烤煙　K326色素含量的高光譜估測(cè)研究

黃 智，昌宏濤，陳建國(guó)，朱列書(shū)*

（1湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)生物科學(xué)技術(shù)學(xué)院，長(zhǎng)沙　410128；2湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，長(zhǎng)沙　410128）

烤煙K326色素含量的高光譜估測(cè)研究

黃 智1，昌宏濤2，陳建國(guó)2，朱列書(shū)2*

（1湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)生物科學(xué)技術(shù)學(xué)院，長(zhǎng)沙410128；2湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，長(zhǎng)沙410128）

通過(guò)大田試驗(yàn)，研究了烤煙K326葉片色素含量與冠層高光譜之間的關(guān)系，構(gòu)建了以高光譜參數(shù)為自變量的烤煙葉片色素含量的診斷模型。結(jié)果表明:冠層光譜反射率與葉綠素a、葉綠素b、葉綠素a+b、類胡蘿卜素含量顯著相關(guān)的波段分別有769、797、782和818個(gè)，其中90%以上的波段呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，相關(guān)性最高的波段分別為1 846、1 846、1 846和1 843 nm。各色素含量均與高光譜參數(shù)SDy的相關(guān)性最高，構(gòu)建的函數(shù)模型分別為:y= 10373x2+1096.2x+29.803、y=-0.0023x3-0.0256x2+0.0559x-0.0665、y=13387x2+1421x+38.803和y= 10.451e76.029x。經(jīng)差異性檢驗(yàn)，估測(cè)值和實(shí)測(cè)值未達(dá)到顯著水平，表明利用高光譜技術(shù)進(jìn)行烤煙葉片色素含量的監(jiān)測(cè)是可行的，可為煙田科學(xué)管理及決策提供技術(shù)支持。

烤煙；色素；冠層反射光譜；高光譜參數(shù)；診斷模型

隨著植物遙感技術(shù)的快速發(fā)展，以光譜技術(shù)為核心的無(wú)損測(cè)試技術(shù)成為研究的熱點(diǎn)［1］。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)水稻［2］、小麥［3］、玉米［4］、棉花［5］、油菜［6］等不同作物基于光譜技術(shù)的葉綠素含量估測(cè)已經(jīng)進(jìn)行了深入的研究［2～6］。近年來(lái)，對(duì)煙草的研究應(yīng)用也越來(lái)越廣泛。邢雪霞等以烤煙云87為對(duì)象，研究表明光譜參數(shù)綠度歸一化植被指數(shù)和轉(zhuǎn)換葉綠素吸收反射指數(shù)分別與葉綠素、類胡蘿卜素含量之間有較好的相關(guān)性［7］。劉大雙等以烤煙NC89為研究對(duì)象，表明利用藍(lán)邊面積（SDb）和綠峰幅值（Rg）等參數(shù)，可以對(duì)葉綠素含量進(jìn)行較為準(zhǔn)確的估測(cè)［8］。

烤煙K326［9］是以MCNAIR30為母本與NC95雜交育成，我國(guó)于1985年引入，以其長(zhǎng)勢(shì)長(zhǎng)相好，產(chǎn)量、中上等煙比例和產(chǎn)值都較高，適應(yīng)性較強(qiáng)，在我國(guó)大部分地區(qū)都有種植，被作為烤煙品種的風(fēng)向標(biāo)。因此，對(duì)烤煙K326進(jìn)行冠層的高光譜探測(cè)，然后系統(tǒng)分析冠層的高光譜特征和葉綠素含量變化規(guī)律，進(jìn)而篩選敏感光譜波段，構(gòu)建光譜特征參數(shù)，建立不同類型煙草的煙葉葉綠素含量估測(cè)模型具有非常重要的意義，可為煙田科學(xué)管理及決策提供技術(shù)支持。

1　材料和方法

1.1試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于2013年12月至2014年7月在湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)中南煙草基地（113°07′N(xiāo)，28°18′E）進(jìn)行，土壤基本理化性質(zhì)見(jiàn)表1。以烤煙K326為試驗(yàn)材料，種子選自2012年收獲的無(wú)損裸種。采用大田試驗(yàn)，前茬作物為水稻，土壤肥力均勻，地勢(shì)平坦，有較好的灌溉條件。于2013年12月26日播種，采用漂浮育苗的方式。2014年3月26日移栽，株行距50 cm ×120 cm?；手械嗜繛橄趸姿徜@，磷肥為普鈣，鉀肥為硫酸鉀，硝酸鉀用于追肥，基肥∶追肥= 60∶40，追肥分2次施用，其它田間管理同當(dāng)?shù)貎?yōu)質(zhì)煙葉開(kāi)發(fā)生產(chǎn)技術(shù)規(guī)范。

