توصيفگر ها :
پسته , تشخيص جنسيت , تصويربرداري ابرطيفي , مدلسازي نرم و مستقل شباهتهاي بين كلاسي , شبكههاي عصبي مصنوعي , جنگل تصادفي
چكيده فارسي :
محصولات كشاورزي، بهويژه خشكبار، بهدليل ارزش غذايي بالا نقش مهمي در امنيت غذايي جهان دارند. در اين ميان، پسته با ارزش اقتصادي زياد و سازگاري بالا با شرايط خشك و نيمهخشك، از محصولات راهبردي بهشمار ميرود. از آنجا كه پسته گياهي دوپايه است، تعيين جنسيت تنها زماني ممكن است كه درخت وارد فاز زايشي شده و گل آذين خود را تشكيل دهد. علاوه بر اين، روشهاي مرجع تشخيص جنسيت معمولاً زمانبر، مخرب و پرهزينه هستند و امكان بررسي تعداد زيادي نمونه را بهصورت همزمان نميدهند. با توجه به اين كه جنسهاي نر و ماده مقاومت متفاوتي نسبت به بيماريها و تنشهاي غيرزيستي دارند. بنابراين، تشخيص جنسيت ميتواند در مديريت بهينه باغها مؤثر باشد. در اين پژوهش، توانايي روش تصويربرداري ابرطيفي (HSI) در تشخيص جنسيت درختان پسته مورد ارزيابي قرار گرفت. به اين منظور، از 40 درخت پسته نر و ماده متعلق به چهار ژنوتيپ بادامي زرند تيپ يك، بادامي زرند تيپ دو، بادامي نوق و قزويني واقع در مزرعه لورك، نمونههاي برگ پيش از تشكيل گلآذين در ارديبهشتماه سال 1404 جمعآوري شد. براي اطمينان از صحت جنسيت درختها، از دو روش آزمون رنگي و استخراج DNA استفاده شد. پس از تأييد جنسيت درختها، برگهاي جديد از همان درختها تهيه و تصاوير نمونهها در مد بازتابشي و با استفاده از سامانه HSI تهيه شدند. اين سامانه شامل اجزاي اصلي همچون شش منبع نور هالوژني با توان 50 وات و قابليت تنظيم شدت و دوربين ابرطيفي اسكن خطي مجهز به آشكارساز CCD است كه توانايي ثبت تصاوير ابرطيفي در بازه طولموج 400 تا 1100 نانومتر را دارد. بهمنظور تحليل تصاوير بدست آمده، پيشپردازشهاي لازم بر روي آنها انجام شد. بهمنظور آمادهسازي دادههاي طيفي، مجموعهاي از پيشپردازشها شامل نرمالسازي، تصحيح پراكنش افزاينده (MSC)، توزيع نرمال استاندارد (SNV) و مشتقگيري اعمال شد تا اثرات نويز و نوسانات ناخواسته در طيفها كاهش يافته و ويژگيهاي مؤثر طيفي بهتر نمايان شوند. در ادامه، دو رويكرد متفاوت تحليل طيفي شامل تحليل مبتني بر طيف ميانگين ناحيهي نمونه و تحليل پيكسل-مبناء بر اساس دادههاي طيفي هر پيكسل براي شناسايي و طبقهبندي نمونههاي نر و ماده بهكار گرفته شد. در روش تحليل مبتني بر طيف ميانگين از روشهاي مدلسازي نرم و مستقل شباهتهاي بينكلاسي (SIMCA)، جنگل تصادفي (RF) و شبكههاي عصبي مصنوعي (ANN) و در روش پيكسل-مبناء از روش ANN استفاده شد. در روش تحليل مبتني بر طيف ميانگين، مدلهاي SIMCA، RF و ANN توانايي بالايي در تفكيك جنسيت درختهاي پسته نشان دادند، بهطوري كه بهترين عملكرد در ژنوتيپ قزويني با استفاده از مدل ANN و دقت 100 درصد بهدست آمد، و دقت بين 27/87 تا 100 درصد قرار داشت. در روش تحليل پيكسل-مبناء، نتايج حاصل از مدل ANN براي طبقهبندي تصوير-مبناء مورد بررسي قرار گرفت و دقت طبقهبندي برگها بين 27/77 تا 100 درصد بود كه نشاندهنده توانايي مدل در تعميمپذيري و شناسايي جنسيت برگها در مجموعه نمونههاي بزرگتر است. بطور كلي، نتايج نشان دادند كه روش HSI بهعنوان روشي غيرمخرب، دقت بالايي در شناسايي جنسيت درختهاي پسته دارد و استفاده از مدلهاي RF و ANN در طبقهبندي طيفي، توانايي تفكيك جنسيت ارقام مختلف با دقت بالا را فراهم ميكند و اين روش ميتواند به عنوان ابزاري عملي در مديريت باغهاي پسته مورد استفاده قرار گيرد.
چكيده انگليسي :
Agricultural products, especially nuts, play an important role in global food security due to their high nutritional value. Among them, pistachio, with high economic significance and adaptability to dry and semi-dry conditions, is considered a strategic crop. Since pistachio is a dioecious plant, sex determination is only possible when the tree reaches the reproductive phase and forms its inflorescence. In addition, conventional methods for sex identification are usually time-consuming, destructive, and costly, and cannot evaluate a large number of samples simultaneously. Given that male and female plants exhibit different resistance to diseases and abiotic stresses, early sex identification can aid in optimal orchard management. In this study, the potential of hyperspectral imaging (HSI) for sex determination of pistachio trees was evaluated. For this purpose, leaf samples were collected in May 2025 from forty male and female pistachio trees of four genotypes—Badami Zarand Type 1, Badami Zarand Type 2, Badami Noogh, and Ghazvini—before inflorescence formation, located at the Lavark orchard. To confirm the sex of the trees, both staining tests and DNA extraction were applied. After confirming the sex, new leaf samples from the same trees were prepared and hyperspectral images were captured in the reflectance mode using the HSI system. This system consisted of six 50-W halogen light sources with adjustable intensity and a line-scan hyperspectral camera equipped with a CCD detector, capable of capturing images in the 400–1100 nm wavelength range. Necessary preprocessing steps, including normalization, multiplicative scatter correction (MSC), standard normal variate (SNV), and derivation, were applied to reduce noise and unwanted spectral variations and to enhance relevant spectral features. Two spectral analysis approaches were employed for classification of male and female samples: average spectrum-based analysis of sample regions and pixel-based analysis using spectral data of each pixel. In the average spectrum-based approach, soft independent modeling of class analogy (SIMCA), random forest (RF), and artificial neural networks (ANN) models were applied, while ANN was used for pixel-based analysis. The average spectrum-based models demonstrated high capability in distinguishing the sex of pistachio trees, with the best performance achieved for the Ghazvini genotype using ANN with 100% accuracy, and overall accuracy ranging from 87.27 to 100%. In pixel-based analysis, ANN-based image classification yielded accuracies between 77.27 and 100%, demonstrating the model’s generalizability and capability to identify leaf sex in larger datasets. Overall, results indicated that HSI, as a non-destructive method, provides high accuracy for pistachio sex determination, and the use of RF and ANN models in spectral classification allows accurate discrimination of different genotypes, making this approach a practical tool for pistachio orchard management.