高光谱技术在园艺学科研究的文献分析

樊 丽，黄 云，胡 伟，张 辰，刘 艳

（1.内蒙古农业大学园艺与植物保护学院，内蒙古呼和浩特 010011；2.包头市绿缘生态开发有限责任公司，内蒙古 包头 014070）

高光谱技术起源于多光谱遥感技术，它利用光遇到物体时会被吸收并通过光的散射、反射和透射等形式得到该物体的特征光谱信息，然后识别出具有特征性的波谱，这种技术最先在军事方面应用较多，如今在各个领域中都有广泛的应用。高光谱技术是一种综合性技术[1]，随着高光谱技术的飞速发展，逐渐深入到果树学的研究中。在研究人员的不断努力下，高光谱技术在检测果树病虫害、产量预测、果实鉴定、品质分级、农药检测等方面都取得了显著的成果。随着智慧农业的推进和园艺产品商品价值的提高，高光谱技术在园艺学科中的应用也越来越广泛[2-4]。

高光谱技术集光谱学、机器视觉、计算机成像、近红外光谱学等多学科于一体，融合了成像技术和分光光度技术的特点[5]，获取的信息不仅包括二维空间场景的信息，还有光谱辐射和纵向分布的信息，共同创建了一个数据立方体[6]。高光谱技术已经兼具光谱技术和传统二维成像技术的优点，如高分辨率、超多波段和图像光谱集成等。随着信息技术的发展，高光谱技术已广泛地应用于地质勘探、地质测绘、植物生态、精准农业、环境监测、海洋遥感、食品质量保障等领域[7-9]。高光谱技术作为目前比较先进的新兴技术，利用不同地物光学性质对应不同的特征光谱来研究目标物的结构或确定化学成分，可以实现对园艺产品的无损检测[10-12]。高光谱技术是具有间隙变化曲线的无破坏性的分析，与化学计量法相比，通过光谱仪器检测不仅速度快、精度高，而且与被测物无接触、无损伤。如将高光谱技术应用于果实品质检测，则可以通过高光谱成像技术检测水果的大小、品质、病虫害侵染、农药残留等情况，对水果进行分类分级[13]。

文献计量法是描述、评价和预测某学科领域科技现状与发展趋势最为直接的分析方法，能有效避免常规方法总结文献资料时出现主观性强、无量化的缺陷，已被广泛用于农业、生态、环境、食品科学等诸多领域的态势分析，可以帮助读者客观地了解该领域的研究重点和发展趋势[14]。为了量化分析高光谱技术在园艺学科的研究现状，本研究采用文献计量法和知识图谱法，对中国知网（CNKI）收录的中文文献中高光谱技术在园艺学科的年发文量、研究主题、期刊来源分布、资助基金分布、高产作者和机构等进行了分析，以期更好地反映高光谱技术在园艺学科的最新研究趋势和进展，从而为高光谱技术与园艺学科的交叉融合及从事相关领域的科研人员和机构提供参考。

1 数据来源与检索方法

1.1 数据来源

本研究数据来源于中国知网（CNKI）收录的中文文献，检索时间截至2022年4月，以“高光谱”为主题进行检索，学科选择“园艺”，检索范围为中文文献，共检索到2005年1月—2022年4月符合条件的文献696篇。

1.2 分析方法

利用中国知网（CNKI）的可视化分析工具结合Excel和CiteSpace 5.8.R3软件，对检索到文献的年发文量、研究主题、期刊来源、资金资助、作者分布和发文机构进行可视化分析。

2 结果与分析

2.1 历年发文量分析

由检索结果可知，高光谱技术在园艺学科发表的第1篇文章始于2005年，是浙江大学叶昱程题为《基于多光谱图像的水果外观品质检测方法研究》的硕士学位论文，导师为浙江大学应义斌教授。2005年1月—2022年4月园艺学科共发表高光谱技术相关文献696篇，从文献类型分布看，发表的学术期刊论文415篇、学位论文267篇、会议论文13篇、科技成果1条。这些文献反映出我国园艺学科对高光谱技术研究的主要成果和发展趋势。由图1可知，2005年开始至2022年，高光谱技术在园艺学科上的年发文量呈现稳定的增长趋势。其中，2005—2011年增长较慢，2012—2016年年发文量增长较快，之后趋于平稳。2021年发文量为79篇，是2005—2022年发文量最多的一年。综上所述，高光谱技术仍是园艺学科当前的研究热点，总体年发文量偏少，理论研究和应用研究仍有很大的发展空间。