表1　土壤基本理化性質(zhì)

試驗(yàn)設(shè)3次重復(fù)，四周設(shè)保護(hù)行。各小區(qū)設(shè)置5個(gè)取樣點(diǎn)，則每個(gè)時(shí)期有15個(gè)樣本量，5個(gè)生育期共75個(gè)樣本量。隨機(jī)選取50個(gè)數(shù)據(jù)作為建模數(shù)據(jù)，25個(gè)作為驗(yàn)證數(shù)據(jù)。

1.2冠層光譜的采集

采用ASD Field Spec Pro-FRTM光譜儀（美國(guó)ASD公司），光譜范圍350～2 500 nm，其光譜分辨率在350～1 000 nm區(qū)間為3 nm，1 000～2 500 nm區(qū)間為10 nm，測(cè)定烤煙K326在團(tuán)棵期（04-26）、旺長(zhǎng)期（05-15）、打頂期（05-28）、下部葉成熟期（06-12）和中部葉成熟期（06-18）的冠層光譜反射率。選擇無(wú)病蟲(chóng)危害的正常葉片為樣本，每個(gè)小區(qū)選5株長(zhǎng)勢(shì)一致能反映施肥水平的煙株，測(cè)定前進(jìn)行標(biāo)定，儀器視場(chǎng)角25°，測(cè)定均在晴朗無(wú)云（或少云）天11:30～14:00時(shí)間段內(nèi)進(jìn)行。測(cè)定時(shí)傳感器探頭垂直距冠頂100 cm，冠頂視場(chǎng)范圍直徑為44.33 cm。數(shù)據(jù)采集前后用標(biāo)準(zhǔn)白板校正（標(biāo)準(zhǔn)白板反射率視為1，所測(cè)得的目標(biāo)物光譜是無(wú)量綱的相對(duì)反射率和相對(duì)透射率），光譜采樣樣本以10個(gè)／取樣點(diǎn)，然后取平均值作為小區(qū)的光譜反射值。

1.3葉綠素含量的測(cè)定

在測(cè)定冠層光譜的同時(shí)，取光譜測(cè)定對(duì)應(yīng)植株具有代表性的葉片，采下帶回實(shí)驗(yàn)室，參照文獻(xiàn)［10］的方法進(jìn)行葉綠素a、葉綠素b和類胡蘿卜素含量的測(cè)定。

1.4數(shù)據(jù)處理

基于ASD view spec-pro軟件進(jìn)行光譜數(shù)據(jù)的提取，采用Excel 2003進(jìn)行一階導(dǎo)數(shù)光譜的計(jì)算，采用SPSS12.0軟件進(jìn)行相關(guān)性和逐步回歸分析，同時(shí)進(jìn)行差異顯著性檢驗(yàn)。色素含量等均值均在Excel 2003軟件平臺(tái)下實(shí)現(xiàn)。高光譜參數(shù)的定義如表2。一階導(dǎo)數(shù)Dλ采用下式差分計(jì)算:

Dλ=（Ri+1-Ri-1）／（λi+1-λi-1）

式中:Ri—波長(zhǎng)i處的相對(duì)反射率；λi—波長(zhǎng)i處的波長(zhǎng)值［11］。

表2　高光譜遙感特征變量的定義［12］

（續(xù)表2）

2　結(jié)果與分析

2.1葉片色素含量變化

圖1～4分別是烤煙K326不同生育時(shí)期葉綠素a、葉綠素b、葉綠素a+b和類胡蘿卜素含量變化圖。各色素含量隨生育期的推移有較大幅度波動(dòng)，不同色素含量的變化趨勢(shì)基本一致。在生長(zhǎng)發(fā)育前期，煙葉色素含量顯著增加，在下部葉成熟期達(dá)到最大值，隨著煙葉的成熟，葉片由綠轉(zhuǎn)黃，葉綠素含量則急劇快速下降。

