基于THz-TDS反射成像技術(shù)的玉米種子活力無損檢測研究

吳靜珠， 李曉琪， 劉翠玲， 余 樂， 孫曉榮， 孫麗娟

1. 北京工商大學(xué)食品安全大數(shù)據(jù)技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100048 2. 中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所， 北京 100081

引 言

種子活力是表征種子品質(zhì)的重要指標(biāo)[1]。 高活力種子具備顯著的生長優(yōu)勢和高產(chǎn)潛力, 是現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)高效高產(chǎn)的首要條件。 在歐美等國， 種子活力已成為檢驗(yàn)種子質(zhì)量的常規(guī)檢測項(xiàng)[2]。 我國現(xiàn)行的農(nóng)作物種子質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(GB4404.1—2008)尚未將種子活力納入標(biāo)準(zhǔn)， 更無相關(guān)的活力檢測國標(biāo)。 加速老化測定和電導(dǎo)率測定[3-4]是國際種子檢驗(yàn)協(xié)會(huì)與北美官方種子分析家協(xié)會(huì)推薦的兩種最具代表性和最為常用的種子活力測定方法， 上述檢測方法均存在耗時(shí)性、 試樣破壞性等弊端， 無法滿足種子商業(yè)流通、 育種、 單粒播種等領(lǐng)域提出的快速、 無損、 單粒檢測的新需求， 因此探索和研究適應(yīng)現(xiàn)代種子產(chǎn)業(yè)高速發(fā)展的種子活力測定新方法和新技術(shù)已成為種子質(zhì)量檢測領(lǐng)域的熱點(diǎn)和趨勢。

近年來， 作為重要交叉前沿領(lǐng)域的太赫茲(Terahertz， THz)技術(shù)以其特有的波譜分辨能力、 透視性和低能性等技術(shù)優(yōu)勢在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域嶄露頭角[5-6]， 極有潛力成為紅外光譜技術(shù)和X射線技術(shù)的有力補(bǔ)充。 尤其是THz時(shí)域光譜(Terahertz-time domain spectroscopy， THz-TDS)與成像技術(shù)結(jié)合可獲取信息極為豐富的三維時(shí)空數(shù)據(jù)集， 不但能用于物體的形態(tài)辨別， 而且還能夠?qū)崿F(xiàn)對物體的物理、 化學(xué)性質(zhì)分析和物體組成成分的鑒別。 Liu等[7]從水稻種子的THz時(shí)域光譜圖像中提取THz光譜信息， 分別采用最小二乘支持向量機(jī)， 主成分分析-后向反饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)， 隨機(jī)森林等方法建立轉(zhuǎn)基因水稻種子判別模型， 其中最優(yōu)模型的識(shí)別準(zhǔn)確率可達(dá)96.67%。 有研究利用THz-TDS結(jié)合圖像處理、 化學(xué)計(jì)量學(xué)和信息融合技術(shù)對儲(chǔ)存小麥的芽變、 霉變、 異物進(jìn)行無損探測， 研究表明該技術(shù)是一種潛在的儲(chǔ)糧品質(zhì)無損精準(zhǔn)檢測手段。 綜上研究可以發(fā)現(xiàn)THz-TDS光譜成像技術(shù)以其無損探測、 信息豐富以及安全性等技術(shù)優(yōu)勢在種子質(zhì)量檢測領(lǐng)域成為新興研究熱點(diǎn)， 但是目前研究尚在起步階段， 尤其是THz技術(shù)在種子活力方面的應(yīng)用研究尚有待探索。

玉米是糧食、 飼料和工業(yè)原料兼用農(nóng)作物， 現(xiàn)已成為我國第一大農(nóng)作物， 在《國家中長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要(2006—2020年)》中被列為重點(diǎn)領(lǐng)域和優(yōu)先主題。 因此以玉米種子為研究對象， 重點(diǎn)探索采用THz-TDS反射成像技術(shù)結(jié)合化學(xué)計(jì)量學(xué)方法無損檢測種子活力水平的可行性， 以期為進(jìn)一步采用太赫茲時(shí)域光譜技術(shù)快速無損檢測種子活力水平提供理論基礎(chǔ)和技術(shù)支撐。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 樣品制備

