高光譜技術(shù)在園藝學(xué)科研究的文獻分析

樊 麗，黃 云，胡 偉，張 辰，劉 艷

（1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝與植物保護學(xué)院，內(nèi)蒙古呼和浩特 010011；2.包頭市綠緣生態(tài)開發(fā)有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 包頭 014070）

高光譜技術(shù)起源于多光譜遙感技術(shù)，它利用光遇到物體時會被吸收并通過光的散射、反射和透射等形式得到該物體的特征光譜信息，然后識別出具有特征性的波譜，這種技術(shù)最先在軍事方面應(yīng)用較多，如今在各個領(lǐng)域中都有廣泛的應(yīng)用。高光譜技術(shù)是一種綜合性技術(shù)[1]，隨著高光譜技術(shù)的飛速發(fā)展，逐漸深入到果樹學(xué)的研究中。在研究人員的不斷努力下，高光譜技術(shù)在檢測果樹病蟲害、產(chǎn)量預(yù)測、果實鑒定、品質(zhì)分級、農(nóng)藥檢測等方面都取得了顯著的成果。隨著智慧農(nóng)業(yè)的推進和園藝產(chǎn)品商品價值的提高，高光譜技術(shù)在園藝學(xué)科中的應(yīng)用也越來越廣泛[2-4]。

高光譜技術(shù)集光譜學(xué)、機器視覺、計算機成像、近紅外光譜學(xué)等多學(xué)科于一體，融合了成像技術(shù)和分光光度技術(shù)的特點[5]，獲取的信息不僅包括二維空間場景的信息，還有光譜輻射和縱向分布的信息，共同創(chuàng)建了一個數(shù)據(jù)立方體[6]。高光譜技術(shù)已經(jīng)兼具光譜技術(shù)和傳統(tǒng)二維成像技術(shù)的優(yōu)點，如高分辨率、超多波段和圖像光譜集成等。隨著信息技術(shù)的發(fā)展，高光譜技術(shù)已廣泛地應(yīng)用于地質(zhì)勘探、地質(zhì)測繪、植物生態(tài)、精準農(nóng)業(yè)、環(huán)境監(jiān)測、海洋遙感、食品質(zhì)量保障等領(lǐng)域[7-9]。高光譜技術(shù)作為目前比較先進的新興技術(shù)，利用不同地物光學(xué)性質(zhì)對應(yīng)不同的特征光譜來研究目標物的結(jié)構(gòu)或確定化學(xué)成分，可以實現(xiàn)對園藝產(chǎn)品的無損檢測[10-12]。高光譜技術(shù)是具有間隙變化曲線的無破壞性的分析，與化學(xué)計量法相比，通過光譜儀器檢測不僅速度快、精度高，而且與被測物無接觸、無損傷。如將高光譜技術(shù)應(yīng)用于果實品質(zhì)檢測，則可以通過高光譜成像技術(shù)檢測水果的大小、品質(zhì)、病蟲害侵染、農(nóng)藥殘留等情況，對水果進行分類分級[13]。

文獻計量法是描述、評價和預(yù)測某學(xué)科領(lǐng)域科技現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢最為直接的分析方法，能有效避免常規(guī)方法總結(jié)文獻資料時出現(xiàn)主觀性強、無量化的缺陷，已被廣泛用于農(nóng)業(yè)、生態(tài)、環(huán)境、食品科學(xué)等諸多領(lǐng)域的態(tài)勢分析，可以幫助讀者客觀地了解該領(lǐng)域的研究重點和發(fā)展趨勢[14]。為了量化分析高光譜技術(shù)在園藝學(xué)科的研究現(xiàn)狀，本研究采用文獻計量法和知識圖譜法，對中國知網(wǎng)（CNKI）收錄的中文文獻中高光譜技術(shù)在園藝學(xué)科的年發(fā)文量、研究主題、期刊來源分布、資助基金分布、高產(chǎn)作者和機構(gòu)等進行了分析，以期更好地反映高光譜技術(shù)在園藝學(xué)科的最新研究趨勢和進展，從而為高光譜技術(shù)與園藝學(xué)科的交叉融合及從事相關(guān)領(lǐng)域的科研人員和機構(gòu)提供參考。

1 數(shù)據(jù)來源與檢索方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

本研究數(shù)據(jù)來源于中國知網(wǎng)（CNKI）收錄的中文文獻，檢索時間截至2022年4月，以“高光譜”為主題進行檢索，學(xué)科選擇“園藝”，檢索范圍為中文文獻，共檢索到2005年1月—2022年4月符合條件的文獻696篇。

