植物光学模型估算叶片类胡萝卜素含量的一种双归一化差值-比值植被指数

运用高光谱技术进行植物叶片探测具有快速、无损、高精度等特点,在叶片色素等生化成分含量估算方面应用前景广阔。类胡萝卜素作为叶片中重要光合色素之一,因其在可见光区域与叶绿素的光谱吸收特征存在重叠,且其含量远低于叶绿素,导致利用光谱信息估算叶片类胡萝卜素含量存在困难,国内外少有针对类胡萝卜素含量的植被指数。利用高光谱数据光谱信息丰富的特点,提出一种以波段组合遍历与相关分析为基础,通过多指数协同来构建组合式的植被光谱指数的新方法。在PROSPECT叶片辐射传输模型模拟出大量具有不同生化和生物物理特征的叶片光谱的基础上,成功构建了一种在叶片水平下具有良好稳定性的类胡萝卜素含量估算新指数RVI_DNDVI。结果表明,该方法构建的叶片类胡萝卜素光谱指数由两部分组成：由532和405 nm构建的窄波段NDVI(与类胡萝卜素、叶绿素均强相关)和由548和498 nm构建的窄波段NDVI(仅与叶绿素强相关)进行比值组合,能较好消除叶绿素含量对指数的干扰;通过减去对叶片结构高敏感的916 nm处反射率,能消除叶肉结构参数的影响,进一步提高指数的抗干扰能力。该研究得到的指数RVI_DNDVI仅对叶片类胡萝卜素具有高敏感性,相关系数达到-0.94,对其进行指数拟合的R2达到0.834 4。经与模拟数据和实测数据的验证,该指数有较好的估算效果。     

Spectral indices to assess the carotenoid/chlorophyll ratio from adaxial and abaxial leaf reflectance

The ratio between the carotenoid and chlorophyll concentrations can indicate the physiology and phenology of plants. Most of the vegetation indices related to the ratio between the carotenoid and chlorophyll contents only consider the reflectance from the adaxial leaf surface. In this study, it was found that the leaf reflectance from the abaxial surface is lower than that of the adaxial surface in the visible wavelength region. On the contrary, the reflectance is higher on the adaxial surface in the near-infrared wavelength region. The difference ratio index resulted in the best correlation with the carotenoid/chlorophyll ratio and was the most robust among all the spectral indices studied when the spectral information on the adaxial and abaxial surfaces was pooled. The result indicated that this index can accurately estimate the carotenoid/chlorophyll ratio because of the insensitivity to the differences between adaxial and abaxial leaf surfaces.     

Analysis of spectral response of vegetation leaf biochemical components

Based on the leaf spectra data measured with LOPEX'93, the authors analyzed the relationship between leaf spectra and leaf biochemical components including leaf chlorophyll and leaf water content. It was showed that leaf chlorophyll was highly correlated with the second derivation of leaf reflectance at wavelengths 700, 670, 600, 500, 490, 440, and 410 nm; similarly, it was also showed that leaf water content was highly correlated with the continuum removed leaf reflectance at wavelengths 2350, 2180, 2130, 2120, 1870, and 1820 nm, which correspond to the absorption features of water in shortwave infrared bands. In addition, the authors found that ND (Normalized Difference) has a higher response to chlorophyll than other spectral indexes and the correlation coefficient is 0.618; Ratio975 has a very high response to water content and the correlation coefficient is up to 0.996. Based on the above evidences, the authors built a model to retrieve leaf chlorophyll and leaf water content through ground measured leaf spectra data and the simulated leaf chlorophyll and leaf water content are very accurate as compared to the ground measurements.     

光谱导航技术在果树果实定位中的应用

将光谱技术与导航技术有机结合是光谱分析技术的一个新颖且重要的应用方向。果实表面的反射光谱特征是果实物质的一种固有特征,果实与树叶、树枝的反射光谱在多个波段都有明显差异,根据果实表面反射光谱的不同, 进行导航定位是一项具有实用意义的研究课题。文章提出了一种光谱导航技术,将果实、树叶、树枝的反射光谱作为一个重要的导航参数,利用其差异进行导航。研究结果表明,果树叶光谱在可见-红外区具有明显的“平坦效应”; 果树枝光谱则是在很宽的波长范围内具有平稳的上升趋势; 而果实的反射率具有波动性变化。在850 nm处果实和叶子之间的反射率有较大差别,在这个波段附近设计阈值,则很容易识别果实与树叶。所提出的方法不仅可以快速区分果实、树叶和树枝,还可以有效消除外界环境的干扰。与传统的计算机视觉导航方法相比,光谱导航技术在果树果实定位方面具有一定的特色。     