圖1　葉綠素　a含量變化

圖2　葉綠素　b含量變化

圖3　葉綠素　a+b含量變化

圖4　類胡蘿卜素含量變化

2.2不同生育時(shí)期的光譜特征

2.2.1光譜反射率

由圖5可知，煙草具有和其它綠色植物類似的反射曲線，在波段350～1 350 nm內(nèi)，具有多個(gè)反射峰和吸收谷。在可見(jiàn)光范圍內(nèi)，團(tuán)棵期、旺長(zhǎng)期、打頂期、下部葉成熟期和中部葉成熟期的光譜反射率具有較大的差異，這種差異在綠光波段內(nèi)（510～560 nm）表現(xiàn)的尤為明顯，在此波段內(nèi)，冠層光譜反射率的大小為團(tuán)棵期＞中部葉成熟期＞旺長(zhǎng)期＞打頂期＞下部葉成熟期。

圖5　冠層光譜反射率

2.2.2 一階導(dǎo)數(shù)光譜

烤煙冠層一階導(dǎo)數(shù)光譜曲線具有多峰現(xiàn)象（圖6），在可見(jiàn)光范圍內(nèi)具有明顯的峰值，峰值出現(xiàn)在波段519～522、569～571、597～600、612、629～630、645、653～654、660～661、718～719、724 nm處。而在350～450 nm以及大于750 nm波段范圍內(nèi)，跳躍性較大，這是由一階導(dǎo)數(shù)的計(jì)算方法所決定的。而處理這些峰的位置、大小，以及軸與峰之間所包圍的面積差異，是構(gòu)建光譜特征參數(shù)的依據(jù)。

圖6　冠層一階導(dǎo)數(shù)光譜反射率

2.3冠層光譜反射率與葉綠素含量的相關(guān)性分析

圖7～10分別是葉綠素a、葉綠素b、葉綠素a+ b和類胡蘿卜素與350～2 500 nm波段內(nèi)光譜反射率的相關(guān)性關(guān)系圖。色素含量與光譜反射率之間均存在很好的相關(guān)性，分別有769、797、782和818個(gè)波段的光譜反射率對(duì)應(yīng)于葉綠素a、葉綠素b、葉綠素a+b和類胡蘿卜素的相關(guān)性達(dá)到顯著水平，與葉綠素a含量、葉綠素b含量和葉綠素a+b含量相關(guān)性最高的均為1 846 nm處的光譜反射率，與類胡蘿卜素含量相關(guān)性最高的波段為1 833 nm。色素含量與大部分相關(guān)波段呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，在所有的敏感波段中，相關(guān)性系數(shù)在波段1 831～1 956 nm范圍內(nèi)變化較大，有多個(gè)明顯的峰值，跳躍性的呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系和正相關(guān)關(guān)系；在其它波段中變化比較平緩，特別是在可見(jiàn)光波段、近紅外和遠(yuǎn)紅外光波段，有多個(gè)連續(xù)的波段與色素含量存在負(fù)相關(guān)的關(guān)系。

圖7　葉綠素　a含量與光譜反射率的相關(guān)性關(guān)系

圖8　葉綠素　b含量與光譜反射率的相關(guān)性關(guān)系

圖9　葉綠素a+b含量與光譜反射率的相關(guān)性關(guān)系

圖10　類胡蘿卜素含量與光譜反射率的相關(guān)性關(guān)系

2.4高光譜參數(shù)與色素含量的相關(guān)性分析

表3列舉了4種色素指標(biāo)與18種高光譜參數(shù)之間的相關(guān)性分析結(jié)果。葉綠素a含量與Db、Ro、Rg、SDr、SDb存在顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系，與λb、SDy、SDr／SDb、（Rg-Ro）／（Rg+Ro）、（SDr-SDy）／（SDr+SDy）存在顯著的正相關(guān)關(guān)系；葉綠素b含量與Db、Ro、Rg、SDr、SDb、SDr／SDy、（SDr-SDy）／（SDr+ SDy）存在顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系，與λb、SDy、SDr／SDb、（SDr-SDb）／（SDr+SDb）存在顯著的正相關(guān)關(guān)系；葉綠素a+b含量與Db、Ro、Rg、SDr、SDb、SDr／SDy、（SDr-SDy）／（SDr+SDy）存在顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系，與λb、SDy、SDr／SDb、（SDr-SDb）／（SDr+SDb）存在顯著的正相關(guān)關(guān)系；類胡蘿卜素含量與Db、Ro、SDr／SDy存在顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系，與SDb、SDy、SDr／SDb、（Rg-Ro）／（Rg+Ro）存在顯著的正相關(guān)關(guān)系。

表3　煙葉色素含量與高光譜參數(shù)的相關(guān)系數(shù)