1.2 分析方法

利用中國知網(wǎng)（CNKI）的可視化分析工具結(jié)合Excel和CiteSpace 5.8.R3軟件，對檢索到文獻的年發(fā)文量、研究主題、期刊來源、資金資助、作者分布和發(fā)文機構(gòu)進行可視化分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 歷年發(fā)文量分析

由檢索結(jié)果可知，高光譜技術(shù)在園藝學(xué)科發(fā)表的第1篇文章始于2005年，是浙江大學(xué)葉昱程題為《基于多光譜圖像的水果外觀品質(zhì)檢測方法研究》的碩士學(xué)位論文，導(dǎo)師為浙江大學(xué)應(yīng)義斌教授。2005年1月—2022年4月園藝學(xué)科共發(fā)表高光譜技術(shù)相關(guān)文獻696篇，從文獻類型分布看，發(fā)表的學(xué)術(shù)期刊論文415篇、學(xué)位論文267篇、會議論文13篇、科技成果1條。這些文獻反映出我國園藝學(xué)科對高光譜技術(shù)研究的主要成果和發(fā)展趨勢。由圖1可知，2005年開始至2022年，高光譜技術(shù)在園藝學(xué)科上的年發(fā)文量呈現(xiàn)穩(wěn)定的增長趨勢。其中，2005—2011年增長較慢，2012—2016年年發(fā)文量增長較快，之后趨于平穩(wěn)。2021年發(fā)文量為79篇，是2005—2022年發(fā)文量最多的一年。綜上所述，高光譜技術(shù)仍是園藝學(xué)科當(dāng)前的研究熱點，總體年發(fā)文量偏少，理論研究和應(yīng)用研究仍有很大的發(fā)展空間。

圖1 園藝學(xué)科高光譜技術(shù)研究年發(fā)文量Figure 1 Number of publications of hyperspectral technology in horticulture

2.2 研究主題分布

關(guān)鍵詞的出現(xiàn)頻率在一定程度上代表了研究熱點或?qū)W術(shù)前沿，反映了該學(xué)科的研究方向。由表1、圖2可知，我國園藝學(xué)科關(guān)于高光譜技術(shù)文獻的研究主題較廣泛，主要包括高光譜、高光譜成像技術(shù)、無損檢測、葉綠素含量、高光譜成像、高光譜圖像、葉綠素、估算模型等相關(guān)的研究主題，直觀地體現(xiàn)出高光譜技術(shù)在園藝學(xué)科的重點應(yīng)用范圍。由圖2還可以直觀地看出，高光譜技術(shù)是一項無損的成像檢測技術(shù)，而傳統(tǒng)檢測手段是通過觀察樹體、樹勢、葉片、果實等生長狀況來診斷病害。傳統(tǒng)方法時間成本高、效率低，并且存在較多的誤差因素，相比之下，高光譜無損檢測技術(shù)在園藝學(xué)科的應(yīng)用前景較廣闊。

圖2 關(guān)鍵詞共現(xiàn)圖Figure 2 Keyword co-occurrence map

2.3 期刊來源分布

期刊來源分布在一定程度上反映著某一學(xué)科在文獻表現(xiàn)方面的集中度，是評價學(xué)科發(fā)展水平的重要指標之一。由表2可知，2005年1月—2022年4月在園藝學(xué)科高光譜技術(shù)研究的發(fā)文量大于或等于20篇的中文期刊有3個，共刊載171篇論文，占文獻總量的17.24%。其中，發(fā)文量最多的期刊是《光譜學(xué)與光譜分析》，共發(fā)表文獻56篇（占8.05%）；其次是《農(nóng)業(yè)機械學(xué)報》，共發(fā)表文獻34篇（占4.88%）。由此可知，在園藝學(xué)科關(guān)于高光譜技術(shù)發(fā)表的文章總體質(zhì)量較好，研究水平較高。從文獻分布的期刊類型來看，應(yīng)用研究論文較多，基礎(chǔ)研究論文較少，較側(cè)重實踐應(yīng)用，但缺乏理論創(chuàng)新。

表2 園藝學(xué)科高光譜技術(shù)研究發(fā)文量前10位的期刊Table 2 Number of publications Top 10 journals of hyperspectral technology in horticulture