近红外光谱检测技术及其在林业中的应用

近红外光谱是20 世纪80 年代以来发展最快、最引人注目的光谱分析技术。文章介绍了近红外光谱技术的发展历程和在国外的应用概况,重点列举了近红外光谱在林业中的成功应用实例。资料表明, 近红外光谱以其快速、无损伤、操作简单、稳定性好、效率高等特点,在国外的水果品质检测、木材性质检测和林业育种中的应用已成为一个活跃的研究领域。而近红外光谱技术在我国林业上的研究和应用则刚刚起步,因此本文对国内外利用近红外光谱技术在林业上的应用作一综述,并对近红外检测技术在林业上的应用进行了展望,以推动近红外光谱技术在我国林业科技和生产中的应用。     

基于近红外图像的温室环境下黄瓜果实信息获取

为实现温室环境机器人采摘作业中果实的品质判别和空间定位,研究了基于近红外图像的黄瓜果实识别及特征获取方法。分析比较黄瓜果实、茎、叶在各光谱波段的分光反射特性,确定采用850 nm干涉滤光片来获取图像,解决近色系目标、背景的区分问题;利用果实的灰度特征,将P参数阈值法用于图像分割,实现目标的初步识别,并对目标图像进行等间距区域化处理,依据区域块重心、面积差异滤除噪声、标记果实;根据黄瓜的形状纹理特征,计算果实中心线长度和弯曲度作为黄瓜的质量判别标准,利用果实与果柄交界处灰度的变化标记出可抓取区域。通过对温室场景下随机拍摄的包含30幅黄瓜果实图像和10幅无果实图像分别进行算法验证,结果表明识别准确率各为83.3%和100%,对抓取区域提取的成功率为83.3%。     

激光诱导水体频率上转换的荧光发射

用Nd：YAG的二倍频532 nm激光对几种不同水体的激光诱导荧光(LIF)光谱进行了测量,利用特征光谱荧光标记(SFS)技术指认出水体中溶解有机物(DOM)、叶绿素a(Chl a)及类胡萝卜素等物质的特征光谱带。指出在455 nm波长处具有较大强度的荧光峰是附属色素中抗氧化作用的类胡萝卜素(PPC)的贡献。提出了激光诱导PPC荧光频率上转换发射的动力学模型。     

高光谱影像的苹果花叶病叶片花青素定量反演

花叶病是苹果叶片常见的病毒性病害,患病叶片的花青素含量出现异常。以叶片花青素含量作为病害严重程度的定量化指标,使用高光谱成像技术获取感染花叶病的苹果叶片的高光谱图像,分析叶片的光谱特征,通过任意两个波段的反射率的不同数学组合,构建并筛选对染病叶片花青素含量高度敏感的最优光谱指数,进而建立苹果叶片花青素含量的高光谱估算模型,最终实现苹果叶片花青素含量分布状况的可视化表达。结果表明,随着病害严重程度的增大,苹果叶片的花青素含量升高;叶片染病区域的光谱反射率在整个可见光区域明显增加,而且出现了红边蓝移现象。通过两两波段组合构建的三种光谱指数(NDSI_(770,722),RSI_(717,770),DSI_(581,520))与苹果叶片花青素含量的相关系数绝对值均达到0.8以上。在构建的四种苹果叶片花青素含量估算模型中,选用三个光谱指数为参数、并使用偏最小二乘回归方法建立的Anth-PLSR模型精度最高(R2=0.823, RMSE=0.056)。采用Anth-PLSR模型对患病叶片的高光谱图像进行逐像元解算,得到苹果花青素含量分布图。进一步通过叶片花青素含量分布图计算苹果叶片整叶的花青素含量平均值,作为苹果叶片健康程度的定量化指标。此外,通过提取整叶光谱均值、使用同样模型可简洁有效地估算苹果整叶花青素含量平均值。为苹果叶片花叶病病害监测提供了一种直观、快速的技术手段。     

