答辩博士：杨昊霖
指导教师：汪小旵
论文题目：基于多源传感信息融合的草莓苗胁迫监测技术和装备研发
答辩委员会：
主席：鲁植雄教授/博导 南京农业大学
薛金林教授/博导 南京农业大学
蒋雪松教授/博导 南京林业大学
王新忠教授/博导 江苏大学
卢伟教授/博导 南京农业大学
秘书：戴芸南京农业大学
答辩时间：2025年11月30日 14:00
答辩地点：滨江校区12#B442
学位论文介绍：
设施农业条件下作物胁迫的快速监测与定量评估，是实现生长环境精准调控、保证作物产量与品质的前提。草莓苗叶片易受水分亏缺、土壤盐渍化及高温等环境因子影响，单一传感技术难以全面捕捉其形态–生理响应特征，导致胁迫识别精度与泛化能力不足。针对这一问题，本研究研发了一套基于多源传感信息融合的监测装备。综合利用热成像、叶绿素荧光成像、光谱以及数字图像等多种技术，系统探究水分、盐分、高温三种典型胁迫下草莓苗的多维响应机制，并开发了相应的监测装备，实现了胁迫信息的自动化提取与可视化。该装备在复杂背景下表现出的适应性和应用潜力，增加了设施条件下精准获得草莓苗冠层温度信息的可能，为受胁迫的草莓苗精准调控提供了可参考依据，其主要研究内容和结果如下：
（1）基于热成像与叶绿素荧光技术，系统分析了草莓苗在水分胁迫下的形态与生理响应特征，明确了不同水分条件对植株温度与光合活性的影响规律。研究设计了不同土壤含水量处理，利用数字图像技术监测叶面积动态变化，结果表明土壤含水量45–55 %时，叶片面积的增长幅度最大，土壤含水量55–65 %条件下的叶面积随时间出现下降趋势。通过引入热成像技术对冠层温度动态监测与可视化，揭示了叶片温度在空间上的变化规律，并通过探究不同水分处理下的温度分布情况，寻找冠层温度分布规律，发现不同处理的平均冠层温度呈现出“先升高后趋缓”的变化模式，空间分布呈现明显梯度，表现为茎秆温度 ＞ 叶基温度 ＞ 叶脉温度 ＞ 叶缘温度。结合叶绿素荧光动力学方法，探究了温度与荧光参数的耦合关系，表明非光化学淬灭与冠层温度具有较高相关性（决定系数为 0.70），热成像信息可作为水分胁迫下光合生理状态的评价参考。
（2）基于热成像与温度信息融合，构建了盐分胁迫下草莓苗相对叶绿素含量的预测模型，揭示了光谱特征对盐分胁迫响应的指示作用。试验结果表明从第3天开始光谱曲线出现显著分化，100 mmol/L NaCl和150 mmol/L NaCl处理的冠层温度分别升高了2.5 °C和3.1 °C，150 mmol/L NaCl处理在第5天达到峰值温度30.9 °C。传统回归模型（如偏最小二乘回归和和岭回归）在融合叶片温度后决定系数均有提升，其中100 mmol/L NaCl处理的提升最为显著，反映出中等胁迫下光谱与温度响应的敏感性和协调性。一维残差网络与叶片温度结合的模型，在各处理组均取得优于其他结构的表现，均方根误差（RMSE）在0.6000–1.236范围内，平均绝对误差（MAE）均小于1.05，而一维多尺度卷积神经网络与一维VGG网络对温度信息亦表现出较高依赖性。综合结果表明，叶片温度作为空间分辨率较高的局部指标，相较于环境温度更能反映盐分胁迫对植株水分调控与能量代谢的影响，多源融合能够显著增强模型对胁迫响应的建模能力。
（3）基于热成像与光谱技术，系统分析了草莓苗在高温胁迫下的温度与光谱响应特征，建立了高温胁迫的分类模型。在实验室内，结合相对叶绿素指标发现，光反射指数（RPI）是高温胁迫最为敏感指标，其中26–32 °C处理的建模效果最佳（决定系数为 0.798，RMSE = 2.418，MAE = 1.6），模型在各处理中保持较高的稳定性。进一步通过博弈论的方法对梯度树模型进行解释性分析，明确了光反射指数、增强归一化植被指数和温度差值等特征可在分类过程中起到核心作用。将实验室模型迁移至温室环境验证时，三项最重要特征均能有效区分胁迫水平，且迁移学习时的模型性能显著提升（决定系数均大于0.8），表现出较强的泛化能力。
（4）基于数字图像与热成像双相机融合技术，构建了多源传感融合系统，实现了草莓苗温度的自动提取与可视化监测。依托Jetson Nano实现了双相机的同步采集与自动控制，在复杂温室环境中准确提取并可视化叶片温度信息。标定与配准结果表明，95 %的标定板样品配准均方根小于0.2，整体RMSE指标处于较低水平，融合精度达到试验要求；改进后的分割模型较原始分割模型具有更快的收敛速度和更高的精度（平均交并比提升至95.68 %）；双相机融合系统与FLIR ONE相机的对比试验发现，二者在叶片平均温度、95 %分位温度以及温度标准差等指标上均无显著差异，所开发的装备在复杂背景的适应性与自动化程度上更具优势，在测温精度上能够满足研究与应用的需求，为草莓苗胁迫精准调控提供了实用化技术支撑。
主要创新点如下：
（1）构建了基于热成像与叶绿素荧光协同分析的草莓苗水分胁迫监测体系，从冠层温度和光合效率两方面揭示了胁迫条件下能量分配与光系统调节规律，建立温度—荧光分析模型，揭示了冠层温度与NPQ的定量耦合关系。依托双相机系统的自动分割与温度提取功能，实现了水分胁迫下光合生理状态的精准量化与可视化监测。
（2）将叶片与环境温度变量引入光谱建模过程，建立可同时反映光谱与热响应特征的多源融合模型，提升了盐分胁迫识别的可解释性与泛化能力，构建温度—光谱协同分析方法，实现盐分胁迫草莓苗生理特征解析。依托双相机融合系统的同步采集，完善多源信息的空间对应，为盐分胁迫监测提供了技术支撑。
（3）系统分析了高温胁迫下草莓苗的热响应特征，量化评估温度参数在分类模型中的贡献，明确温度分布特征在胁迫识别中的关键作用，并建立基于多参数特征的重要性排序方法，提升模型精度与跨场景适用性。结合双相机融合系统的高精度成像与自动分割功能，确保温度特征提取的空间一致性与测量稳定性。
