侵权投诉

订阅
纠错
加入自媒体

高光谱成像技术在烟草行业的应用总结

高光谱遥感是指在紫外、可见光、近红外等电磁波谱范围内,从探测目标上获取若干非常窄且光谱连续数据的技术。所获得的光谱数据其中包含了大量的光谱反射率原始数据信息,如果加上原始光谱反射率的导数(一阶导数 、二阶导数)、对数变换、高光谱特征参数等,信息量就可以增加更多,因此,高光谱技术得到了广泛的应用和快速的发展。前人已经对高光谱遥感技术在水稻、大豆、小麦等农作物中的应用有了较为深入的研究。近几年来,越来越多的烟草研究者们将目光转向了高光谱技术,他们利用高光谱技术得出了不同因素影响烟草光谱特征的变化规律,同时筛选出一些监测参数,并建立了相应的估算模型。烟草生化参数主要包括有:水分、色素、糖、N、P、K、烟碱和微量元素。在农业遥感信息模型研究、作物冠层光谱、叶片光谱、生物物理参数的提取与反演、作物长势监测等方面 ,高光谱技术都得到了较快发展。近年来 ,高光谱技术在烟草上的研究和应用也进入了快速发展的阶段,并且得到了较多的应用,其中也包括了在生化参数方面的研究。Tomas等的研究发现烟草在缺氮时可见光波段的反射率会增加,同时光谱反射率会随着叶绿素和类胡萝卜素含量的增加而降低。建立了色素含量估测模型。刘大双等对感染不同程度花叶病的烤烟光谱进行线性和非线性拟合估测烤烟叶绿素含量。苏永士等分析了不同施氮水平下烟草冠层光谱特征。并探究了光谱与叶面积指数、叶绿素含量间的相关性。研究表明,利用所建立的估测模型快速监测烟草的生长状况 ,及时指导烟草田间管理是可行的。王建伟等将烟草叶片的高光谱反射率、冠层光谱反射率、烘烤后叶片的光谱反射率与化学指标以及香气指标进行了相关分析,建立了相应的光谱估测模型。笔者着重讨论近年来利用高光谱遥感技术手段监测烟草生化参数的成果与方法的研究进展,同时展望未来高光谱遥感在烟草方面的发展趋势。

1. 烟草的光谱特征以及不同因素对其的影响

烟草具有绿色植被的典型光谱特征,这是由其细胞结构、化学成分和形态学特征决定的。烟草的光谱特征受光照、水分、肥料、品种类型、生育时期、烟叶部位、病虫害等因素的影响。

1.1 光照对烟草光谱特征的影响

光照是植物生长发育的必需条件之一,为植物进行光合作用提供能量。光照强度和光质条件都会对烟草的光谱特征产生明显影响。贾方方以云烟87为实验材料进行研究发现:在不同遮阴条件下,叶片的光谱反射率随着遮阴程度增加而逐渐降低,在可见光(350-700nm)和近红外光(750-1000nm)范围表现更为明显。赵文在对中部叶的研究中也得出了类似结论。邢雪霞研究发现不同光质条件对烤烟光谱曲线的影响不大,但显著影响了烤烟的光谱反射率,叶片光谱与冠层光谱的反射率均以白膜表现最优。

1.2 水分对烟草光谱特征的影响

水分对烤烟的生长发育及品质都有重要的影响,水分因素对烤烟内外部理化性状产生直接影响,这间接影响了烤烟的光谱特征。烟草叶片的红边特征受水分影响明显,在整个生育期内,随着土壤水分减少,烤烟叶片红边位 置 向 长波方向移动,红移现象显著;在伸根期和旺长期,叶片红边幅值和红边面积随土壤水分增加发生红移现象,成熟期则随土壤水分增加发生蓝移现象。研究表明,不同水分条件下的烤烟叶片和冠层光谱反射率间存在显著差异,随着土壤含水量的增加冠层红边一阶微分光谱的“双峰”现象愈加显著。

