农业智能化新纪元：高光谱遥感与AI技术的革命性融合！-电子发烧友网

一、引言

随着人工智能（AI）技术的快速崛起，AI与传统农业研究的深度融合正吸引全球的目光。而如今，DEEPSEEK正引领科技领域的热潮，成为众多行业智能化变革的关键驱动力。随着全球气候变化与智能科技的快速发展，中国农业生产领域正在经历深刻变革。高光谱遥感技术与AI的强强联合，农业领域研究迎来了前所未有的突破。智慧农业与精准农业已成为未来农业发展的重要方向。AI能高效处理和分析大量数据，通过AI算法精准解析高光谱遥感数据，农业专家能够细致了解作物的碳氮比、水分含量、营养成分等信息，还能通过深度学习精确监测作物生长、预测病虫害发展、检测农产品内部缺陷等关键因素，帮助农场管理者作出科学决策，提升产量和效率。从而有效提升农业生产的精准度和智能化水平，推动农业向现代化、自动化方向发展。这一技术革新，不仅为农业生产提供了更精细、智能的解决方案，也为农业的可持续发展奠定了更加坚实的基础。

二、高光谱遥感在农作物信息提取中的应用

2.1 农作物碳氮比

碳氮比在农作物生长过程中具有维持和调节作用，同时也控制着枯枝落叶的分解速率，是农业研究领域中必不可少的研究因素。如以小麦为研究对象，对近红外光谱内不同的光谱特征进行研究，可探究不同碳氮比对其营养品质的影响。王烁利用高光谱遥感影像对玉米冠层的光谱特征和优化光谱指数进行提取，结合叶绿素相对含量和叶片全氮含量信息，构建了玉米叶片氮含量估算模型，可为玉米长势动态监测和玉米施肥管理提供支撑。由此可见，结合高光谱影像与AI算法的融合应用，可以帮助农业研究人员高效评估作物的生长状况与施肥需求，支持精准农业的实施。

图1 不同生育期基于最佳原始光谱 BP 神经网络的玉米叶片氮含量估算模型精度检验

图2 不同生育期基于最佳一阶微分光谱 BP 神经网络的玉米叶片氮含量估算模型精度检验

2.2 农作物水分含量

水分是农作物的重要组成部分，通常占新鲜植物的 50% ~80%。水在近红外和短波红外 970、1200、1450、1950、2250 nm光谱通道内有显著吸收峰或吸收谷，使农作物叶片的光谱反射率有明显不同。如以小麦为研究对象，通过设立不同水分处理可知，510~780 nm或540~780 nm光谱附近为研究小麦水分状况的最佳光谱通道。肖莉娟等运用高光谱遥感植被指数对棉花的水分胁迫指数进行估算，对于棉花水分状况的研究有很大意义。由此可见，结合DEEPSEEK的AI图像识别技术，这种方法不仅提升了监测精度，还能实现实时反馈，支持农场管理者根据即时数据调整水分管理策略。

图3 棉花实测CWSI与RENDVI和CWSI相关模型估测CWSI的相关分析

2.3 农作物内部缺陷检测

农产品种类丰富，是人们日常生活中食物的主要来源。随着现代农业水平持续提高，人们对农产品品质的要求不断上升。农产品从生长到采摘运输过程中，由于各种因素影响，易在其内部形成不直接影响产品外观但影响其内在品质与安全性的各种问题和异常情况，即内部缺陷，如西瓜空心、土豆黑心等。农产品内部缺陷的存在会降低农产品的商品价值、增加产后处理成本、影响农产品的储存和运输，还会对食品安全构成威胁。现农产品内部缺陷检测是提高农产品品质的关键。传统检测方法破坏农产品才能进行检测，具有破坏性，且耗时费力，且结果具有较大的误差。近年来，结合高光谱遥感和AI技术的无损检测方法能在不对环境和农产品本身造成污染的前提下，AI技术创新使得图像处理与光谱分析能够结合起来，提供高效的农产品内部缺陷检测解决方案，帮助生产者提高产品质量并减少损耗。

三、农产品主要内部缺陷种类及原因

农产品内部缺陷种类繁多，成因复杂。依据形成内部缺陷的成因进行划分，可分为生理性缺陷、病理性缺陷、机械性缺陷等，还有部分内部缺陷成因复杂，难以准确归入某一类（如表 1 所示）。

表 1 农产品主要内部缺陷类型

基于光学特性的农产品无损检测技术是指利用光与农产品之间相互作用所表现出来的光学现象与特性（如透射率、散射率及反射率等），通过特定设备从农产品本身或图像中提取信息进行检测、评估与分析，且不会对被检测对象造成损伤，最终确定农产品内部品质（包括内部缺陷、损伤等）的一种技术。近年来，图像处理技术快速发展，使得基于光学特性的无损检测技术广泛应用于花生、番茄、土豆等多种农产品内部缺陷的检测、评估与分析。农产品内部缺陷会导致其内部成分分布和物理结构发生变化，从而使得其在特定波长下的光谱反射、传播路径、吸收和散射特性等发生改变，这些变化会反映在光谱特征上，再通过对光谱和图像数据进行分析处理，比较差异，即可实现内部缺陷检测。