大白桃糖度的近红外漫反射光谱无损检测试验研究

该研究应用近红外(near infrared, NIR)漫反射光谱定量分析技术开展了金华大白桃的糖度检测试验研究。用偏最小二乘回归(partial least square regression, PLSR)方法在800～2 500 nm光谱范围建模,通过比较果汁和不同部位果肉所对应的相关模型的预测结果发现：用水果3个部位(顶部、中部、底部)共9个检测点的果肉平均光谱和糖度平均值建立的模型的结果比果汁或单独某个部位果肉(3个检测点)所建立的模型的结果要好。在此基础上,分析了光谱微分和散射校正预处理对建模结果的影响,结果显示微分光谱建立的模型不如原始光谱建立的模型的结果好,光谱的散射校正处理(用多元散射校正MSC和标准正态变量变换SNV两种方法)有助于提高模型的预测性能。最终建立桃子果肉平均光谱经MSC和SNV散射校正后与糖度的相关模型,MSC和SNV对建模结果的影响基本一致,MSC-PLSR和SNV-PLSR模型的相关系数Rcal和交互验证相关系数Rcross-v分别为0.997和0.939。该研究表明近红外光谱检测技术可用于金华大白桃糖度的定量分析。     

Investigation of the manganese stress on wheat plant by attenuated total reflectance Fourier transform infrared spectroscopy

ABSTRACT

The present paper deals with the investigation of the changes in chemical contents of the leaf of wheat seedling stressed by excess manganese using attenuated total reflectance Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR) technique. The infrared spectra of the leaves of control and manganese-treated wheat plants have been recorded in the spectral region 485–4000?cm^?1 at a resolution of 4?cm^?1. The recorded spectrum has been analyzed with the help of curve-fitting method for the quantitative estimation of chemical contents and conformational changes. The study indicated changes arising in the polysaccharide, lignin, amino acid, secondary structure of protein, and lipid in the leaves of control and manganese-treated wheat plants. Manganese treatment increased the amount of cellulose, lignin, and amide II till 200?μM concentration, while a decrease was observed at 1000?µM concentration. Manganese induced conformational changes in the secondary structure of protein which was indicated by shifting of the bands to the higher wavenumber and change in the β sheet/α helix ratio. In addition, manganese stress decreased lipid content in the leaves of the wheat seedlings. The study demonstrates the potential of attenuated total reflectance FTIR for the non-invasive and rapid monitoring of the plants stressed with heavy metals.     

不同地类春小麦拔节期冠层光谱与叶绿素差异研究

为实现对不同地类春小麦叶绿素含量的无损估测,通过分析春小麦冠层光谱与叶绿素含量的相关性,以及对其红边拐点位置与叶绿素含量做回归分析,分别建立了水浇地和旱地春小麦叶绿素含量估测模型并检验了模型精度。结果表明: (1) 拔节期水浇地和旱地春小麦叶绿素含量差异较大,且前者明显大于后者。虽然各地类春小麦光谱反射率与叶绿素含量均有很好的相关性,但旱地春小麦的相关性在可见光和近红外波段均低于水浇地。(2)在可见光范围,旱地春小麦冠层光谱反射率高于水浇地,而在近红外区则相反。阴坡地由于土壤水分高,春小麦长势较好,冠层光谱特点与水浇地差异不大。(3)建立的不同地类春小麦反射光谱红边拐点位置与叶绿素含量的监测模型表明,水浇地春小麦叶绿素含量的监测可用线性模型,预测精度达94.06%。而旱地则宜用二项式模型,预测精度为97.15%,比其线性模型高10.48%。     

不同病虫害危害程度下云南松针叶光谱模拟及其生化参数敏感性分析

明确植被叶片反射率对生化参数敏感程度是遥感定量反演生化参数含量的前提。本文以不同健康状态下的云南松针叶光谱为例,基于查找表法(LUT)对针叶光谱模型LIBERTY的叶绿素和水分吸收系数进行了标定。提出了一种新的光谱合成方法和枯黄指数YI,解决LIBERTY模型不能有效拟合严重受害程度的云南松针叶反射光谱曲线的问题。并应用EFAST全局敏感性分析方法,利用标定后的LIBERTY模型定量分析了不同受害程度的针叶生化参数敏感性变化。结果表明:(1)标定后的LIBERTY模型能有效拟合健康针叶光谱(R~2=0.999,RMSE0.01)、轻度(R~2=0.991,RMSE0.02)和中度受害针叶光谱(R~2=0.992,RMSE0.03);但是严重受害针叶光谱模拟能力很差(R~2=0.803,RMSE0.1)。(2)新光谱合成方法能有效拟合严重受害光谱(R~2=0.991,RMSE0.03);枯黄指数(YI)能够定量分析受害程度。(3)随着受害程度加深,针叶反射率对叶绿素、水分参数敏感度降低,而基吸收、白化吸收等参数敏感度增大,且存在敏感波段。如在505~565和705~850 nm范围白化吸收对针叶反射率作用明显;对于严重受害针叶,除了叶绿素之外白化吸收对可见光区针叶反射率影响也非常显著;通过引入白化吸收先验知识,发现如果能进一步确定白化吸收情况,能够提高严重受害针叶叶绿素反演的精度。     