實(shí)驗(yàn)選取中地77品種的玉米種子為樣本。 采用種子老化箱， 在溫度為40 ℃、 100%相對濕度條件下將種子樣本分批老化0， 1， 2， 3和4 d。 按照國家標(biāo)準(zhǔn)(GB/T3543.4—1995)采用ZLC-250智能種子發(fā)芽箱進(jìn)行發(fā)芽試驗(yàn)， 每組樣本進(jìn)行4次重復(fù)實(shí)驗(yàn)， 取其平均值作為該樣本的最終發(fā)芽率。 不同老化程度種子發(fā)芽率如表1所示。 從表1可以得出隨著老化天數(shù)增加， 發(fā)芽率不斷下降， 表明種子活力隨之不斷下降， 因此不同的老化天數(shù)對應(yīng)了不同的活力等級(jí)。

表1 不同老化程度種子的發(fā)芽率

1.2 THz-TDS反射成像數(shù)據(jù)采集

采用英國Teraview公司的TeraPulse 4000太赫茲時(shí)域光譜儀以及反射成像附件， 采集上述老化天數(shù)為0， 1， 2， 3和4 d的玉米種子樣本的光譜反射成像數(shù)據(jù)。 光譜儀參數(shù)設(shè)定： 成像區(qū)域?yàn)?0 mm×40 mm， 橫/縱向步長為200 nm。 圖1所示為玉米種子反射成像采集實(shí)驗(yàn)。

1.3 數(shù)據(jù)處理

1.3.1 廣義二維相關(guān)光譜技術(shù)

廣義二維相關(guān)光譜技術(shù)[8]主要用于探究在外界微擾(時(shí)間、 溫度、 濃度)作用下， 樣本光譜信號(hào)強(qiáng)度的動(dòng)態(tài)變化。 通過觀察動(dòng)態(tài)光譜的吸收峰的位置、 強(qiáng)度的變化以及方向的一致性和互異性來分析樣品的相關(guān)理化信息。 本實(shí)驗(yàn)以老化時(shí)間即老化天數(shù)為擾動(dòng)量， 采用廣義二維相關(guān)光譜技術(shù)初步解析與種子活力相關(guān)的THz敏感譜區(qū)。

圖1 玉米種子THz光譜反射成像實(shí)驗(yàn)

1.3.2 支持向量機(jī)

支持向量機(jī)算法[9-10]與多層感知網(wǎng)絡(luò)器類似， 基于統(tǒng)計(jì)學(xué)理論， 有很好的泛化能力， 被廣泛應(yīng)用于模式識(shí)別和回歸分析。 該算法適合于小樣本， 維度高且非線性的樣本分類問題。 本實(shí)驗(yàn)采用臺(tái)灣大學(xué)林智仁教授等開發(fā)的LIBSVM工具包， 在MATLAB2014a環(huán)境下運(yùn)行， 探索建立判別種子活力等級(jí)的分析模型。

2 結(jié)果與討論

2.1 THz-TDS光譜反射圖像預(yù)處理

玉米種子胚乳和種胚所含成分存在顯著差異， 為探究種子不同組織在老化過程中與活力的相關(guān)性， 實(shí)驗(yàn)首先通過太赫茲光譜圖像預(yù)處理無損提取玉米種子不同組織太赫茲吸光度譜。

為準(zhǔn)確提取光譜信息， 實(shí)驗(yàn)首先針對任一像素點(diǎn)光譜采用雙高斯濾波消噪法去除系統(tǒng)和環(huán)境噪聲； 然后采用峰峰值差分重構(gòu)對樣本圖像進(jìn)行重構(gòu)增強(qiáng)， 以獲取表征不同組織區(qū)域的清晰輪廓(其中胚乳15.5～17 ps， 胚19～23 ps)； 最后采用最大值法及迭代法分別進(jìn)行圖像灰度化和閾值分割提取胚乳和種胚的位置信息。 具體處理流程如圖2和圖3所示。

