估測(cè)田間煙葉色素含量的光譜模型研究.pdf

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1、第３５卷，第６期光譜學(xué)與光譜分析Vol.３５，No.６，pp１６５４‐１６５９２０１５年６月SpectroscopyandSpectralAnalysisJune，２０１５估測(cè)田間煙葉色素含量的光譜模型研究１１２２３１２*任曉，勞彩蓮，徐照麗，晉艷，郭焱，李軍會(huì)，楊宇虹１．中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)現(xiàn)代精細(xì)農(nóng)業(yè)系統(tǒng)集成教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京１０００８３２．云南省煙草農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院，云南昆明６５００２１３．中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，北京１００１９３摘要田間煙葉色素含量的光譜無(wú)損快速測(cè)量，對(duì)煙草營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)期的營(yíng)養(yǎng)診斷與長(zhǎng)勢(shì)監(jiān)測(cè)、成熟期的煙葉品質(zhì)評(píng)判具有重要的生產(chǎn)指導(dǎo)意義。該研究的目的是利用煙葉田間光譜估測(cè)煙葉

2、的葉綠素和類胡蘿卜素含量。研究采集了營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)期和成熟期煙葉田間反射光譜，測(cè)量了樣品煙葉的色素含量，利用支持向量機(jī)（SVM）和光譜指數(shù)法，對(duì)營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)期和成熟期煙葉樣品用分期建模和混合建模兩種方法建立色素含量估測(cè)模型，并對(duì)模型的預(yù)測(cè)性能進(jìn)行比較。研究結(jié)果表明，分期建模和混合建模對(duì)于煙葉色素含量的估測(cè)效果差異不顯著。對(duì)于葉綠素含量，SVM和光譜指數(shù)法均有較好的估測(cè)效果；對(duì)于類胡蘿卜素含量，SVM方法比光譜指數(shù)法具有更高的估測(cè)精度。采用SVM方法對(duì)煙葉樣品的葉綠素含量分期建模得到的估測(cè)決定系數(shù)和均方根誤差分別為０.８６２９和０.０１５５，對(duì)葉綠素含量混合建模得到的估測(cè)決定系數(shù)和均方根誤差分別為０.８

3、９８５和０.０１２３；采用SVM方法對(duì)煙葉樣品類胡蘿卜素含量分期建模得到的估測(cè)決定系數(shù)和均方根誤差分別為０.８７３０和０.００２４，對(duì)類胡蘿卜素含量混合建模得到的估測(cè)決定系數(shù)和均方根誤差分別為０.８５２７和０.００２４。該研究的創(chuàng)新點(diǎn)是通過(guò)支持向量機(jī)和光譜指數(shù)法采用分期建模以及混合建模的方式建立了煙葉樣品色素含量的估測(cè)模型，為煙草田間生產(chǎn)的質(zhì)量控制、煙葉的采收品質(zhì)保證提供科學(xué)依據(jù)和技術(shù)支持。關(guān)鍵詞煙葉；色素；反射光譜；模型；支持向量機(jī)中圖分類號(hào)：S５７２文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：ADOI：１０.３９６４／j.issn.１０００‐０５９３（２０１５）０６‐１６５４‐０６法則具有明顯的優(yōu)勢(shì)。光譜分析技術(shù)因其無(wú)

4、損、快速、高效引言等優(yōu)勢(shì)，近年來(lái)已被廣泛應(yīng)用于建立植物色素含量的光譜估測(cè)模型。植物的葉綠素含量與植物的光合能力及生長(zhǎng)發(fā)育狀況密由于植物葉片反射光譜在可見光范圍主要受色素含量的［１］切相關(guān)，可作為評(píng)判植物營(yíng)養(yǎng)生理狀態(tài)的一個(gè)重要指標(biāo)。影響，因此可用葉片的反射光譜來(lái)估測(cè)色素含量。國(guó)內(nèi)外學(xué)［５］［６］類胡蘿卜素則具有保護(hù)葉綠素的功能，其可以參與葉黃素的者通過(guò)對(duì)楓樹、甜栗子等植物的研究，發(fā)現(xiàn)對(duì)葉綠素和循環(huán)過(guò)程，消耗葉片吸收的過(guò)剩光能，從而避免光合系統(tǒng)受類胡蘿卜素最敏感的波段是５５０nm附近、７００nm附近以及［２］到傷害。另外，類胡蘿卜素在高等植物葉綠體中還發(fā)揮著７５０nm以上的近紅外波段，并提出了多

5、種與植物葉片色素［７］重要的結(jié)構(gòu)作用，可以保護(hù)類囊體膜免受過(guò)氧化反應(yīng)的損含量相關(guān)的光譜指數(shù)。近年來(lái)隨著數(shù)據(jù)分析處理技術(shù)的發(fā)［３］［８］［９］［１０］傷，從而增強(qiáng)維生素E所提供的光保護(hù)。煙草葉片的色素展成熟，通過(guò)PLS、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、支持向量機(jī)等方法建含量是影響煙葉品質(zhì)的重要成分，煙葉的葉綠素含量與評(píng)吸立的葉片色素含量估測(cè)模型也在蘋果、水稻等植物上得到廣得分呈負(fù)相關(guān)，而類胡蘿卜素含量則與各項(xiàng)評(píng)吸得分呈顯著泛應(yīng)用。支持向量機(jī)（supportvectormachine，SVM）是Vap‐［４］［１１］正相關(guān)。因此，明確煙草葉片的色素含量變化規(guī)律對(duì)于提nik和Cortes提出的基于VC維理論和結(jié)構(gòu)風(fēng)險(xiǎn)最

6、小化原高煙草產(chǎn)質(zhì)量具有重要意義。傳統(tǒng)的煙葉色素檢測(cè)主要采用理的一種新的機(jī)器學(xué)習(xí)方法，它在小樣本、非線性等方面具化學(xué)方法，需要采摘葉片，費(fèi)時(shí)費(fèi)力且破壞煙草生長(zhǎng)，無(wú)法備傳統(tǒng)學(xué)習(xí)方法所沒(méi)有的優(yōu)越性，比神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法有更加嚴(yán)滿足高效生產(chǎn)管理的需要?？焖贌o(wú)損測(cè)定煙葉色素含量的方格的數(shù)學(xué)理論基礎(chǔ)，因此采用SVM方法建立光譜分析模型收稿日期：２０１４‐０３‐２８，修訂日期：２０１４‐０７‐０５基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（４１０７１２０５），中國(guó)煙草總公司項(xiàng)目（１１０２０１１０２００８）資助作者簡(jiǎn)介：任曉，女，１９９１年生，中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院碩士研究生e‐mail：renxiao１９９１９１７

7、＠１２６．com*通訊聯(lián)系人e‐mail：toyyred＠２６３．net第６期光譜學(xué)與光譜分析１６５５具備明顯的優(yōu)勢(shì)和應(yīng)用前景。到高維空間，在這個(gè)空間進(jìn)行回歸分析，建立光譜數(shù)據(jù)與色目前這類新型建模方法的研究多集中在小麥、玉米、水素含量的估測(cè)模型。設(shè)定煙葉樣品集D＝｛（xi，yi），i＝１，n稻等以花和果實(shí)為最終收獲對(duì)象的窄小葉型作物上。煙草是…，n｝，其中xi∈R，yi∈R為第i個(gè)樣品數(shù)據(jù)，則SVM回以葉片為