1.3 肥料对烟草光谱特征的影响

氮磷钾被称为烟草生长发育的3要素,它们是烟草中众多化合物的组成成分,与烟草体内的多种生理生化过程密切相关,直接影响烟草叶片内外部的理化性状。研究发现,在可见光范围内,烤烟叶片和冠层的光谱反射随施氮量的增加而降低,这是由于随着施氮量的增加叶片色素含量增加,导致叶片对光的吸收增强;在近红外光范围内,烤烟叶片和冠层的光谱反射随施氮量的增加而增加,这是由于随着施氮量增加叶片细胞变大,细胞间隙变大,细胞壁水化度 增高,导致光在叶片组织细胞内进行了多次反射。施氮量同时会对烤烟叶片的红边位置产生影响。随着施氮量的增加,同一生育时期内各部位叶片的红边位置均发生“红移”现象。吕小娜研究认为,随着施氮量的增加,烤烟冠层一阶导数光谱呈现向长波方向移动的趋势,“双峰”现象愈加显著,烤烟冠层红边位置变化不明显,但红边面积与红边幅值呈增加趋势。李向阳等研究表明,随着 供钾水平的增加,烤烟叶片光谱反射率呈降低趋势,在绿光波段尤其明显。国内关于磷素对烟草光谱特征影响的研究较少,李向阳以NC89为研究材料发现 在可见光范围内冠层反射率随施磷量的增加而降低。在其他作物如冬小麦、春玉米中磷对光谱特征的影响已经得一定的研究成果,我们可以借鉴这些研究成 果,弥补烟草这一方面研究的欠缺。

1.4 不同类型和品种烟草光谱特征的差异

不同类型和品种的烟草具有不同的遗传特征,这决定了生长过程中烟草叶片的生理生化特征和化学物质含量等方面会有所差异,导致烟草的光谱特征不同。刘国顺等通过研究白肋烟、烤烟、香料烟3种烟草的冠层光谱特征发现,在绿光波段和近红外范围内,白肋烟的冠层反射率最大,烤烟次之,香料烟最小。李向阳通过研究对此进行了解释,在绿光范围内反射率主要受叶绿素含量的影响,白肋烟叶片呈浅绿色,叶脉发白,叶绿素含量低,因此反射率最大;烤烟和香料烟叶片均呈绿色,但由于香料植株矮小、种植密度大造成仪器视场范围内叶绿素含量高,故而烤烟反射率大于香料烟。李佛琳研究这3种烟草的叶片反射率发现,在可见光波段和近红外波段,白肋烟叶反射率均大于另外两种类型的烟草;在可见光波段内,香料烟叶片反射率大于烤烟,而在近红外波段内则是烤烟大于香料烟。不同品种烟草的光谱特征也存在差异,前人主要研究了不同品种烤烟的光谱特征差异。殷全玉等研究报道,在可见光范围内,中烟101叶片的光谱反射率大于云烟87,而在近红外范围内则反之。李向阳对NC89、K326、云烟85、庆胜2号4个烤烟品种进行研究发现,在可见光范围内,4个品种的冠层光谱反射率间差异不大;在近红外范围内,NC89>K326>云烟85>庆胜2号。

1.5 不同生育时期烟草光谱特征的差异

随着烟草生育期的推移,烟草冠层和叶片的反射率存在显著差异。随着生育期的推移,在可见光波段叶片光谱反射率增加,主要是由叶片叶绿素含量以及水分含量减少引起的。移栽后,烟株根系迅速生长、叶片伸展,叶片单位面 积内叶绿素含量减少;进入旺长期,叶片内叶绿素含量进一步降低,水分含量 减少;进入成熟期,大量的叶绿素在此时被分解破坏;这一系列的变化导致叶片在可见光波段红区和蓝区的吸收不断减少,最终造成反射率增加。而在近红外光波段叶片光谱反射率的增加则主要是由叶片细胞结构的变化引起的,随着生育时期的推移,烟叶生长叶片组织细胞结构逐渐充实,叶肉细胞之间的间隙扩大,折射率的急剧变化导致反射面数目增加,最终导致近红外波段反射率增加。

1.6 烟草叶位的光谱特征差异

同一植株烟草不同部位叶片的光谱反射率存在较大的差异。在可见光内,烟叶的光谱反射率为下部叶>中部叶>上部叶,在近红外光波段内则相反。这是由于在可见光波段内处于植株上部的烟叶积累的叶绿素较少的缘故,而近红外波段内的差异主要是由于不同部位烟叶的细胞结构不同造成的,越上部的烟叶细胞结构组织越致密,而细胞排列越紧密则光谱反射率越高。另外,同一叶片的不同部位的光谱反射率也存在差异。李佛琳研究表明,在绿光波段内,叶片的光谱反射率从叶基到叶尖、从中心到边缘逐渐增加。