圖2 胚乳重構(gòu)、 灰度化及閾值分割處理

從圖2和圖3中可以看出經(jīng)過預(yù)處理后圖像輪廓信息更為明顯。 根據(jù)上述預(yù)處理得到的胚乳和種胚的目標(biāo)區(qū)域可以提取出各像素點(diǎn)THz光譜， 計(jì)算其平均值得到胚乳和種胚的平均光譜。 圖4所示即為經(jīng)過上述提取步驟得到老化1 d后的種子樣本的種胚和胚乳平均光譜， 從圖中可以看出吸光度譜在<10 cm-1以及>65 cm-1處存在較為明顯的差異。

圖3 種胚重構(gòu)、 灰度化及閾值分割處理

圖4 老化1 d胚乳和種胚THz平均光譜

2.2 種子活力特征波段解析

種子活力水平與其老化程度密切相關(guān)， 老化時(shí)間越長， 發(fā)芽率越低， 種子活力也隨之明顯下降。 實(shí)驗(yàn)以老化天數(shù)為擾動(dòng)量， 采用廣義二維相關(guān)法探索種胚和胚乳中與種子活力相關(guān)的特征太赫茲波段。

采用2Dshige軟件(Shigeaki Morita, Kwansei-Gakuin University, 2004—2005)針對2.1中提取的不同老化天數(shù)(0， 1， 2， 3， 4 d)的胚乳和種胚吸光度譜(0～77 cm-1)進(jìn)行二維相關(guān)分析。 圖5所示為5個(gè)老化天數(shù)下種子胚乳吸光度譜的二維同步相關(guān)譜及二維異步相關(guān)譜(紅色代表正相關(guān)， 藍(lán)色代表負(fù)相關(guān)， 顏色深淺代表相關(guān)程度大小)

圖5 胚乳廣義二維相關(guān)光譜圖

圖5(a)中同步譜對角線上的自相關(guān)峰(V1,V2)出現(xiàn)在(75和75 cm-1)和(36和36 cm-1)(綠色圓圈標(biāo)注)， 自動(dòng)峰的強(qiáng)度為正值， 說明兩個(gè)波段在外界微擾(即老化天數(shù))的作用下引起的變化程度較大， 因此該波段屬于種子活力THz敏感譜段； (75和75 cm-1)處較(36和36 cm-1)處顏色更深， 表明75 cm-1處較36 cm-1處與種子活力的相關(guān)性更強(qiáng)。 非對角線處的交叉峰出現(xiàn)在(36和75 cm-1)和(75和36 cm-1)(橘色圓圈標(biāo)注)， 且為正值， 表明樣本光譜在36與75 cm-1處存在強(qiáng)烈協(xié)同作用且變化方向一致。

圖5(b)異步譜中位于(36和75 cm-1)的交叉峰(紫色圓圈標(biāo)注)處為負(fù)值， 而同步譜中(36和75 cm-1)處為正值， 表明36 cm-1信號(hào)強(qiáng)度變化小于75 cm-1； 異步譜中(75和36 cm-1)的交叉峰與同步譜中該位置處均為正值， 再次表明外界微擾作用下在75 cm-1處信號(hào)強(qiáng)度變化大于36 cm-1處。

類似地， 通過5個(gè)批次老化天數(shù)下的種胚廣義二維相關(guān)光譜分析同樣可得75 cm-1， 36 cm-1處為與種子活力相關(guān)的THz敏感譜區(qū)。