图1 园艺学科高光谱技术研究年发文量Figure 1 Number of publications of hyperspectral technology in horticulture

2.2 研究主题分布

关键词的出现频率在一定程度上代表了研究热点或学术前沿，反映了该学科的研究方向。由表1、图2可知，我国园艺学科关于高光谱技术文献的研究主题较广泛，主要包括高光谱、高光谱成像技术、无损检测、叶绿素含量、高光谱成像、高光谱图像、叶绿素、估算模型等相关的研究主题，直观地体现出高光谱技术在园艺学科的重点应用范围。由图2还可以直观地看出，高光谱技术是一项无损的成像检测技术，而传统检测手段是通过观察树体、树势、叶片、果实等生长状况来诊断病害。传统方法时间成本高、效率低，并且存在较多的误差因素，相比之下，高光谱无损检测技术在园艺学科的应用前景较广阔。

图2 关键词共现图Figure 2 Keyword co-occurrence map

2.3 期刊来源分布

期刊来源分布在一定程度上反映着某一学科在文献表现方面的集中度，是评价学科发展水平的重要指标之一。由表2可知，2005年1月—2022年4月在园艺学科高光谱技术研究的发文量大于或等于20篇的中文期刊有3个，共刊载171篇论文，占文献总量的17.24%。其中，发文量最多的期刊是《光谱学与光谱分析》，共发表文献56篇（占8.05%）；其次是《农业机械学报》，共发表文献34篇（占4.88%）。由此可知，在园艺学科关于高光谱技术发表的文章总体质量较好，研究水平较高。从文献分布的期刊类型来看，应用研究论文较多，基础研究论文较少，较侧重实践应用，但缺乏理论创新。

表2 园艺学科高光谱技术研究发文量前10位的期刊Table 2 Number of publications Top 10 journals of hyperspectral technology in horticulture

2.4 资助基金分布

根据检索结果可知，2005年1月—2022年4月我国园艺学科高光谱技术研究的696篇文献共获得30种国家级或省部级资助基金。由表3可知（仅列出前10个资助项目），资助最多的项目是国家自然科学基金，有244篇论文（占资助项目总数的35.06%），排名2、3、4位的资助基金是国家高技术研究发展计划、国家科技支撑计划和中国博士后科学基金，分别有74篇（占资助项目总数的10.63%）、56篇（占资助项目总数的8.05%）和25篇（占资助项目总数的3.59%）文献。由此可知，园艺学科关于高光谱技术研究的资助基金以国家部门为主导，以地方政府为辅助，也相对反映出国家层面高度重视该领域研究的科研投入。

表3 园艺学科高光谱技术研究发文量前10位的资助基金Table 3 Number of publications Top 10 funding funds of hyperspectral technology research in horticulture

2.5 作者和机构分布

研究机构是指有明确的研究方向和任务，且有一定水平的学术带头人和一定数量、质量的研究人员，并长期有组织地从事研究与开发活动的机构。对研究机构的统计可以反映出哪些机构在某一领域的研究中处于领先地位。在检索结果提供的信息数据基础上，合并相同机构的不同名称，以第一作者和机构的发文量重新排序，列出我国园艺学科高光谱技术研究发文量排名前10位的作者和机构。由机构发文量统计数据可知（表4、表5），发文量从多到少依次为山东农业大学、西北农林科技大学、新疆农业大学、浙江大学、江苏大学、石河子大学、华南农业大学、塔里木大学、山西农业大学和中国农业大学，总发文量为380篇，明显多于其他院校（占总文献的54.60%）。从作者发文量统计，该领域发文量最多的为浙江大学的何勇教授，发文量为22篇。发文量≥10篇的作者有10人，根据普莱斯理论可知[15]，核心作者是指在某一特定领域的期刊上发表过大量文章、具有较高影响力的一组作者，M=0.749（Nmax）1/2，Nmax为最高产作者的论文篇数，我国园艺学科高光谱技术研究的发文量≥4篇的即为核心作者，有39位，大多数来自我国农业类高校和科研机构，说明农业类高校和科研机构是园艺学科高光谱技术研究的核心力量。