近红外漫反射光谱法测定川西高原产沙棘中异鼠李素含量

提出了用近红外光谱技术快速测定川西高原产沙棘中异鼠李素含量的方法。对异鼠李素含量在0.1%～0.8%范围内的川西高原产沙棘, 采用SiO₂拌样法,测定其在 12 000～4 000 cm-1的近红外吸收光谱, 采用偏最小二乘算法建立了校正模型, 比较了光谱不同预处理方法对校正结果的影响 。当采用消除常数偏移量处理方法时能最有效地提取光谱中的有效信息, 此时校正集相关系数(r2)为0.739 8, 校正集标准偏差(SEC)为0.107, 预测集标准偏差(SEP)为0.073。该方法与传统方法相比更加快速简便。     

日光诱导叶绿素荧光与反射率光谱数据监测小麦条锈病严重度的对比分析

小麦条锈病是影响我国小麦产量的主要病害之一,在小麦受到条锈病菌侵染初期探测到病害信息,对小麦条锈病的防控以及产量和品质的提高具有更为重要的意义。反射率光谱主要反映植被生化组分的浓度信息,而日光诱导叶绿素荧光则对植物光合生理变化响应灵敏。为了更好地实现小麦条锈病病情严重度的遥感探测,尤其是条锈病的早期探测,对日光诱导叶绿素荧光和反射率光谱数据监测小麦条锈病病情严重度的敏感性进行了对比分析。首先利用地物光谱仪测定了不同病情严重度的小麦冠层光谱数据,基于夫琅和费暗线原理利用3FLD(three-band Fraunhofer Line Discrimination)方法提取了小麦条锈病不同病情严重度下的日光诱导叶绿素荧光数据,然后分别利用反射率光谱数据和日光诱导叶绿素荧光数据构建小麦条锈病不同发病状态下的遥感探测模型,并通过保留样本交叉检验方式对预测模型精度进行了评价。结果表明：（1）当小麦条锈病病情指数低于20%时,日光诱导叶绿素荧光对小麦条锈病病害信息的响应比反射率光谱数据更为敏感,以日光诱导叶绿素荧光为自变量构建的小麦条锈病病情严重度预测模型达到了极显著性水平,能够在植被叶绿素含量或叶面积指数发生变化之前探测到植物的胁迫状态,实现作物病害的早期诊断,而反射率光谱数据则难以探测到条锈病病害信息;（2）在小麦条锈病病情严重度处于中度发病(20%＜DI≤45%)状态时,虽然日光诱导叶绿素荧光和反射率光谱数据均能实现小麦条锈病病情严重度的遥感探测,但利用日光诱导叶绿素荧光数据构建的预测模型优于反射率光谱数据;（3）当小麦条锈病病情严重度达到重度水平(DI＞45%)时,利用反射率光谱数据和日光诱导叶绿素荧光数据构建的小麦条锈病病情严重度预测模型均达到了极显著性水平,两种数据均能够较好地实现小麦条锈病病情严重度的遥感探测。该研究结果对提高小麦条锈病的遥感探测精度具有重要的意义,为利用TanSat等卫星的荧光数据进行小麦条锈病的早期探测提供了参考依据。     

基于单叶反射光谱的转基因大麦光合特性分析

反射光谱分析可为植物叶片生理学过程、叶片表面及内部生化组分、结构特征等提供丰富信息。本文以转基因大麦及其原始栽培种为材料,基于单叶反射光谱检测研究了转基因大麦的反射光谱特征及指数的变化。研究结果表明,将不同大麦叶片反射率配对求得反射率比值曲线易于探查出不同大麦品系间反射光谱差异,且转基因大麦与传统对照差异较大的区域主要集中在650～700nm的红谷及红边位置附近,该波段的光谱反射率可能对外源基因的插入扰动反应敏感;而在550nm附近的绿峰及750nm以上近红外区的反射率基本无明显变化。反射光谱指数λRE,mND,SIPI,RRed/RGreen,PRI及NIRR800的差异性变化呈现出时间特性且取决于品系。如上述指数显著变化将意味着植物光合生理过程、功能及状态发生改变。     

Indication of the Expression of Transgene in Rice Plant Based on Hyperspectral Remote Sensing Technique Ⅱ——Growth Monitoring of Samples in the Contrast Experiment