綜上以老化天數(shù)為擾動(dòng)量解析種子THz吸收譜可得， 無論是胚乳還是種胚， 與種子活力明顯相關(guān)的太赫茲波段主要集中在75和36 cm-1附近， 這兩個(gè)波長處吸光度存在強(qiáng)烈協(xié)同變化且變化方向一致， 75 cm-1處信號(hào)強(qiáng)度變化大于36 cm-1處。 36 cm-1附近是典型的THz水峰特征吸收， 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明種子活力受水分影響明顯， 但是水分源于種子內(nèi)部水分還是環(huán)境水分的干擾還有待研究； 75 cm-1處THz光譜信息對應(yīng)的作用機(jī)理還有待進(jìn)一步解析。

2.3 玉米種子活力水平無損判別

種子老化天數(shù)和種子活力密切相關(guān)。 根據(jù)發(fā)芽率數(shù)據(jù)， 老化天數(shù)0， 1， 2， 3和4 d對應(yīng)了種子五個(gè)活力等級(jí)， 因此本實(shí)驗(yàn)探索采用支持向量機(jī)建立判別種子活力等級(jí)的五分類模型。 由于玉米種子胚乳和種胚成分及相應(yīng)THz譜差異顯著， 為精細(xì)化研究種子不同組織與種子活力的相關(guān)性， 分別基于種胚和胚乳THz譜建立種子活力分析模型。

實(shí)驗(yàn)以5個(gè)老化批次的種子樣本THz反射圖像中種胚和胚乳區(qū)域的像素點(diǎn)為原始樣本集(胚乳樣本數(shù)6 004； 種胚樣本數(shù)798)， 按照5∶1的比例隨機(jī)劃分訓(xùn)練集和測試集， 輸入樣本均歸一化處理。 支持向量機(jī)選用RBF為核函數(shù)， 采用網(wǎng)格搜索法對懲罰參數(shù)c和核參數(shù)g進(jìn)行參數(shù)尋優(yōu)， 采用5折交叉驗(yàn)證進(jìn)行SVM網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練。 根據(jù)表2中的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以得出， 基于胚乳的判別模型識(shí)別準(zhǔn)確率僅為59.34%， 基于種胚的模型識(shí)別準(zhǔn)確也僅有72.18%， 兩者活力判別模型都無法精細(xì)劃分五個(gè)類別的活力等級(jí)。 分析其原因， 可能是活力等級(jí)劃分過細(xì)導(dǎo)致。

表2 不同老化程度識(shí)別模型參數(shù)及結(jié)果

因此實(shí)驗(yàn)嘗試減少活力等級(jí)分類數(shù)再進(jìn)行建模分析。 根據(jù)農(nóng)作物種子質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(GB4401.1—2008)， 實(shí)驗(yàn)以玉米種子發(fā)芽率85%為閾值建立種子高低活力的二分類模型。 按照上述類似步驟訓(xùn)練種子活力判別模型， 結(jié)果如表3所示， 不管是基于種胚還是胚乳建立的判別種子高低活力的二分類模型識(shí)別率均有了顯著提升。 就本實(shí)驗(yàn)的結(jié)果而言， 基于種胚光譜信息建立的模型識(shí)別準(zhǔn)確率高于胚乳模型。

表3 種子活力水平判別模型參數(shù)及測試結(jié)果

3 結(jié) 論

采用THz-TDS反射成像技術(shù)結(jié)合廣義二維相關(guān)光譜分析方法初步解析得到與玉米種子活力相關(guān)的敏感太赫茲波段主要集中在36和75 cm-1區(qū)域， 但是36和75 cm-1處THz光譜信息對應(yīng)的作用機(jī)理還有待解析。 實(shí)驗(yàn)分別基于胚乳和種胚的THz吸光度譜建立了五分類和二分類活力判別模型， 其中五分類模型由于活力等級(jí)劃分過細(xì)導(dǎo)致預(yù)測效果較差， 二分類模型中胚乳模型識(shí)別率可達(dá)88.61%， 種胚模型識(shí)別率可達(dá)91.73%， 模型性能得到顯著改善。 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明THz-TDS反射成像技術(shù)以其豐富的指紋譜、 低能安全和圖譜合一的特性， 結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)方法在單粒種子活力快速、 無損、 粗篩領(lǐng)域有著光明的應(yīng)用前景。