1.7 病虫害对烟草光谱特征的影响

病虫害对烟草的危害主要有两种形式:外部形态上的变化和内部生理效应 的改变。这些变化都势必会引起烟草光谱特征的变化,在红区和近红外区表现尤为明显。王梅研究发病烟草的高光谱特征时发现,感染病害烟草的病叶和冠层光谱反射率均明显低于健康烟草,随着病害程度的增加,在整个生育期内烟草病叶光谱的红边位置发生了“蓝移”现象,而烟草冠层的光谱位置则发生了“红移”现象。刘大双等报道称NC89被烟草花叶病毒侵染后,烤烟受胁迫失绿,绿峰位置向红光方向偏移而红边位置向蓝光偏移,且接种TMV病毒后在 肉眼观察不到病害叶片明显症状时,叶片的光谱特征曲线已发生改变,可用高光谱进行诊断。乔红波等研究不同数量烟蚜对中烟101光谱特征的影响时发现,同健康叶片相比,轻度、中度和重度受害叶片的光谱反射率在绿光波段分别下降了12%、27%、52%,在近红外波段分别下降了15%、20%、38%。

2. 高光谱遥感技术在田间烟草中的应用

高光谱遥感技术在烟草中的应用主要集中在快速、精准地提取烟草生长的信息,特别是随着无人机技术的发展,利用无人机搭载高光谱相机快速或者农田作物信息已成为一种趋势。利用无人机高光谱监测烟草胁迫、烟叶成熟度、产量估算与品质等,从而及时调整各类物资的投入量,以期达到减少浪费、增加产量、改善烟草品质的目的。

2.1 烟草生长信息的提取

在作物生产中,快速、精准地判断作物氮素营养状况对实现作物的实时精准施肥具有重要意义。

植物的光合色素分为叶绿素(叶绿素a、叶绿素b)和类胡萝卜素(胡萝卜素、叶黄素),前者是吸收光能的物质,直接影响植被对光能的利用,后者则能对叶绿素起到保护作用。与传统方法相比,利用高光谱仪测定叶片中色素的含量具有实时、快速、非损伤性等优点因而成为近年来研究的热点。在烟草中,利用高光谱测定叶片中的叶绿素含量也取得了一定的研究成果。付虎艳等研究南江3号烟叶高光谱参数与叶绿素含量的关系表明,叶绿素a (Chl a)与原始光谱反射率的最大相关系数以及光谱一阶微分的最大相关系数分别出现在700 nm和623 nm处;而叶绿素h ( Chl b)的则出现在701 nm和653 nm处。与Chl a、Chl b含量相关系数最大的高光谱参数分别是绿峰位置(λ)和红边面积与蓝边面积的比值(SDr/SDb),运用逐步回归方法建立的基于光谱反射率一阶微分的模型对烟草叶片叶绿素a、叶绿素b含量的估测效果好,精度较高。

叶面积指数LAI ( Leaf Area Index)作为陆面过程中一个十分重要的结构参数,是表征植被冠层的最基本的参量之一,在遥感监测中通常是产量估测模型与土壤水分蒸发蒸腾量模型的输人参数。前人研究报道绿色作物光谱反射率与LAI密切相关,越来越多的学者利用高光谱遥感技术来反演叶面积指数。张正杨等运用植被指数法、主成分分析、神经网络3种方法进行反演,建立了烟草LAI的高光谱估算模型,3种方法均取得了较好的结果;其中主成分分析法建立的验证模型稳定性更好,其验证模型的RMSE为0.172,低于植被指数法与神经网络法。

2.2 烟草胁迫监测

贾方方研究不同水分处理对烟草高光谱特征的影响表明,在水分胁迫下(45%和65%水分处理),烟草冠层高光谱的红边位置发生“红移”现象,而85%水分处理则因为水分过多导致叶片提前落黄,叶绿素含量减少造成红边位置发生“蓝移”现象。高光谱遥感亦可以用于监测重金属对烟草的胁迫。李佛琳等在敏感波段(551,672,720 nm)下建立了福的归一化污染指数CNDPI,并确定当 CNDPI值大于0.3时,烟株中即出现镉污染情况,实现了利用光谱数据区分烟叶是否被镉污染的定性目标。利用高光谱遥感技术监测烟草病虫害的研究主要集中在烟草花叶病方面,刘大双采用逐步回归方法建立了烟草花叶病病害等级和病株高度的光谱反射率、光谱反射率一阶微分和光谱特征变量的回归方程,对模型进行检验发现,光谱反射率一阶微分回归模型的相关系数为0.999,估测效果最好,光谱反射率回归模型的估测效果次之,光谱特征变量回归模型最差。

