高光譜成像技術(shù)用于檢測(cè)植物根系與葉片重金屬含量

重金屬污染是全球性環(huán)境問題。重金屬如鎘（Cd）、鉛（Pb）、銅（Cu）、鉻（Cr）、砷（As）等在土壤中的過量存在會(huì)影響土壤的肥力和植物的營養(yǎng)吸收。這些重金屬能夠通過根系進(jìn)入植物體內(nèi)，影響植物的正常生長發(fā)育，導(dǎo)致生長緩慢、葉色變黃、產(chǎn)量下降，甚至死亡；同時(shí)會(huì)通過食物鏈對(duì)人類健康造成威脅。

江蘇大學(xué)電子與信息工程學(xué)院等研究學(xué)者以油菜為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，使用添加不同濃度Pb試劑的營養(yǎng)液灌溉12天，采用離體的方式分別進(jìn)行葉片和根系的高光譜成像。使用支持向量機(jī)（SVM）和SAE深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)樣品中的鉛（Pb）含量建立模型并預(yù)測(cè)，發(fā)現(xiàn)SAE深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型精度較高。在SAE模型的基礎(chǔ)上使用遷移學(xué)習(xí)的方法得到T-SAE模型，并對(duì)油菜葉片和根系中的Pb含量進(jìn)行預(yù)測(cè)，發(fā)現(xiàn)其精度有所提升，油菜葉片R²達(dá)到0.92，根系R²達(dá)0.93。基于此可以發(fā)現(xiàn)高光譜成像技術(shù)結(jié)合深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能夠?qū)τ筒酥参镏械闹亟饘?/span>Pb進(jìn)行定性定量檢測(cè)。

北京易科泰生態(tài)技術(shù)有限公司推出的RhizoTron^®植物根系高光譜成像系統(tǒng)，該系統(tǒng)基于根窗技術(shù)和多功能高光譜成像技術(shù)，可同時(shí)對(duì)植物根系（roots）和地上冠層（shoots）進(jìn)行原位多功能高光譜成像，進(jìn)而從反射光和熒光的兩個(gè)高光譜維度對(duì)植物及根系樣品的理化性質(zhì)、生化組分、生理狀態(tài)進(jìn)行綜合分析，為植物表型研究和生理生態(tài)研究提供了一種高效、無損的監(jiān)測(cè)手段。通過非接觸、非損傷、數(shù)字化和可視化技術(shù)，為植物地上及地下部位形態(tài)、生理生化特性及其與環(huán)境互作關(guān)系的研究提供了強(qiáng)有力的支持。

隨著高光譜成像技術(shù)與深度學(xué)習(xí)模型的結(jié)合，不僅能夠?qū)χ参矬w內(nèi)（地上冠層、地下根系）的重金屬含量進(jìn)行更精確的評(píng)估，而且為環(huán)境監(jiān)測(cè)和植物健康研究提供了新的可能性。展望未來，易科泰生態(tài)將繼續(xù)深耕于生態(tài)健康領(lǐng)域，為環(huán)境監(jiān)測(cè)和植物健康研究貢獻(xiàn)自己的力量！