2.4 資助基金分布

根據(jù)檢索結(jié)果可知，2005年1月—2022年4月我國園藝學(xué)科高光譜技術(shù)研究的696篇文獻共獲得30種國家級或省部級資助基金。由表3可知（僅列出前10個資助項目），資助最多的項目是國家自然科學(xué)基金，有244篇論文（占資助項目總數(shù)的35.06%），排名2、3、4位的資助基金是國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃、國家科技支撐計劃和中國博士后科學(xué)基金，分別有74篇（占資助項目總數(shù)的10.63%）、56篇（占資助項目總數(shù)的8.05%）和25篇（占資助項目總數(shù)的3.59%）文獻。由此可知，園藝學(xué)科關(guān)于高光譜技術(shù)研究的資助基金以國家部門為主導(dǎo)，以地方政府為輔助，也相對反映出國家層面高度重視該領(lǐng)域研究的科研投入。

表3 園藝學(xué)科高光譜技術(shù)研究發(fā)文量前10位的資助基金Table 3 Number of publications Top 10 funding funds of hyperspectral technology research in horticulture

2.5 作者和機構(gòu)分布

研究機構(gòu)是指有明確的研究方向和任務(wù)，且有一定水平的學(xué)術(shù)帶頭人和一定數(shù)量、質(zhì)量的研究人員，并長期有組織地從事研究與開發(fā)活動的機構(gòu)。對研究機構(gòu)的統(tǒng)計可以反映出哪些機構(gòu)在某一領(lǐng)域的研究中處于領(lǐng)先地位。在檢索結(jié)果提供的信息數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，合并相同機構(gòu)的不同名稱，以第一作者和機構(gòu)的發(fā)文量重新排序，列出我國園藝學(xué)科高光譜技術(shù)研究發(fā)文量排名前10位的作者和機構(gòu)。由機構(gòu)發(fā)文量統(tǒng)計數(shù)據(jù)可知（表4、表5），發(fā)文量從多到少依次為山東農(nóng)業(yè)大學(xué)、西北農(nóng)林科技大學(xué)、新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)、浙江大學(xué)、江蘇大學(xué)、石河子大學(xué)、華南農(nóng)業(yè)大學(xué)、塔里木大學(xué)、山西農(nóng)業(yè)大學(xué)和中國農(nóng)業(yè)大學(xué)，總發(fā)文量為380篇，明顯多于其他院校（占總文獻的54.60%）。從作者發(fā)文量統(tǒng)計，該領(lǐng)域發(fā)文量最多的為浙江大學(xué)的何勇教授，發(fā)文量為22篇。發(fā)文量≥10篇的作者有10人，根據(jù)普萊斯理論可知[15]，核心作者是指在某一特定領(lǐng)域的期刊上發(fā)表過大量文章、具有較高影響力的一組作者，M=0.749（Nmax）1/2，Nmax為最高產(chǎn)作者的論文篇數(shù)，我國園藝學(xué)科高光譜技術(shù)研究的發(fā)文量≥4篇的即為核心作者，有39位，大多數(shù)來自我國農(nóng)業(yè)類高校和科研機構(gòu)，說明農(nóng)業(yè)類高校和科研機構(gòu)是園藝學(xué)科高光譜技術(shù)研究的核心力量。

表4 園藝學(xué)科高光譜技術(shù)研究發(fā)文量前10位的機構(gòu)Table 4 Number of publications Top 10 institutions of hyperspectral technology in horticulture

表5 園藝學(xué)科高光譜技術(shù)研究發(fā)文量前10位的作者及單位Table 5 Number of publications Top 10 authors and affiliations of hyperspectral technology in horticulture

3 討論與結(jié)論

隨著智能化農(nóng)業(yè)時代的到來，高光譜技術(shù)逐步應(yīng)用于園藝學(xué)科中。高光譜技術(shù)在園藝學(xué)科上主要應(yīng)用于果樹病蟲害檢測、果樹產(chǎn)量預(yù)測、果實內(nèi)部品質(zhì)無損檢測、果實采收損傷檢測及果實農(nóng)藥殘留檢測等方面[16-17]。因此，總結(jié)目前高光譜技術(shù)在園藝學(xué)科上的應(yīng)用，發(fā)現(xiàn)存在的問題，并結(jié)合新時期果樹產(chǎn)業(yè)發(fā)展的方向和應(yīng)用需求，提出未來高光譜技術(shù)在園藝學(xué)研究中的發(fā)展趨勢，則能夠為高光譜技術(shù)在智慧果業(yè)中的深度應(yīng)用提供參考。