2.5葉綠素的高光譜監(jiān)測(cè)模型及驗(yàn)證結(jié)果

為了更精確地診斷這些參數(shù)，選取與各色素含量呈極顯著相關(guān)的高光譜參數(shù)為自變量，以色素含量為因變量，分析高光譜參數(shù)（x）與色素含量（y）的相關(guān)性。采用以下5種函數(shù)模式構(gòu)建診斷模型:1）線性函數(shù):y=a+bx；2）指數(shù)函數(shù):y=a*exp（bx）；3）對(duì)數(shù)函數(shù):y=a+ln x；4）拋物線函數(shù):y=ax2+bx +c；5）冪函數(shù):y=axb；4）多項(xiàng)式函數(shù):y=ax3+bx2+cx+d。式中:y為煙草葉片色素含量的診斷值；x為高光譜參數(shù)，a、b、c、d為診斷模型的常數(shù)，篩選出的最佳診斷模型于表4。

由表4可知，色素含量均與高光譜參數(shù)SDy的相關(guān)系數(shù)最高，與葉綠素a、葉綠素b、葉綠素a+b含量均呈極顯著的正相關(guān)關(guān)系，決定系數(shù)R2均達(dá)到0.75以上，與類胡蘿卜素含量的相關(guān)性較差，R2為0.61。SDy與4個(gè)色素指標(biāo)構(gòu)建的函數(shù)模型分別為:y=10373x2+1096.2x+29.803、y=-0.0023x3-0.0256x2+0.0559x-0.0665、y=13387x2+1421x +38.803和y=10.451e76.029x。隨機(jī)選取25個(gè)各色素含量樣本對(duì)其采用表4的回歸方程進(jìn)行檢驗(yàn)，得出各色素含量，將估測(cè)值與真實(shí)值進(jìn)行差異顯著性檢驗(yàn)，結(jié)果如表5所示。表明估測(cè)值和實(shí)測(cè)值之間的差距較小，說(shuō)明各色素含量可以用高光譜參數(shù)SDy為自變量，建立回歸方程進(jìn)行預(yù)測(cè)。

表4　色素含量與高光譜參數(shù)的最優(yōu)模型

表5　色素含量的回歸方程檢驗(yàn)

3　結(jié)論與討論

3.1結(jié)論

烤煙K326色素含量隨生育期的變化有較大幅度波動(dòng)，均在生育階段前中期，一致保持上升趨勢(shì)，增加明顯。在煙株下部葉成熟期前，煙葉葉綠素含量達(dá)到最大值，其后煙葉由綠轉(zhuǎn)黃，色素含量急劇下降。色素含量大小依次是下部葉成熟期＞打頂期＞旺長(zhǎng)期＞中部葉成熟期＞團(tuán)棵期。

烤煙K326具有和其它綠色植物類似的光譜反射曲線，在波段350～1 350 nm內(nèi)，具有多個(gè)吸收峰和吸收谷。在可見(jiàn)光范圍內(nèi)光譜反射率具有較大的差異，這種差異在綠光波段內(nèi)（510～560 nm）表現(xiàn)的尤為明顯，為團(tuán)棵期＞中部葉成熟期＞旺長(zhǎng)期＞打頂期＞下部葉成熟期。

原始光譜反射率與葉片色素含量具有顯著的相關(guān)性關(guān)系。在全波段范圍內(nèi)，與葉綠素a、葉綠素b、葉綠素a+b、類胡蘿卜素含量相關(guān)性達(dá)到顯著水平的分別有769、797、782和818個(gè)，其中呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系的波段占到90%以上。相關(guān)性最密切的波段分別為1 846、1 846、1 846、1 833 nm。其中在350～1 300 nm波段范圍內(nèi)，連續(xù)的波段區(qū)間與色素含量表現(xiàn)出極顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系，在1 300～2 500 nm波段范圍內(nèi)，有多個(gè)明顯的峰值，跳躍性的呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系和正相關(guān)關(guān)系。

各色素含量均與SDy的相關(guān)性最高，構(gòu)建的函數(shù)模型分別為:y=10373x2+1096.2x+29.803、y= -0.0023x3-0.0256x2+0.0559x-0.0665、y= 13387x2+1421x+38.803和y=10.451e76.029x。通過(guò)SPSS分析，得出各時(shí)期色素含量的估測(cè)值，與其真實(shí)值進(jìn)行差異性檢驗(yàn)，其差異不顯著，說(shuō)明用這些高光譜參數(shù)建立的檢測(cè)模型是可行的。

