高光譜技術(shù)分析茶樹葉片中葉綠素含量及分布

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1、萬方數(shù)據(jù)第31卷≯2背光譜學(xué)與光謄分析v01Fc’3b1,rNuaor．y2，,p2p0511122012SpectroscopyandSpectraAnalysis。515年月1Fcbruary，zoll高光譜技術(shù)分析茶樹葉片中葉綠素含量及分布趙杰文1，王開亮1，歐陽琴1，陳全勝2’1．江蘇大學(xué)食品與乍物工程學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江2120132．中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃所，農(nóng)業(yè)部作物營養(yǎng)與施肥重點開放實驗室，北京100081摘要植物葉片葉綠素含量及分布是植物營養(yǎng)信息表達的一個重要指標(biāo)。以茶樹為研究對象

2、，利用高光譜技術(shù)分析茶樹葉片中葉綠素含量及其分布。通過采集茶樹鮮葉的高光譜圖像，利用7種不同的算法從高光譜數(shù)據(jù)中提取相應(yīng)的特征參數(shù)，并根據(jù)特征參數(shù)和葉綠索含量的參考測饋值分別擬合出相應(yīng)的預(yù)測模型。結(jié)果顯示，二次土壤調(diào)節(jié)植被指數(shù)算法提取的特征參數(shù)最佳，預(yù)測模型校正集和預(yù)測集的相關(guān)系數(shù)尺分別為0．8433和0．8323，最小均方根誤差分別為9．918和8．601。最后根據(jù)預(yù)測模型估計葉片E任意像素下葉綠素的含雖，并通過偽彩手段描述葉片中葉綠素含量的分布。研究結(jié)果表明，利用高光譜成像技術(shù)分析茶樹葉片中葉綠素含

3、量及其分布是可行的。關(guān)鍵詞高光譜成像技術(shù)；茶樹葉片；葉綠素；二次土壤調(diào)節(jié)植被指數(shù)中圖分類號：TP391．4文獻標(biāo)識碼：ADOI：10．3964／j．issn．1000-0593(2011J02—0512-04引言葉綠素足植物體進行光合作用、進行第一性生產(chǎn)的霞要物質(zhì)，葉綠素含量能I．日J接反映植物的牛長狀況與光合作用能力【lJ；同時，葉片中葉綠素含量及其分布與植物的營養(yǎng)缺素狀況密切相關(guān)，因此，植物葉片中葉綠素含鼉及分布町作為評判植物營養(yǎng)牛理狀態(tài)的一個葦要指標(biāo)。常規(guī)的葉綠素測定方法是分光光度計法，但該方法步

4、驟繁瑣，費時費力。近年來，便攜式葉綠素儀和遙感技術(shù)在葉綠素含量的檢測}：得到越來越多的關(guān)注[2“。盡管這些方法與傳統(tǒng)的葉綠素檢測方法相比具有顯著優(yōu)勢，但也表現(xiàn)出一定的缺陷。高光譜成像技術(shù)集光譜分析和圖像處理于一身，現(xiàn)已在軍事、醫(yī)藥和精細農(nóng)業(yè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。由于高光譜成像技術(shù)是光譜分析技術(shù)和圖像處理技術(shù)在技術(shù)層面上的融合技術(shù)，基于這兩種技術(shù)的優(yōu)勢，高光譜成像技術(shù)不僅能研究對象的內(nèi)部成分含量，還叮對其分布進行可視化分析。本研究以茶樹為研究對象，采集茶樹葉片高光譜圖像數(shù)據(jù)。提取相應(yīng)的光譜特征變量，并與常

5、規(guī)方法檢測得到的葉綠素含量相。廷聯(lián)，建立茶樹葉片葉綠素含鼉預(yù)測模型；最后通過模型估計出葉片上任意像素下的葉綠素含量，通過偽彩手段描述葉片1-．葉綠素的分布狀況，以便于從圖像角度更直觀分析茶樹營養(yǎng)狀況‘引。1材料與方法1．1試驗材料試驗所用的樣本茶樹葉片，分別從鎮(zhèn)江市京口區(qū)3個不同茶園中的不同茶樹上隨機采集得到的，剔除了病蟲害葉片，一共采集r90個葉片樣本。其中60個樣本校正集用于模型校正，另外一組為30個樣本用于模型的驗證。1．2數(shù)據(jù)采集高光譜圖像數(shù)據(jù)是基于光譜儀的高光譜圖像系統(tǒng)采集得到的?；趫D像光譜

6、儀的高光譜圖像采集系統(tǒng)由基于圖像光譜儀的高光譜攝像機(ImSpector，VIOE，芬蘭)，一套150W光纖鹵素?zé)?Fiber-LiteDC950Illuminator，DolanJennerIn-dustriesInc，MA，美閨)，一套包括控制裝置的移動平臺(ZoLix，SC30021A，北京)和計算機等部件組成，如圖1所示。試驗數(shù)據(jù)采集過程中，將茶樹葉片平鋪在白色底板的輸送臺上進行高光譜圖像采集。設(shè)定高光譜系統(tǒng)攝相機曝光時問為50tIls，輸送裝置的速度為1．25mill·s～。試驗采用的收稿日期

7、：2010-05—16．修訂日期：2010-08‘22基金項目：國家自然科學(xué)基金項目(30800666，30971685)，江蘇省自然科學(xué)基金項目(BK2009216)和農(nóng)業(yè)部作物營養(yǎng)與施肥重點實驗室開放基金項目資助作者簡介：趙杰文，1945年生，江蘇大學(xué)食品與生物工程學(xué)院教授*通訊聯(lián)系人e-mail：chenjian90518@yahoo．com．en萬方數(shù)據(jù)第2期光譜學(xué)與光譜分析高光譜攝像頭的罔像分辨率為400×1280，光譜范Ⅲ是408～1117?*#^日％∞067ml。％1Hmm”cIrm¨sy

8、stembasedoⅡ5DEd—koI3高光譜圖像標(biāo)定由f光埠舯A度分布*均勻及暗電漉噪音的存在．造成在兜埠強度分缸杖弱的波段下獲得的圖像含有較大的噪音。凼此．帶要對所戡}4的高光譜圖像進行黑白標(biāo)定“5“。在與樣66采集／f114的系坑條件F，掃描標(biāo)準(zhǔn)白色幢m板得到全白的標(biāo)定幽像w．蓋州相機快¨進行圖像果熊得到壘黑的標(biāo)定罔像B完成高光J*劇像的標(biāo)定使采集得到的絕對圖像I孌成Hl時嘲掉RR；糕㈣1．4數(shù)據(jù)計算喪l列?故段比植被指教ratio”