四、多技术融合、人工智能在农产品内部缺陷无损检测中的应用

农产品内部缺陷无损检测领域正经历着深刻的变革。在追求高效、精准的无损检测方法过程中，多技术融合与人工智能的应用逐渐兴起。将人工智能与多技术融合应用于农产品内部缺陷的无损检测，不仅能够提高检测的准确性和效率，还能适应复杂多样的农产品种类和检测环境，为农产品内部缺陷无损检测的发展带来了新的机遇和挑战。

4.1 多技术融合在农产品内部缺陷无损检测中的应用

多技术融合是一种利用多种无损检测技术相融合来提高检测准确性和可靠性的方法。通过将不同无损检测技术优势融合，实现多个缺陷类型同时表征，以达到更全面高效、准确的检测。常见的应用于农产品内部缺陷无损检测的多技术融合包括近红外光谱技术和机器视觉技术融合、超声波与计算机断层扫描（CT）技术融合、高光谱成像技术和机器视觉技术融合等。LIU 等将可见-近红外光谱技术与振动声学技术融合对苹果霉心病进行检测，发现结合振动谱和 Vis/NIR 光谱数据的分类模型与使用单个振动谱或 Vis/NIR 光谱数据的分类模型相比，识别精度具有显著优势，且准确率高达 99.31%。LIU 等将高光谱成像技术与电子鼻技术相融合对草莓早期腐烂进行检测，结果表明，融合模型的预测性能优于基于单数据集（HSI 或 E-nose）的模型，最佳预测模型的 RP值达到了 0.925。展慧等提出了一种基于机器视觉和 NIR 光谱的融合技术用于检测板栗霉烂、虫害等内部缺陷，建立了 3 层 BPNN 模型，结果显示准确度为 90%，相较于单一技术（近红外光谱技术或机器视觉技术）均有所提高。

表2 多技术融合在农产品内部缺陷的无损检测中的应用

4.2 人工智能在农产品内部缺陷无损检测中的应用

人工智能（AI）包括机器学习、计算机视觉、自然语言处理、语言识别、图像识别等，其在农产品内部缺陷检测中主要应用于图像分析和模式识别，最常利用的是 AI 中的机器学习算法，特别是深度学习算法，深度学习是机器学习的一个高级子集。AI 技术通过使用深度学习算法，可以识别农产品图像中代表缺陷的细微特征，快速处理和分析大量复杂检测数据，还可通过学习和适应不同的环境条件，使得无损检测过程自动化，效率、准确性、可靠性均得到极大提升。基于机器学习的无损检测通常采用 SVM、KNN 等建模方法，基于深度学习的无损检测利用神经网络（包括 CNN、LSTM、cGAN、ANN、BPNN 等）来分析和解释来自传感器的数据，包括视觉、红外线和声学信号等。

表3 AI 在农产品内部缺陷无损检测中的应用

四、总结

随着全球气候极端事件的增多，农作物长势监测和信息提取的需求急剧上升。高光谱遥感技术，作为一种有效的农业研究工具，已经取得了初步成效，尤其在与人工智能结合后展现出了巨大的潜力。虽然当前的技术尚有待完善，但在未来，结合新一代信息技术、人工智能和大数据等先进技术，高光谱遥感有望为农业智能化发展提供突破性支持，满足人们对高品质农作物和高效农业生产的需求。

在这一过程中，人工智能将发挥关键作用，特别是在农作物监测和信息提取领域。通过高光谱遥感技术与人工智能、大数据等技术的深度融合，农业生产将变得更加智能化和精准化。人工智能能够在海量农业数据中迅速识别出规律和趋势，帮助农民实时监测农作物的生长状况、预测未来的生长趋势，并及时调整农业管理措施。这不仅能够提升作物产量，还能实现资源的优化利用，从而推动可持续农业发展。

未来，人工智能还将在农作物信息提取精度方面发挥更大作用。结合高光谱遥感技术与无人机、人工智能和大数据，农业专家将能够更加精确地提取农作物的碳氮比、水分信息等，从而更好地了解农作物的生长状态和营养品质。这为农作物培育、病虫害预测及产量估算提供了可靠的数据支持，并为农业生产提供科学决策依据。

随着人工智能、大数据、云计算等技术的不断发展和普及，农业生产将进入一个更加智能、自动化的新时代。农业智能化的普及不仅能提高生产效率，还能够实现精准农业管理，减少对环境的负面影响，促进资源的可持续利用。通过技术的创新和不断优化，未来的农业将更加高效、精准，能够满足全球对优质农产品日益增长的需求，推动农业现代化进程。

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