2.3 病虫害监测

当植物受到病虫危害时,叶片的颜色、结构和外观形态都会发生改变,从而引起叶片的反射率发生变化。如果害虫采食叶片或引起叶片卷曲和脱落,同样也会引起光谱特征曲线的变化,这样就可以通过监测寄主植物的光谱曲线变化来监测病虫害的发生情况。乔红波等研究了3种危害程度:轻(单株顶尖和上部5片叶蚜量≤15头)、中(15头≤单株顶尖和上部5片叶蚜量≤50头)和重(单株顶尖和上部5片叶蚜量≥50头)的烟蚜危害下烟草的光谱特征。结果表明,烟蚜会造成烟草光谱反射率的下降,在近红外波段尤为明显。轻中重3种危害程度的烟叶在绿光波段光谱反射率分别下降12%,27%和52%,在近红外波段光谱反射率分别下降15%,20%和38%,一阶导数光谱反射率最大值随着蚜量增加而下降,并建立了烟蚜危害下烟叶光谱反射率和叶绿素SPAD值之间在绿光、红光、蓝光和近红外光波段内的线性拟合回归方程,SPAD值越大,光谱反射率越高,各模型均能较好地拟合反射率与SPAD之间的关系(p < 0. 000 1),其中在绿光波段建立的拟合方程拟合效果最好。烟蚜危害造成叶绿素含量下降,烟叶光合作用强度也随之降低,SPAD值越大,光谱反射率越高,因此可以监测烟草生产中病虫害的发生,从而确定防治时期以及防治措施。

2.4 产量估算

烟草地上生物量是反应烟草代谢状况和光合作用的重要指标。众多研究表明,通过提取高光谱变量,根据数据条件建立有效的估测模型可以对烟草的产量进行监Rg/Rr。刘国顺分析了17种光谱变量与烟草地上鲜生物量和干生物量的关系,通过建立回归模型进行估测并筛选出了Rg/Rr 、λr两个高光谱参数作为地上生物量的特征变量,其中Rg/Rr的决定系数R2最高,达到极显著水平,鲜生物量和干生物量分别为0.640和0.620,并通过反演检验证明回归模型的可靠性。

2.5 品质监测

高光谱与烟叶的生理生化指标、矿质元素指标和烤烟品质指标都有一定的相关性,通过逐步回归分析建立估算和监测模型,可以快速获得烤烟各种指标值,适时指导生产。李向阳通过设置不同类型烟草、不同烤烟品种、不同氮磷钾使用量处理试验筛选出了与总氮、叶绿素a、叶绿素b、类胡萝卜素含量与总量等生理生化指标关系最为密切的光谱特征变量Rg/Rr,并建立多种生理生化指标的监测模型。

同时他还对高光谱的27种参数与矿质元素指标(钙、钾、镁、硼、铜、铁、锰、钠、磷、锌等10种元素)进行了回归建模,均取得了较好的估测效果。王建伟等对烤烟叶片叶绿素含量和光谱参数进行了相关分析,将烟草冠层、鲜烟叶和烤后烟叶的高光谱参数分别与烤后烟叶的化学指标和香气成分指标相结合,建立了相关的估测模型。李佛琳分析了烟叶光谱与化学品质指标之间的关系并筛选出了与烟叶氮、钾、烟碱、总糖含量显著相关的光谱特征参数,建立了诊断模型。

1  2  下一页>  
声明: 本文系OFweek根据授权转载自其它媒体或授权刊载,目的在于信息传递,并不代表本站赞同其观点和对其真实性负责,如有新闻稿件和图片作品的内容、版权以及其它问题的,请联系我们。

发表评论

0条评论,0人参与

请输入评论内容...

请输入评论/评论长度6~500个字

您提交的评论过于频繁,请输入验证码继续

暂无评论

暂无评论

文章纠错
x
*文字标题:
*纠错内容:
联系邮箱:
*验 证 码:

粤公网安备 44030502002758号