玉米种子活力太赫兹时域光谱成像快速无损检测关键技术研究

High vigor seed has remarkable growth advantage and high yield potential, which is the primary condition for high efficiency and high productivity of modern agriculture. Terahertz (THz), as a new cross and frontier technology, shows special technical advantage in the field of seed vigor testing by its characteristic spectral resolution, low energy and perspective ability. On the basis of previous studies about seed quality detection using spectroscopy technology, this project creatively puts forward testing maize seed vigor by THz time domain spectral imaging technology. The concrete research content including following several aspects: screening the sensitive THz region related to maize seed vigor from weak signal using generalized two-dimensional correlation spectroscopy; Visualizing seed internal information by different THz image reconstruction methods and calculating the textures of the reconstruction images to obtain the relationship between the spatial distribution of seed internal information and seed vigor level; finally, building the discriminant model to evaluate the seed vigor based on multiple features consensus strategy and support vector machines. The research can promote the interdisciplinary integration, such as seed quality determination technology, optical imaging, information technology and mathematics. It also can provide theoretical basis and reference technical means for fast and nondestructive detection of maize seed vigor, which has significant scientific value to develop the high-quality, high-yield and cost-effective agriculture in China.

高活力种子具备显著的生长优势和高产潜力，是现代化农业高效高产的首要条件。作为新兴交叉前沿领域的太赫兹(THz)技术以其独特的波谱分辨力、透视性和安全性在种子生物样本的活力测定领域表现出潜在的技术优势。本课题在前期种子质量光谱快检关键技术研究基础上，创新性地提出采用THz时域光谱成像技术快速无损测定玉米种子活力，研究内容包括：采用广义二维相关光谱法从THz光谱弱信号中精细化筛选表征种子活力的THz敏感谱区；研究THz重构图像方法多层次可视化表征种子理化信息，并通过重构图像的纹理特征解析种子理化信息空间分布与活力变化的相关性；构建基于多源(光谱和图像)特征共识策略和支持向量机的判别模型用于玉米种子活力的快速无损测定。本项目的研究将促进种子检验、光学成像、信息科学和数学等多学科的交叉和融合，可为种子活力快速无损检测技术提供理论依据和方法参考，对切实发展我国优质高效高产农业有着重要的科学价值。

高活力种子具备显著的生长优势和高产潜力，是现代化农业高效高产的首要条件。作为新兴交叉前沿领域的太赫兹(THz)技术在种子生物样本的活力测定领域表现出极富应用前景的技术优势。本项目应用THz时域光谱及成像技术在玉米种子活力THz特征谱区的筛选、种子活力相关成分的定量预测以及种子活力变化过程中的化学成分可视化表征方面进行了深入研究：.一、种子活力下降是综合、连续、动态变化的复杂过程。本项目应用THz-ATR光谱结合移动窗口相关系数法精细化筛选得到玉米种子活力THz特征谱区集中在60-80cm-1；应用THz反射光谱成像技术结合广义二维相关光谱法无损解析得到玉米种子活力敏感波段主要集中在36、75cm-1。两种筛选方法均存在表征种子活力的共同THz特征区间，巩固了种子活力判别的THz理论基础。初步构建了基于胚乳和种胚的种子活力快速无损判别模型，测试集识别准确率分别可达88.61%和91.73%，为玉米种子活力无损、快速监测提供了一种可行方案。.二、种子化学成分如水分、淀粉等的快速、准确预测对于维护种子活力极为重要。但是环境水分、系统噪声及非目标成分的干扰都给种子化学成分的THz光谱表征及预测造成了严重困扰。本项目提出在线性特征谱区筛选的基础上构建非线性模型用于种子水分、淀粉的快速、定量预测，所建模型实用性较好（PRD>3），且实验方法从种子水分的有损THz检测的基础上拓展到了淀粉的无损THz检测，为种子质量快速测定领域提供了一项极具应用潜力的补充技术。.三、种子不同化学成分的分布及含量差异与种子活力变密切相关。本项目提出应用THz反射成像技术结合移动窗口相关系数法进行伪彩色成像，无损可视化构建不同老化程度的玉米种子淀粉、蛋白的空间分布图，初步阐释种子活力下降过程中淀粉和蛋白空间分布变化规律：随着种子活力下降，在29.83-67.36cm-1区间内，淀粉含量在胚乳的空间分布图中呈现总体下降趋势；蛋白含量在种胚的空间分布图中同样呈现总体下降趋势。该方法为种质库种子活力监测、解析种子生理生态变化等提供崭新的视角。.玉米种子活力测定的新方法和理论研究不仅有助于丰富种子活力测定技术，而且能更好地满足我国现代农业发展进程中提出的快速、无损、安全的检测新需求。本项目的研究对切实发展我国优质高效高产农业有着重要的科学意义和应用前景。