基于中國知網(wǎng)（CNKI）中文數(shù)據(jù)庫，采用文獻計量法分析2005年1月—2022年4月我國園藝學(xué)科高光譜技術(shù)研究的相關(guān)文獻可知，2012—2016年高光譜技術(shù)在園藝學(xué)科中發(fā)展較快，之后趨于平穩(wěn)。研究深度和廣度不斷拓展，研究水平和層次有大幅度提升。

文獻發(fā)表年度趨勢和資助基金分布狀況分析表明，我國園藝學(xué)科高光譜技術(shù)研究的發(fā)文量呈波動性增長趨勢；資助基金以國家部門為主導(dǎo)，以地方政府為輔助。由此可知，高光譜技術(shù)在該領(lǐng)域的發(fā)展態(tài)勢良好，國家級科研項目極大地推動了我國園藝學(xué)科高光譜技術(shù)的快速發(fā)展，尤其是國家自然科學(xué)基金、國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃和國家科技支撐計劃，這與國家對園藝學(xué)科高光譜技術(shù)研究領(lǐng)域的支持政策密切相關(guān)。同時，必須加強地方政府對園藝學(xué)科中高光譜技術(shù)研究領(lǐng)域的扶持力度，通過增強地方園藝學(xué)科中高光譜技術(shù)研究的科研實力，帶動地方特色園藝產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

由期刊來源分布、作者及其機構(gòu)分布可知，我國園藝學(xué)科高光譜技術(shù)發(fā)文的主要期刊是工程類期刊，核心作者和機構(gòu)大多來自國內(nèi)農(nóng)業(yè)類高校和科研院所。工程類期刊《光譜學(xué)與光譜分析》《農(nóng)業(yè)機械學(xué)報》《農(nóng)業(yè)工程學(xué)報》是我國園藝學(xué)科高光譜技術(shù)領(lǐng)域研究的主要期刊，也是工程類核心期刊，推動了該領(lǐng)域的研究和發(fā)展。核心作者及主要研究機構(gòu)大多數(shù)來自山東農(nóng)業(yè)大學(xué)、西北農(nóng)林科技大學(xué)、新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)、浙江大學(xué)、江蘇大學(xué)、石河子大學(xué)等農(nóng)業(yè)類高校，科研團隊相對穩(wěn)定，形成了我國園藝學(xué)科高光譜技術(shù)領(lǐng)域的核心研究群體，支撐、引領(lǐng)該領(lǐng)域的發(fā)展。

由研究主題、學(xué)科領(lǐng)域和研究方向分析可知，我國對高光譜技術(shù)領(lǐng)域研究主要集中在園藝、農(nóng)作物和農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)科學(xué)的農(nóng)業(yè)栽培管理，并重點體現(xiàn)在應(yīng)用基礎(chǔ)研究和技術(shù)研究。這些研究基本上以高光譜無損技術(shù)為研究中心，用以檢測園藝產(chǎn)品品質(zhì)、病蟲害發(fā)生等。因此，除加強傳統(tǒng)的以提高農(nóng)作物產(chǎn)量和品質(zhì)的研究中心外，還應(yīng)極力發(fā)展精準農(nóng)業(yè)技術(shù)，減少農(nóng)業(yè)環(huán)境污染，促進我國園藝學(xué)科高光譜技術(shù)研究領(lǐng)域的可持續(xù)健康發(fā)展。此外，從高光譜數(shù)據(jù)中獲得的空間和光譜信息還沒有得到有效利用，尚未建立完整的光譜數(shù)據(jù)庫。因此，在該領(lǐng)域的研究和發(fā)展仍有很大空間。隨著高光譜技術(shù)的發(fā)展，在理論研究方面，高光譜技術(shù)在園藝學(xué)科上可以進行表觀遺傳學(xué)的研究，與基因組學(xué)、轉(zhuǎn)錄組學(xué)、蛋白組學(xué)、代謝組學(xué)等技術(shù)相結(jié)合，揭示園藝作物的生長發(fā)育機理、抗逆機理等。在應(yīng)用研究方面，高光譜技術(shù)還可以繼續(xù)拓展新的領(lǐng)域，檢測更多的園藝作物種類，可以覆蓋園藝作物生產(chǎn)的整個生長階段，為智慧園藝的發(fā)展提供動力。