2024年生物光学与智慧农业国际论坛参会有感

2024年6月9-12日,笔者有幸全程参加了2024年广州生物光学与智慧农业国际论坛,感受非常深刻、论坛围绕“跨界融合·未来农业”主题,精心设计了智慧农业发展战略,生物光学在植物工厂的应用,设施农业与园艺的智慧化转型,智能农机与无人化农场的最新进展等关键议题。此次论坛准备充分、精细,搭建了一个融合国内外顶尖科研力量的专业国际交流平台以及智慧农业信息交流平台。论坛充分展示了智慧农业领域的最新科研成果与科学动态,分享了当前智慧农业领域的最新成果与应用案例,促进了智慧农业科技跨界融合与创新发展,提升了智慧农业的社会认识度与影响力。

2024年生物光学与智慧农业国际论坛综述

2024年6月9-12日,由中国农业大学、中国农业机械化协会、广州光亚法兰克福展览有限公司联合主办,中国农业机械化协会智慧农业发展分会承办,中国农业工程学会、农业农村部设施农业工程重点实验室、广东省农业技术推广中心、华科资源协办的2024年生物光学与智慧农业国际论坛在广州顺利召开。国际论坛旨在探讨光电与AI技术在生物光学与植物工厂、设施园艺与畜牧工程、智能农机与无人化农场、智慧农业系统解决方案等领域的应用与案例,搭建一个融汇国内外顶尖科研力量的专业国际交流平台。本次会议主席由国家中药材产业技术体系智能化岗位科学家、中国农业大学贺冬仙教授担任。

生物光学成像技术在组织穿透性方面的研究进展

光学成像因灵敏度高、特异性强、无电离辐射、低成本、丰富的候选探针、可获取细胞/分子水平信息和可实时检测等优势,在临床前的基础研究和临床诊断与治疗领域具有巨大的应用价值。但由于生物组织对光子的高散射与高吸收特性,光学成像的组织穿透深度通常非常有限,很大程度上限制了其在深部病变活体生物医学检测方面的应用,研究者们对此做了大量的努力。随着科学技术的发展,光学技术的组织检测深度已覆盖微米到厘米甚至分米以上的范围,在生物检测、成像、诊断、术中导航等领域展现出了广阔的应用前景。该文从常见的光学成像技术入手,对荧光成像、生物/化学发光成像、光声成像以及拉曼成像在组织穿透性方面的研究进展进行了总结与讨论,并对这些光学成像技术未来在组织穿透方面的主要研究方向进行了展望。

新质生产力助力智农融合再升级——2024生物光学与智慧农业国际论坛成功举办

农业新质生产力是以科技创新为主导,通过涉农关键性或颠覆性技术的突破和应用,实现生产效率提升的农业先进生产力。在迎接现代农业发展、创造新质生产力的浪潮中,探索有效可行的发展路径很有必要。

发展智慧农业提升农业新质生产力——2024年生物光学与智慧农业国际论坛专家论道

在大数据、人工智能、云计算、无人驾驶等新兴技术快速发展的背景下,新质生产力(New Quality Productive Forces)成为2024年各界关注热词。6月9日,在广州举行的2024年生物光学与智慧农业国际论坛期间,来自中国、日本、新加坡、加拿大、美国等国家和地区的中外嘉宾与代表200余人,就光电与AI技术在生物光学与植物工厂、设施园艺与畜牧工程、智能农机与无人化农场、智慧农业系统解决方案等领域的应用与案例进行了热烈的探讨与分享。

科技创新加速数字技术与农业深度融合发展——2024年生物光学与智慧农业国际论坛成功举办

当前,新一轮科技革命和产业变革方兴未艾,人工智能、生命科学、新能源等前沿技术正在深刻改变着各产业的生产方式,引领发展新方向,开辟发展新赛道。落实到农业领域,就是通过涉农关键性或颠覆性技术的突破和应用,实现生产效率的提升。科技创新不仅拓宽了农业的时空边界,还能缓解耕地资源有限、人力成本上升等现实问题,符合现代农业高质量发展的要求。

