Page 114 - 《广西植物》2026年第6期

６ 期 李声繁等: 基于可见光－近红外光谱与机器学习的不同菌草物种叶片光谱特性比较分析 １ ０ ２ ９

结构差 异ꎬ 在 特 定 波 段 会 呈 现 独 特 的 反 射 规 律 草( Ｐ. ａｌｏｐｅｃｕｒｏｉｄｅｓ)、 杂 交 狼 尾 草、 美 洲 狼 尾 草
(Ｓｐａｆｆｏｒｄ ｅｔ ａｌ.ꎬ ２０２１ꎻＳｕｐｒａｐｔｏ ｅｔ ａｌ.ꎬ ２０２５)ꎮ 在 ( Ｐ. ａｍｅｒｉｃａｎｕｍ )、 巴 新 野 生 蔗 ( Ｓａｃｃｈａｒｕｍ
植物品种识别领域ꎬ光谱技术凭借非破坏性与信 ｏｆｆｉｃｉｎａｒｕｍ ｃｖ. ＰＮＧ) ８ 种典型菌草物种为研究对
息丰富性优势ꎬ已在多物种、多场景中实现成熟应 象ꎬ采用便携式地物光谱仪采集叶片光谱数据ꎬ结
用ꎮ 刘俊泽等(２０２４)通过光谱成像技术检测发现 合倒数取对数、一阶导数、二阶导数等光谱处理方
不同品种燕麦种子表型与光谱参数存在显著性差 法及植被指数提取技术ꎬ构建多维度特征组合ꎬ通
异ꎻ刘依柔等(２０２４) 证实提取冠层反射率并构建 过运用支持向量机( ｓｕｐｐｏｒｔ ｖｅｃｔｏｒ ｍａｃｈｉｎｅꎬ ＳＶＭ)
植被指数组合可显著提升花生品种识别精度ꎻ姜 算法与随机森林( ｒａｎｄｏｍ ｆｏｒｅｓｔꎬ ＲＦ) 算法构建分
友谊等(２０２３) 通过计算成熟度指数并构建基于 类模型ꎬ拟探讨以下问题:(１) 亲缘关系相近的菌
ＲＦ 算法的玉米估算模型ꎬ为品种特异性表征提供 草物种ꎬ其叶片光谱的细微差异主要体现在哪些
间接技术支撑ꎮ 但是ꎬ菌草相关光谱研究仍存在 特征维度ꎻ(２)不同数学变换(倒数取对数、一阶导
明显局限ꎬ现有研究多聚焦于单一胁迫下的光谱 数、二阶导数)如何从原理上差异化增强菌草物种
响应(李慧琳等ꎬ２０２５)及叶绿素含量光谱反演( 白 间的光谱特征差异ꎻ(３) 何种机器学习模型( ＳＶＭ
妮妮等ꎬ２０２３) 等生理生化指标监测ꎬ虽然为光谱 或 ＲＦ)最适合解译菌草光谱构建的复杂特征空
技术在菌草研究中的应用奠定基础ꎬ但是尚未系 间ꎬ实现物种高效精准识别ꎮ
统开展多物种光谱特性比较ꎬ更缺乏基于光谱特
征的物种识别方法ꎮ １ 材料与方法
技术发展趋势方面ꎬ光谱数据深度挖掘与机器
学习算法的融合已成为提升植物品种识别精度的 １.１ 试验地点和材料
核心路径ꎮ Ｗｉｊａｙａｎｔｏ 等(２０２３) 证实基于无人机多 研究区位于福建农林大学旗山校区菌草种质
光谱结合神经网络(ｎｅｕｒａｌ ｎｅｔｗｏｒｋꎬ ＮＮ)算法ꎬ可实 资源圃(１１９°１７′０４″Ｅ、２６°０５′５９″Ｎ)ꎬ属亚热带海
现对水稻品种的快速、有效分类ꎻ沈思聪等(２０２３) 洋性季风气候ꎬ年平均日照时间 １ ５００ ~ １ ７００ ｈꎬ年
使用 鲸 鱼 优 化 算 法 ( ｗｈａｌｅ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ａｌｇｏｒｉｔｈｍꎬ 平均降水量 １ ４００ ~ １ ７００ ｍｍꎬ年平均气温 １９ ~ ２０
ＷＯＡ)和灰狼优化算法(ｇｒｅｙ ｗｏｌｆ ｏｐｔｉｍｉｚｅｒꎬ ＧＷＯ) ℃ ꎬ雨量充沛ꎬ阳光充足( 李新妹等ꎬ２０２２)ꎮ 圃内
对支持向量机估算模型进行优化ꎬ明确算法与特征 供试菌草于 ２０２４ 年 ３ 月统一采用茎节扦插方式进
的适配性直接影响紫花苜蓿的分类效果ꎻ Ｗｕ 等 行种植ꎬ为排除环境与管理差异对菌草生长及光
(２０２４)基于无人机多光谱影像实现冬小麦叶绿素 谱特征的干扰ꎬ试验期间所有菌草物种均采用一
含量遥感估算ꎬ凸显光谱技术规模化应用潜力ꎮ 上 致的田间管理措施ꎬ包括定期开展中耕除草ꎬ统一
述研究共同揭示ꎬ通过光谱变换增强差异特征、构 灌溉ꎬ并在菌草生长关键期施用等量复合肥ꎬ保障
建多维度特征组合、选择适配的机器学习算法ꎬ是 养分供给均衡ꎮ
实现植物品种精准识别的有效技术框架ꎮ 本研究选取 ８ 种具有代表性的菌草物种作为
相较于同类研究ꎬ菌草光谱研究的局限性尤 供试材料ꎬ分别为巨菌草、象草、莱牧 １ 号象草、紫
为突出:一是研究对象单一ꎬ多聚焦于单一物种的 象草、狼尾草、杂交狼尾草、美洲狼尾草、巴新野生

生理指标反演ꎬ缺乏多物种光谱特性的系统比较ꎻ 蔗ꎬ各物种叶片特征如表 １ 所示ꎮ
二是特征提取维度不足ꎬ尚未形成“ 原始光谱＋变 １.２ 数据采集

换光谱＋特征参数＋植被指数”的多维度特征体系ꎻ 研究采用 ＨＥＰ￣５１２￣Ａ 便携式地物光谱仪采集
三是算法适配性研究缺失ꎬ未明确不同机器学习 研究区菌草叶片光谱数据ꎬ该光谱仪光谱范围为

算法在菌草光谱识别中的性能差异与适用场景ꎮ ３９０ ~ ９９５ ｎｍꎬ光谱分辨率为 １ ｎｍꎬ光谱通道共 ５１２
因此ꎬ系统开展菌草物种光谱特性比较ꎬ构建针对 个ꎬ镜头视场包括 ３°、５°和 ８°ꎮ 本研究使用 ３°镜
性的特征组合与算法模型ꎬ填补菌草光谱识别领 头采集菌草叶片光谱反射率数据ꎮ
域的研究空白ꎬ具有重要的理论与实践价值ꎮ 测量于 ２０２５ 年 ６ 月 １５ 日植物生长高峰期进
本 研 究 以 巨 菌 草、 象 草、 莱 牧 １ 号 象 草 行ꎬ选择天气晴朗无风、光线条件良好的１１:００—
(Ｐｅｎｎｉｓｅｔｕｍ ｐｕｒｐｕｒｅｕｍ ｃｖ. Ｌａｉｍｕ￣１)、紫象草、狼尾 １４:００ 时间段采集ꎮ 测量前ꎬ 仪器镜头对准标准参