表4 园艺学科高光谱技术研究发文量前10位的机构Table 4 Number of publications Top 10 institutions of hyperspectral technology in horticulture

表5 园艺学科高光谱技术研究发文量前10位的作者及单位Table 5 Number of publications Top 10 authors and affiliations of hyperspectral technology in horticulture

3 讨论与结论

随着智能化农业时代的到来，高光谱技术逐步应用于园艺学科中。高光谱技术在园艺学科上主要应用于果树病虫害检测、果树产量预测、果实内部品质无损检测、果实采收损伤检测及果实农药残留检测等方面[16-17]。因此，总结目前高光谱技术在园艺学科上的应用，发现存在的问题，并结合新时期果树产业发展的方向和应用需求，提出未来高光谱技术在园艺学研究中的发展趋势，则能够为高光谱技术在智慧果业中的深度应用提供参考。

基于中国知网（CNKI）中文数据库，采用文献计量法分析2005年1月—2022年4月我国园艺学科高光谱技术研究的相关文献可知，2012—2016年高光谱技术在园艺学科中发展较快，之后趋于平稳。研究深度和广度不断拓展，研究水平和层次有大幅度提升。

文献发表年度趋势和资助基金分布状况分析表明，我国园艺学科高光谱技术研究的发文量呈波动性增长趋势；资助基金以国家部门为主导，以地方政府为辅助。由此可知，高光谱技术在该领域的发展态势良好，国家级科研项目极大地推动了我国园艺学科高光谱技术的快速发展，尤其是国家自然科学基金、国家高技术研究发展计划和国家科技支撑计划，这与国家对园艺学科高光谱技术研究领域的支持政策密切相关。同时，必须加强地方政府对园艺学科中高光谱技术研究领域的扶持力度，通过增强地方园艺学科中高光谱技术研究的科研实力，带动地方特色园艺产业的发展。

由期刊来源分布、作者及其机构分布可知，我国园艺学科高光谱技术发文的主要期刊是工程类期刊，核心作者和机构大多来自国内农业类高校和科研院所。工程类期刊《光谱学与光谱分析》《农业机械学报》《农业工程学报》是我国园艺学科高光谱技术领域研究的主要期刊，也是工程类核心期刊，推动了该领域的研究和发展。核心作者及主要研究机构大多数来自山东农业大学、西北农林科技大学、新疆农业大学、浙江大学、江苏大学、石河子大学等农业类高校，科研团队相对稳定，形成了我国园艺学科高光谱技术领域的核心研究群体，支撑、引领该领域的发展。

由研究主题、学科领域和研究方向分析可知，我国对高光谱技术领域研究主要集中在园艺、农作物和农业基础科学的农业栽培管理，并重点体现在应用基础研究和技术研究。这些研究基本上以高光谱无损技术为研究中心，用以检测园艺产品品质、病虫害发生等。因此，除加强传统的以提高农作物产量和品质的研究中心外，还应极力发展精准农业技术，减少农业环境污染，促进我国园艺学科高光谱技术研究领域的可持续健康发展。此外，从高光谱数据中获得的空间和光谱信息还没有得到有效利用，尚未建立完整的光谱数据库。因此，在该领域的研究和发展仍有很大空间。随着高光谱技术的发展，在理论研究方面，高光谱技术在园艺学科上可以进行表观遗传学的研究，与基因组学、转录组学、蛋白组学、代谢组学等技术相结合，揭示园艺作物的生长发育机理、抗逆机理等。在应用研究方面，高光谱技术还可以继续拓展新的领域，检测更多的园艺作物种类，可以覆盖园艺作物生产的整个生长阶段，为智慧园艺的发展提供动力。