3.2討論

烤煙K326葉片不同色素的代謝規(guī)律趨于一致即下部葉成熟期＞打頂期＞旺長(zhǎng)期＞中部葉成熟期＞團(tuán)棵期，這主要是由于煙葉在生育前期是色素合成大于分解，因此色素含量增加，到下部葉成熟期達(dá)到最大，然后隨著煙葉的成熟，葉片變黃，色素逐漸降解，因此色素含量降低。這與前人的研究結(jié)果一致［13，14］。

在可見(jiàn)光范圍內(nèi)，不同生育期的光譜反射率具有較大的差異，這種差異在綠光波段內(nèi)（510～560 nm）表現(xiàn)的尤為明顯。在此波段內(nèi)，煙草光譜反射率表現(xiàn)出相對(duì)一致的差異，為團(tuán)棵期＞中部葉成熟期＞旺長(zhǎng)期＞打頂期＞下部葉成熟期。這是由于煙葉在這一波段內(nèi)的光譜反射率與煙葉葉綠素含量息息相關(guān)。煙葉隨著生育進(jìn)程的推移，葉片的葉綠素含量呈先增加后降低的趨勢(shì)，而煙葉葉綠素含量越高，對(duì)綠光的吸收越多，因此在綠光波段內(nèi)的反射率降低，即葉綠素含量的高低與綠光波段內(nèi)的光譜反射率呈反比。在近紅外波段內(nèi)，煙草的冠層反射率變化規(guī)律不明顯，這是因?yàn)闊煵葜仓杲Y(jié)構(gòu)存在差異、煙草葉片內(nèi)部的海綿組織以及柵欄組織可能發(fā)生變化，以及觀測(cè)時(shí)會(huì)受到外界環(huán)境影響造成的，但影響因素比較多，所以在冠層光譜反射率上表現(xiàn)的不明顯。

相關(guān)性分析表明，各色素含量均與SDy相關(guān)性最高，這與前人的研究結(jié)果存在一定的差異。李向陽(yáng)等［14］篩選出與葉綠素關(guān)系最密切的光譜特征變量是SDr／SDb，劉大雙等［8］則認(rèn)為SDb和Rg與新鮮煙草葉片的葉綠素含量的相關(guān)性最好。這種差異可能是由于煙草品種、生態(tài)條件、施肥模式、栽培密度等造成的。因此，在本研究的基礎(chǔ)上，還應(yīng)該綜合考慮生態(tài)條件、栽培密度、肥料梯度、播期等因素，對(duì)烤煙K326色素含量與高光譜關(guān)系進(jìn)行系統(tǒng)的研究，為煙田的科學(xué)管理及決策提供技術(shù)支持。

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Study on Estimation of Pigment Contents in Flue-cured Tobacco Variety K326 by Hyperspectral Parameters

HUANG Zhi1，CHANG Hong-tao2，CHEN Jian-guo2，ZHU Lie-shu2*
（1 College of Bio-science＆Technology，Hunan Agricultural University，Changsha，Hunan 410128，China；2 College of Agronomy，Hunan Agricultural University，Changsha，Hunan 410128，China）

A field experimentwas conducted to study the relationship between pigment content and canopy height spectrum in the flue-cured tobacco variety K326，and diagnosismodels of pigment content in flue-cured tobacco leaveswere constructed with hyperspectral characteristic parameters as the independent variable.The results showed that:the original spectral reflectance was related with pigment content of leaves significantly.In the whole wavelength range，there were 769，797，782 and 818 wave bands significantly related with that chlorophyll a，chlorophyll b，chlorophylla+b and carotenoid content respectively，andmore than 90%ofwhich showed significantnegatively relationship，and the highest correlation bands were 1 846 nm、1 846 nm、1 846 nm and 1 843 nm respectively.Each pigment content showed highest correlation with SDy，and the functionmodels were y=10373x2+1096.2x+29.803，y=-0.0023x3-0.0256x2+0.0559x-0.0665，y=13387x2+1421x+38.803 and y=10.451e76.029xrespectively.By SPSSanalysis，the difference between estimate values of pigment content and their true values were not different.Therefore，monitoring leaf pigment content in flue -cured tobacco by hyperspectral technologywas feasible，which could provide technicalsupport for tobacco scientificmanagement and decision-making.

flue-cured tobacco；pigment；canopy reflectance spectra；hyperspectral parameters；diagnosticmodel

S572.01

A

1001-5280（2015）05-0516-06

10.3969／j.issn.1001-5280.2015.05.14

2015-04-11

黃 智（1988-），男，湖南常德人，碩士研究生，Email:huang19881119＠126.com。*通信作者。

湖南省煙草公司科技項(xiàng)目（13-17DAa01）。