可见和近红外(Visible and near-infrared，Vis-NIR)光谱成像正在成为一种支持高通量数字农业植物表型的潜在工具。光谱成像的应用之一是无损地预测植物的化学成分，如与植物的功能状态有关的氮含量。然而，在使用高通量光谱成像之前，它需要广泛的校准，就像其他任何光谱传感器需要的一样。校准高通量光谱成像装置可能是一项具有挑战性的任务，因为在高通量装置中运行实验所需的资源远远超过使用点光谱仪进行测量。

　　因此，为了提供一种资源高效的方法来校准与高通量植物表型设置集成的光谱相机，本研究提出使用化学计量校准转移(calibration transfer，CT)和模型更新(model update)。主要的想法是使用点光谱仪来开发主要模型，并将其转移到集成到高通量设置中的光谱相机上。

　　在这项研究中使用的数据集由光谱测量200小麦植物监测与三个不同的光谱仪器(如表1，点谱仪 (ASD FieldSpec 3, Analytic Spectral Devices, Boulder, USA), FX10 高光谱相机 (Specim, Oulu, Finland), 高通量光谱成像系统 (WIWAM, Ghent, Belgium))设置在三个不同的时间点，小麦植株来自5个不同的品种，Gladius, Axe, Scepter, Corack and Yitpi在数据集上有广泛的变异。为了扩大氮素含量的变异性，对5个不同品种的植株分别施氮25、50、100和200 mg/kg。每个品种10个重复。该数据集来自Sensor期刊的论文“The performances of hyperspectral sensors for proximal sensing of nitrogen levels in wheat”，论文地址：https://doi.org/10.3390/s20164550.

　　表1 光谱传感器总结

　　本研究探索了将从点谱仪到均值的光谱图像的校准转移模型,这是两个主要原因,第一个原因是开放存取数据集只有均值光谱,第二个是植物生物学家的主要兴趣是估计每个植物化学成分,用均值来表示会更好。3种不同的光谱仪的均值光谱如图1。

　　然而，为了更好地了解光谱成像装置相对于点式光谱仪的光谱反应的差异，光谱成像光谱与点采样的点式光谱一起绘制(图2)。对点光谱仪光谱的点采样是为了与Fx10光谱相机和高通量光谱成像系统的光谱采样间隔分别匹配。可以注意到，与图1不同的是，Fx10成像系统和点谱仪的光谱响应之间的差异被掩盖了，在图2A中，不同光谱区域的差异是清晰可见。此外，高通量成像系统和点谱仪之间的差异并不限于近红外部分，在可见光区域也存在(图2B)。

　　图1 3种不同光谱仪，即点光谱仪(蓝色)、桌面Fx10光谱相机(红色虚线)和高通量光谱成像系统(黑色虚线)的小麦均值光谱.

　　图2 使用Fx10光谱成像装置(A)和高通量光谱成像系统(B)的点采样光谱.

　　采用无参数定标增强(parameter free calibration enhancement，PFCE)或直接标准化(direct standardization，DS)等先进的校准转移方法，可以将点光谱仪数据建立的模型传输到光谱成像装置上，如图3。然而，无论是从更低的RMSEP和更低的转移所需的样本量来看，这项研究表明，PFCE的性能远远好于DS方法，如图4。此外，半监督PFCE，甚至可以在不需要标准样品的情况下，将模型从点光谱仪转移到光谱成像系统，如图5。

　　图3 从点谱仪到高通量成像装置的校正转移(CT)结果。(A) CT前，(B) DS Fx10光谱成像，(C)全监督FPCE， (D) 反向DS。

　　图4 样品大小对直接标准化(DS)、无参数校准增强(PFCE)和反向DS性能的影响。(A). CT从点光谱仪到Fx10光谱成像装置， (B) CT从点光谱仪到高通量成像装置。

　　图5 对执行转移所需样本数量的后验分析总结。(A)点光谱仪到Fx10光谱成像装置，(B)点光谱仪到高通量成像装置的光谱相机

　　该方法基于点光谱学模型在高通量设置下转移到光谱相机，减少校准高通量光谱成像装置所需的资源和时间，可以共享光谱校准并广泛应用，从而帮助全球数字植物表型社区。

　　来源 : Puneet Mishra, Chemometric approaches for calibrating high-throughput spectral imaging setups to support digital plant phenotyping by calibrating and transferring spectral models from a point spectrometer, Analytica Chimica Acta,2021, 1187, 339154.

　　编辑 : 王春颖