2024年生物光学与智慧农业国际论坛参观侧记

2024年6月9日,由中国农业大学、中国农业机械化协会主办,中国农业机械化协会智慧农业发展分会承办,中国农业工程学会、农业农村部设施农业工程重点实验室、广东省农业技术推广中心、华科资源等单位协办的2024年生物光学与智慧农业国际论坛在广东省广州市成功召开。

近红外波段二类水体悬浮物生物光学反演模型研究

通过野外高光谱仪对二类混浊水体进行光谱测量,分析了400～1200nm范围内的水体光谱特性。显示高浓度悬浮物含量对水体总的反射率贡献较大,在近红外波段处的808和1067nm存在较为明显的悬浮物反射峰。基于对水体固有光学特性参数在近红外波段范围内的简化条件,建立了反演悬浮物浓度的生物光学模型经验公式,并通过与线性和指数反演公式的对比,进行了模型反演精度评价。分析结果表明,基于近红外波段的生物光学模型反演精度较高,可有效地提取二类混浊水体的悬浮物浓度信息。

悬浮颗粒物和叶绿素普适性生物光学反演模型

基于太湖、巢湖、滇池和三峡水库水体组分生物光学特性,根据辐射传输模型和神经网络优化算法建立悬浮颗粒物和叶绿素浓度优化生物光学反演模型.利用野外实测数据对优化生物光学算法进行检验,结果表明,该优化生物光学反演模型在一定程度上可以减少测量噪音对反演精度的影响.反演结果表明,受悬浮颗粒物和叶绿素生物光学特性时空差异影响,该优化生物光学反演模型在太湖、巢湖、滇池和山峡反演精度具有一定的差异,但总体上能够较为准确地反演悬浮颗粒物和叶绿素浓度.其中悬浮颗粒物反演精度(平均绝对误差:MAPE,均方根误差:RMSE)分别能够达到23%和15.13mg/L(样本数N=228),叶绿素反演精度(MAPE和RMSE)分别能够达到26%和17.68μg/L(样本数N=228).

基于生物光学模型的水体叶绿素浓度反演算法

文章提出了一种基于生物光学模型的二类水体叶绿素浓度反演算法。本算法根据生物光学模型,利用一系列已知各组分浓度的反射光谱计算各组分的吸收和后向散射系数,然后采用非负最小二乘法解得叶绿素浓度。研究是在实验室内进行了绿藻的培养,且在暗室内测定了具有不同叶绿素和非藻类悬浮物浓度的水体样本的反射光谱。并把实验室测得的反射光谱重采样到Landsat TM对应的波段以检验该算法在TM数据中的适用性,同时比较了利用不同TM波段组合反演叶绿素浓度和非藻类悬浮物浓度的精度。结果表明,对于绿藻而言,利用TM第二、三、四波段反射率数据的组合反演时的效果最好,叶绿素浓度反演结果的均方根误差为4.7μg.L-1,其精度明显优于传统的回归分析算法。

铜绿微囊藻和斜生栅藻生物光学模型

选取太湖"水华"优势藻类即蓝藻门中的铜绿微囊藻和绿藻门中的斜生栅藻作为研究对象,利用AC-S分别测量两种纯藻的吸收系数和散射系数对铜绿微囊藻和斜生栅藻的固有光学属性进行定性和定量分析,并建立其生物光学模型.结果表明:铜绿微囊藻的藻红蛋白吸收带和斜生栅藻的藻蓝蛋白吸收带的光谱吸收特性的差异性较为明显;粒径相对较小的铜绿微囊藻的包裹效应、吸收系数对散射系数的影响程度要明显小于粒径较大的斜生栅藻,铜绿微囊藻吸收系数的P-L模型的线性斜率和幂指数要大于斜生栅藻的吸收系数模型系数;由于散射系数受吸收系数影响程度的不同,使得散射系数光学模型变量因子具有一定的差异,受吸收系数影响较小的铜绿微囊藻的变量因子为波段比值λ_0/λ,λ_0为参考波长,而受吸收系数影响较大的斜生栅藻的变量因子为吸收系数比值a(λ_0)/a(λ),a(λ_0)为参考波段吸收系数,a(λ)为波长为λ的吸收系数,两种藻类的散射模型都符合国际上通用的S-P模型形式.

