Application of Sparse Gaussian Process Regression Model Based on Near-infrared Spectroscopy for Soybean Seed Germination Rate Prediction

CHEN Wen; CHEN Zheng-guang; LIU Shuo; LIU Jin-ming; WANG He

doi:10.12452/j.fxcsxb.250516363

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Application of Sparse Gaussian Process Regression Model Based on Near-infrared Spectroscopy for Soybean Seed Germination Rate Prediction

Special Column on the 30-Year Development of Near-Infrared Spectroscopy in China | 更新时间：2025-11-05

- Application of Sparse Gaussian Process Regression Model Based on Near-infrared Spectroscopy for Soybean Seed Germination Rate Prediction
- Journal of Instrumental Analysis Vol. 44, Issue 10, Pages: 2079-2086(2025)
- 作者机构：
  
  黑龙江八一农垦大学信息与电气工程学院，黑龙江大庆 163000
- 作者简介：
- 基金信息：
- DOI：10.12452/j.fxcsxb.250516363
  CLC： O657.3
- Received：16 May 2025，
  
  Revised：2025-06-17，
  
  Accepted：01 July 2025，
  
  Published：15 October 2025
- 稿件说明：
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陈雯,陈争光,刘烁,刘金明,王河.基于近红外光谱技术的稀疏高斯过程回归模型在大豆种子发芽率预测中的应用[J].分析测试学报,2025,44(10):2079-2086.

CHEN Wen,CHEN Zheng-guang,LIU Shuo,LIU Jin-ming,WANG He.Application of Sparse Gaussian Process Regression Model Based on Near-infrared Spectroscopy for Soybean Seed Germination Rate Prediction[J].Journal of Instrumental Analysis,2025,44(10):2079-2086.
陈雯,陈争光,刘烁,刘金明,王河.基于近红外光谱技术的稀疏高斯过程回归模型在大豆种子发芽率预测中的应用[J].分析测试学报,2025,44(10):2079-2086. DOI： 10.12452/j.fxcsxb.250516363.

CHEN Wen,CHEN Zheng-guang,LIU Shuo,LIU Jin-ming,WANG He.Application of Sparse Gaussian Process Regression Model Based on Near-infrared Spectroscopy for Soybean Seed Germination Rate Prediction[J].Journal of Instrumental Analysis,2025,44(10):2079-2086. DOI： 10.12452/j.fxcsxb.250516363.

摘要

为实现大豆种子发芽率的快速检测，该研究收集了16个不同种类共350个大豆种子样本，其中14个品种利用人工老化的方法获取8个不同活性梯度的样本，剩余2个品种为自然老化的样本，采集光谱数据后进行发芽试验获取其发芽率数据。采用蒙特卡洛交叉验证法（MCCV）结合偏最小二乘回归（PLSR）剔除异常样本，选择Savitzky-Golay卷积平滑结合标准正态变量变换（SG+SNV）方法对光谱数据进行预处理，然后使用无信息变量消除法（UVE）进行特征波长的选择。将基于稀疏高斯过程回归（SGPR）方法拓展至小样本、高维度样本数据的应用场景，并对比不同核函数对模型性能的影响。为验证SGPR模型优越性，同时建立高斯过程回归（GPR）、支持向量回归（SVR）和PLSR三类对照模型。结果表明：优化后的SGPR-Matern32模型在训练集（

²=0.973 7，RMSE=0.045 4）、验证集（

²=0.949 8，RMSE=0.065 0）和测试集（

²=0.963 6，RMSE=0.069 4）均表现出较优的预测性能，且建模效率较传统的GPR大幅提升。研究证实，近红外光谱技术结合SGPR-Matern32建模方法可显著提高大豆种子发芽率的检测效率与精度，为实现大豆种子活力无损检测提供了可靠的技术手段。

Abstract

Germination rate is an important indicator for evaluating soybean seed vigor，which will directly affect the soybean harvest. In order to realize the rapid detection of soybean seed germination rate，a total of 350 soybean seed samples from 16 different species were collected. Among them，14 varieties were obtained with 8 samples of different activity gradients by artificial aging，and the remaining 2 varieties were samples of natural aging. The germination rate data of each sample were acquired by a germination test subsequent to the collection of spectral data. Anomalous samples were removed by using a combination of partial least squares regression（PLSR） and Monte Carlo cross-validation（MCCV），the Savitzky-Golay combined with the standard normal variat

e（SG+SNV） method was chosen to preprocess the spectral data，then uninformative variable elimination（UVE） was used for the selection of the characteristic wavelengths. In this study，the sparse Gaussian process regression（SGPR） method was extended to the application scenario of small samples，application scenarios of high-dimensional sample data，as well as the effects of different kernel functions on the performance of the model. In order to verify the superiority of the SGPR model，three types of control models，Gaussian process regression（GPR），support vector regression（SVR），and PLSR，were simultaneously established. The experimental results showed that the optimization SGPR-Matern32 model exhibits better prediction performance in the training set（

²=0.973 7，RMSE=0.045 4），validation set（

²=0.949 8，RMSE=0.065 0），and test set（

²=0.963 6，RMSE=0.069 4），and the modeling efficiency is significantly improved compared with the regular GPR model. This study confirms that the near-infrared spectroscopy technique combined with the SGPR-Matern32 modeling method can significantly improve the detection efficiency and accuracy of soybean seed germination rate，and provides a reliable technical means to realize the nondestructive detection of soybean seed vigor.

关键词

Keywords

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