高光譜圖像技術(shù)檢測(cè)黃瓜葉片的葉綠素葉面分布.pdf

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1、第39卷分析化學(xué)(FENXIHUAXUE)研究簡(jiǎn)報(bào)第2期2011年2月ChineseJournalofAnalyticalChemistry243～247DOl：10．3724／SP．J．1096．2011．00243高光譜圖像技術(shù)檢測(cè)黃瓜葉片的葉綠素葉面分布石吉勇鄒小波趙杰文殷曉平(江蘇大學(xué)食品與生物工程學(xué)院，鎮(zhèn)江212013)摘要以黃瓜葉片為材料，利用高光譜圖像技術(shù)結(jié)合獨(dú)立分量法(ICA)，研究了，葉綠素濃度葉面分布的快速、無(wú)損檢測(cè)方法。用高光譜相機(jī)采集了80片黃瓜葉子的高光譜圖像(408~1117nm)，利用ICA

2、方法提取了高光譜圖像的8個(gè)獨(dú)立分量信號(hào)，通過(guò)逐步線(xiàn)性回歸(SMLR)優(yōu)選出第1、第2和第5個(gè)ICA信號(hào)，并在此基礎(chǔ)上建立了葉綠素濃度回歸建模(R一0．904，RMSE=0．221)。此模型表征了高光譜圖像信號(hào)同葉綠素濃度的線(xiàn)性映射關(guān)系。提取黃瓜葉高光譜圖像所有像素點(diǎn)的第1、第2和第5個(gè)ICA信號(hào)，代人建立的葉綠素濃度模型中，快速計(jì)算出所有像素點(diǎn)對(duì)應(yīng)的葉綠素濃度，并用葉綠素濃度值代替對(duì)應(yīng)像素的圖像信號(hào)，最終得到了黃瓜葉片的葉綠素濃度分布圖。研究表明，利用高光譜圖像技術(shù)快速、無(wú)損檢測(cè)葉片葉綠素濃度及其葉面分布是可行的。關(guān)鍵詞

3、葉綠素分布；高光譜圖像；獨(dú)立分量分析；黃瓜葉片1引言參與光合作用的色素有葉綠素a、葉綠素b與類(lèi)胡蘿卜素等，其中葉綠素是吸收光能的物質(zhì)，直接關(guān)系到植被對(duì)光能的利用。葉綠素濃度和植被的光合能力、發(fā)育階段以及氮元素狀況有較好的相關(guān)性，通常作為氮素脅迫、光合作用能力和植被發(fā)育階段的指示器ll】。在植物生長(zhǎng)環(huán)境分析和長(zhǎng)勢(shì)監(jiān)測(cè)中，葉綠素濃度是非常重要的評(píng)估內(nèi)容之一。葉綠素的常規(guī)測(cè)定方法為分光光度法。該方法需進(jìn)行組織提取和吸光度的測(cè)定，既耗時(shí)間又損傷植被；另外，從田間到實(shí)驗(yàn)室的運(yùn)輸和樣本制備過(guò)程中很可能損失葉綠素，導(dǎo)致葉綠素濃度發(fā)生變

4、化。為了克服常規(guī)檢測(cè)手段的不足，研究者已對(duì)葉綠素的光譜檢測(cè)進(jìn)行了廣泛研究。李慶波等[41研究了基于可見(jiàn)光一近紅外光譜的植物葉綠素濃度檢測(cè)方法，得到了植物葉片葉綠素濃度和葉片吸收光譜的定量分析模型；趙祥等開(kāi)展了小麥葉綠素濃度的高光譜測(cè)量方法；SPAD葉綠素儀被廣泛用于檢測(cè)活體葉片的葉綠素濃度。以上方法可以對(duì)植物葉綠素濃度進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)，但是基于光譜的葉綠素檢測(cè)方法僅能檢測(cè)葉片某個(gè)點(diǎn)或者某個(gè)小區(qū)域的葉綠素濃度，對(duì)葉片所有區(qū)域的葉綠素濃度檢測(cè)則無(wú)能為力。為了實(shí)現(xiàn)葉綠素濃度葉面分布的快速、無(wú)損檢測(cè)，本研究提出基于高光譜圖像技術(shù)的檢