太湖水体悬浮颗粒物生物光学模型及MERIS数据反演

根据太湖悬浮颗粒物生物光学特性建立的悬浮颗粒物红外单波段生物光学模型具有明确的机理性.利用2006年至2009年野外实测悬浮颗粒物浓度和水体光学数据对该生物光学模型进行检验和分析.结果表明,悬浮颗粒物比后向散射系数的时空差异是影响总悬浮颗粒物生物光学模型精度的主要因素.总悬浮颗粒物在红外波长的吸收系数对总悬浮颗粒物生物光学模型精度也具有显著的影响.根据中分辨率光谱成像仪(MERIS)悬浮颗粒物反演结果和野外实测风速数据,太湖沉积物再悬浮将显著增加水体中悬浮颗粒物的含量.

近岸二类水体生物光学模型参数优化

为了优化生物光学模型中的悬浮物后向散射模型系数(bbx)和双向反射因子(f/Q),基于珠江口、韩江河口、徐闻珊瑚礁保护区实测数据(遥感反射率、叶绿素a质量浓度、悬浮物质量浓度、CDOM吸收系数),采用模拟退火算法同时优化了bbx以及f/Q(N=43),并开发了生物光学正演模型(N=22)。文章优化的f/Q为0.104 9,悬浮物在参考波长531 nm处后向散射系数bbx为0.268×[TSS]0.295。通过输入实测的水质数据模拟出531 nm处的遥感反射率,并外推到其他波段(412、443、490、551、667 nm)。模拟得到的531 nm处遥感反射率与实测值的均方根误差RMSE=0.000 8,N=22,除了模拟的667 nm处遥感反射率误差较大外(RMSE=0.003 6,N=22),其他波段都具有较好的精度(RMSE<0.002 3)。结果表明,该研究区与其他研究区(如黄、东海)的bbx和f/Q不一致,这2个参数需要根据研究区的数据进行优化。验证结果说明迭代优化的bbx以及f/Q能够适用于广东近岸河口生物光学参数模拟。

南海北部海区浮游植物粒级结构生物光学反演模型的验证与评价

浮游植物粒级结构是海洋生态系统中的一个重要生物学因子。基于生物光学参数反演浮游植物粒级结构变化是当前水色遥感研究的热点问题。本文综合南海北部海区多年航次调查数据,对现有几类反演算法进行了区域性优化和验证评价。根据叶绿素a浓度(Chl a)或浮游植物吸收系数(aph(443))的阈值可实现南海北部海区小型(Micro)和微微型(Pico)浮游植物主导的划分,微型(Nano)的判别精度较差。基于归一化吸收光谱提取的粒级指数可定性地表征浮游植物粒级结构的综合变化趋势。基于叶绿素a浓度的三组分模型,较好地模拟浮游植物粒级结构的变化规律,可实现分粒级叶绿素a浓度的定量反演,Pico粒级的反演精度较高;在此基础上,耦合浮游植物吸收光谱变化规律和总叶绿素a浓度定量反演粒级结构的模型,进一步提高了Micro和Nano粒级的反演精度,且线性相关程度增强。

基于Monte Carlo在体生物光学成像的光子传输模型

随着分子标记技术和光学成像技术的发展,在体生物光学成像倍受关注,并广泛应用于对生物组织的生理或病理过程的无损实时动态成像.研究生物组织中的光子传输模型和光子传输规律,是开展在体生物光学成像研究的两个关键环节.提出了一种基于Monte Carlo方法的在体生物光学成像中的光子传输模型.已知荧光光源参数、生物组织参数和探测器参数,建立荧光光源发射光子、光子在生物组织中传输的数学模型,并利用Monte Carlo方法实现这些模型.最后做了对比实验,实验结果表明了该算法的正确性和有效性.

