迫分类技术领域,包括:定期拍摄不同组别水稻叶片得到原始高光谱图像进行黑白矫正;对不同胁迫下的水稻叶片提取感兴趣区域,计算平均光谱数据并进行SG平滑滤波器处理;使用生成对抗网络提取贡献度最高的50个特征波段;将特征波段对应的平均光谱数据作为模型输入数据输入随机森林分类模型,得到模型分类结果;同时筛选前5的特征波段及对应权重构建光谱指数,得到胁迫指数划分胁迫类别,输出水稻的胁迫原因。本发明更高效地捕捉数据中的非线性关系,提高分类模型性能,计算效率高、适应性强,大幅度减少高光谱数据的维度,有效降低了模型计算复杂度。
背景技术
水稻生长过程中会遭受多种生物与非生物胁迫,例如干旱、肥害和病害胁迫,其产量和品质可能受到影响。这些胁迫的影响机制和表现形式各异,在实际田间管理中,不同胁迫的症状往往难以区分,因此,准确分析水稻受到的胁迫因素在实际种植生产中具有重要意义。
传统的水稻胁迫诊断方法可分为田间观测、实验室检测或固定波段的植被指数计算。田间观测主要依靠经验丰富的农业技术人员对水稻植株进行观察和评估,但该方法具有较大的主观性,容易受到观察者经验水平和判断标准不一致的影响,导致诊断结果存在偏差,且难以察觉轻微胁迫或胁迫早期阶段的微小变化,往往只能在胁迫症状显现后才能做出判断,容易错过最佳干预时机。实验室检测(如PCR诊断)虽然能够提供精确的诊断结果,但其操作步骤复杂,检测过程通常需要采集样本并经过一系列化学处理,这不仅耗时费力,还需要昂贵的专业仪器和技术人员支持。此外,由于实验室检测通常需要破坏性采样,无法实现对同一植株的连续监测,限制了其在胁迫追踪研究中的应用价值。在田间环境下,胁迫评估常使用植被指数评估水稻的健康情况,如归一化植被指数(NormalizedDifference Vegetation Index,NDVI),NDVI通过红光和近红外波段反射率计算而得,常用于监测植被分布、变化及健康状况;比值植被胁迫指数(Ratio Vegetation Stress Index,RVSI)则通过比较红光和近红外波段的反射率,评估植被胁迫程度,数值较高往往反映植株处于水分胁迫或病害侵染状态。尽管NDVI和RVSI等植被指数能够反映植株整体健康状况,但这些指数使用的波段数量少,与水稻在不同胁迫下的光谱响应相关性不强,难以区分受到的胁迫类型。
近年来,基于RGB图像训练的模型在水稻胁迫分析方面已取得进展,但仅靠RGB图像还难以深入分析影响水稻健康的具体胁迫原因,这仍是当前研究和实际应用中的一大挑战。RGB图像获得的胁迫信息有限,且局限于叶片表面,而高光谱图像提供了丰富的光谱信息,能够获得不局限于叶片表面如叶片内部物质含量变化的信息,捕捉在不同胁迫下水稻叶片的细微光谱特征,有助于挖掘不同胁迫下的敏感波段,实现更精准的胁迫分析。
当前不同胁迫下水稻叶片特征波段提取以及胁迫指数构建方法仍存在一些不足,主要包含以下几个方面:
1.特征波段选择不精确:传统方法在提取水稻病害的特征波段时,通常依赖于通用植被指数或已有经验,缺乏针对不同胁迫下水稻光谱数据的全面分析。这导致提取的特征波段无法准确表征不同胁迫下水稻的典型光谱特征,进而影响分析的准确性。
2.缺少多波段信息融合:水稻的光谱响应涉及多个敏感波段,依赖少量波段计算得到的指数无法全面反应水稻受胁迫情况。同时,现有方法中多波段信息的融合效果有限,未能通过深度学习等技术充分挖掘病害高光谱图像波段间的相关性,限制了胁迫分析的可靠性。
现有的植被指数缺乏针对性,无法准确反映水稻胁迫特征:当前植被指数多以通用性指标为基础,未能充分结合不同胁迫下水稻特有的光谱反应特征,在识别胁迫类别时,植被指数的特异性和敏感性较低,无法直接应用。
实现思路