5、測(cè)方法。高光譜圖像不僅包含樣品在每個(gè)波段下的二維圖像信息，還包含樣本每相像素點(diǎn)的光譜信息。因此，高光譜圖像技術(shù)是一種集光譜信息和圖像信息于一體的技術(shù)，該技術(shù)起步于軍事領(lǐng)域，現(xiàn)已擴(kuò)展到地球遙感、醫(yī)療診斷及農(nóng)作物長(zhǎng)勢(shì)遙感監(jiān)測(cè)等方面。高光譜圖像技術(shù)是光譜分析技術(shù)和圖像處理技術(shù)在最低數(shù)據(jù)級(jí)層面的融合技術(shù)，兼有這兩種技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，既能對(duì)研究對(duì)象的外部特征進(jìn)行可視化分析，也能對(duì)內(nèi)部有效成分進(jìn)行定量預(yù)測(cè)。本研究采用獨(dú)立分量法(ICA)對(duì)高光譜圖像進(jìn)行數(shù)據(jù)降維和特征提取，將提取的ICA信號(hào)與葉綠素濃度進(jìn)行線(xiàn)性回歸，得到高光譜圖像信號(hào)同葉綠

6、素濃度的線(xiàn)性映射關(guān)系，根據(jù)此映射關(guān)系，計(jì)算高光譜圖像中所有像素點(diǎn)對(duì)應(yīng)的葉綠素濃度值，將葉綠素濃度值取代對(duì)應(yīng)像素點(diǎn)的圖像信號(hào)，從而得到整個(gè)葉面的葉綠素濃度分布圖。2實(shí)驗(yàn)方法2．1實(shí)驗(yàn)材料實(shí)驗(yàn)用水果黃瓜葉片采集于鎮(zhèn)江市京口區(qū)瑞京農(nóng)業(yè)科技示范園，品種為碧玉三號(hào)，共采集80片。201000312收稿；2010-0719接受本文系國(guó)家863項(xiàng)目(No．2008AAIOZ208)，國(guó)家自然科學(xué)基金(No．60901079)，江蘇省六大人才高峰，青藍(lán)工程項(xiàng)目，國(guó)家博士后基金，優(yōu)秀博士論文基金和江蘇省普通高校研究生科研創(chuàng)新計(jì)劃(No．C

7、X10B一2772)資助E-mail：zouxiaobo@ujs．edu．ca_244分析化學(xué)第39卷2．2高光譜圖像采集與標(biāo)定高光譜圖像數(shù)據(jù)用基于光譜儀的高光譜圖像系統(tǒng)采集。高光譜圖像采集系統(tǒng)見(jiàn)圖1，由基于圖像光譜儀的高光譜攝像機(jī)(ImSpector,V10E，芬蘭)、150W光纖鹵素?zé)?Fiber-LiteDC950Illuminator,DolanJennerIndus—triesInc，MA，美國(guó))、精密電控平移臺(tái)(Zolix，SC30021A，北京)和計(jì)算機(jī)等部件組成。為了防止基線(xiàn)漂移，數(shù)據(jù)采集前將高光譜圖像采

8、集系統(tǒng)打開(kāi)，預(yù)熱30min。數(shù)據(jù)采集時(shí)，將黃瓜葉平鋪在白色底板的電控位移臺(tái)上，設(shè)定高光譜攝相機(jī)曝光時(shí)間為45ms，電控平移臺(tái)的移動(dòng)速度為1．25mm／s，圖像掃描行數(shù)為600行／幅，每行掃描的像素點(diǎn)個(gè)數(shù)為1280，得到的高光譜圖圖1基于光譜儀的高光譜圖像系統(tǒng)像分辨率為600X1280；光譜范圍為4081117nm，光