在体生物光学成像技术的研究进展

在体生物发光成像和在体荧光成像是近年来新兴的在体生物光学成像技术,能够无损实时动态监测被标记细胞在活体小动物体内的活动及反应,在肿瘤检测、基因表达、蛋白质分子检测、药物受体定位、药物筛选和药物疗效评价等方面具有很大的应用潜力.本文详细介绍了在体生物发光成像和在体荧光成像的特点、系统及应用,比较了它们的异同,综述了在体生物光学成像技术的基本原理和应用领域,讨论了将其应用于临床的进一步发展方向.

基于生物光学算法的海洋悬浮粒子检测技术研究

通过研究分析海水中几种主要物质的固有光学特性,提出了基于生物光学算法的机载蓝绿激光雷达检测海洋悬浮粒子的方法。针对海洋悬浮粒子的两类代表物质浮游植物和非色素悬浮粒子,采用生物光学算法,分别构建了基于机载蓝绿激光雷达的浮游植物叶绿素浓度检测模型和非色素悬浮粒子浓度的检测模型。仿真计算可以证明这两个检测模型能有效探测出浮游植物叶绿素浓度的大小和非色素悬浮粒子浓度,为实际海洋悬浮粒子的检测提供理论基础和技术支持。

Lee生物光学模型在不同水体组分特性下的适用性

辐射传输模型和生物光学模型均可用于模拟水体遥感反射率.前者模拟精度高,但计算复杂,不利于水质参数的反演;后者简便易反演,但在浑浊水体中的模拟精度还有待进一步检验.本文通过设计大量不同组分浓度组成的水体,以辐射传输模型(即Hydrolight模型)模拟结果为真值,对生物光学模型(即Lee模型)模拟二类水体遥感反射率的精度进行了检验.结果表明:(1)除藻类悬浮物主导型水体外,Lee模型在所有波段的总体模拟误差在10%以内;(2)叶绿素a浓度反演算法常用波段光谱模拟误差较大;(3)刚好在水面以上与刚好在水面以下的遥感反射率显示出相似的模拟精度.

利用MODIS跟踪监测一个冷涡对海洋表层生物光学参数的影响

研究中尺度涡对海洋上层生物地球化学过程的影响已经得到越来越多的关注,水色遥感作为一个重要的工具可以为此提供大时空尺度的数据来源。基于南海区域性生物光学反演算法,对2007年1月底发源于吕宋海峡西南侧的一个冷涡进行跟踪监测。在冷涡生成初期,涡旋携带吕宋海峡高营养高生物量海水向西北方向移动,内部叶绿素a(Chl a)保持高浓度。冷涡停留期间(长达一个月),在涡致抽吸的持续作用下,冷涡内Chl a浓度由0.26mg×m^(-3)增长到0.33mg×m^(-3);而进入春季,涡旋外的Chl a浓度则由0.24mg×m^(-3)减小到0.15mg×m^(-3);颗粒有机碳(POC)浓度、浮游植物吸收系数(a_(ph(443)))、漫射衰减系数(K_(d(490)))与Chl a浓度的变化一致,而POC∶Chl a和微微型浮游植物所占的比例(F_p)则表现出与Chl a浓度相反的趋势。冷涡西移期间,随着涡致抽吸强度的降低及所携带的营养物质被不断消耗,涡内部Chl a浓度、POC浓度、a_(ph(443))、K_(d(490))逐渐降低,POC∶Chl a和F_p逐渐升高。结果表明,在平流作用和涡致抽吸共同作用下,冷涡所引起的光学响应可以用来帮助识别和跟踪涡旋。

基于细菌视紫红质生物光学功能材料的特性及应用研究进展

综述了细菌视紫红质(bR)的结构、光循环特性及天然 bR 的光子学特性的优缺点和人工改性 bR 聚合膜的研究进展等,简要说明了基于细菌视紫红质生物光学功能材料应用的研究进展。