Since the complication of monitoring and evaluating the problems about the transgenic expression and its impacts on the receptor in the transgenic crop breeding and other relevant evaluated works, the authors in the present work tried to assess the differences of spectral parameters of the transgenic rice in contrast with its parent group quantitatively and qualitatively, fulfilling the growth monitoring of the transgenic samples. The spectral parameters (spectral morphological characteristics and indices) chosen are highly related to internal or external stresses to the receipts, and thus could be applied as indicators of biophysical or biochemical processes changes of plant. By ASD portable field spectroradiometer with high-density probe, fine foliar spectra of 8 groups were obtained. By analyzing spectral angle and continuum removal, the spectral morphological differences and their locations of sample spectra were found which could be as auxiliary priori knowledge for quantitative analysis. By investigating spectral indices of the samples, the quantitative differences of spectra were revealed about foliar chlorophyll a+b and carotenoid content. In this study both the spectral differences between transgenic and parent groups and among transgenic groups were investigated. The results show that hyperspectral technique is promising and a helpful auxiliary tool in the study of monitoring the transgenic crop and other relevant researches. By this technique, quantitative and qualitative results of sample spectra could be provided as prior knowledge, as certain orientation, for laboratory professional advanced transgenic breeding study.     

PROSPECT模型的特征波长优化与作物叶绿素含量检测

叶绿素是作物生长诊断的重要参数,对其进行高效检测是农田精细化管理的基础。PROSPECT模型是作物光谱学检测研究的重要工具,可为建立高精度叶绿素诊断模型提供数据集基础。为了建立具有普适性的田间玉米作物叶绿素含量检测模型,使用PROSPECT模型输入叶片结构参数和生化参数模拟叶片400～2 500 nm波段反射率曲线10 650条。在其他参数设置保持不变的情况下,分析光谱反射率曲线对叶绿素含量参数的敏感性,结果显示叶绿素含量仅在400～780 nm区间对光谱反射率曲线产生影响。讨论了3种叶绿素检测特征波长筛选策略,分别为：根据敏感性分析结果,选出548～610和694～706 nm区域共计76个波长,记为SEN-BAND;基于反向区间偏最小二乘法（Bi-PLS）筛选5个区间共计91个波长,记为BP-BAND;基于连续投影算法（SPA）,在叶绿素影响区域400～780 nm筛选10个特征波长,记为SPA-BAND。进而使用2019年、2020年两年期田间实测玉米叶片光谱反射率曲线和叶绿素含量数据,分别应用上述3种方法选取的特征波长构建玉米叶片叶绿素含量检测模型。结果显示,使用SPA-BAND特征波长构建的模型,在两年期数据中均得到最佳结果。2019年数据模型建模集决定系数（R2_c）为0.815 6,建模集均方根误差RMSEC为2.908 6,验证集决定系数（R2_v）为0.799 5,验证集均方根误差RMSEV为2.997 7。2020年数据模型建模集决定系数（R2_c）为0.949 2,建模集均方根误差RMSEC为0.976 8,验证集决定系数（R2_v）为0.910 2,验证集均方根误差RMSEV为1.562 9。表明,基于PROSPECT模型筛选叶绿素含量特征波长建立的叶绿素诊断模型具有普适性。     

梨和苹果糖度在线检测通用数学模型研究

采用可见/近红外光谱技术在线检测水果糖度,每个水果品种要单独建模,模型升级维护耗时费力。探讨建立苹果、梨等薄皮水果可溶性固形物(SSC)在线检测通用数学模型的可行性。利用自行设计的可见/近红外漫透射光谱在线检测系统,在积分时间80 ms、单线速度5个/s的条件下,采集新梨7号、砀山酥梨、玉露香梨和富士苹果四种水果的可见/近红外漫透射光谱。分析了四种水果的可见/近红外漫透射光谱响应特性,采用变异系数法和连续投影算法,筛选通用数学模型建模用光谱变量,并建立了偏最小二乘和最小二乘支持向量机梨与苹果梨通用数学模型。采用新样品评价模型的预测能力,变异系数法筛选光谱波段建立的偏最小二乘通用数学模型预测精度最高,通用模型预测梨和苹果梨模型预测均方根误差分别为0.49%和0.55%,通用模型预测相关系数分别为0.88和0.93;独立模型预测新梨7号、玉露香梨、砀山酥梨和富士苹果的预测相关系数分别为0.93,0.91,0.88和0.95,预测均方根误差分别为0.40%,0.42%,0.41%和0.46%。通用数学模型的预测精度略低于每个品种的独立数学模型,但是通用模型的通用性高于单一模型。实验结果说明采用变异系数法结合偏最小二乘法建立薄皮水果在线检测通用数学模型,实现四种水果糖度在线检测是可行的。     

田间黄花梨糖度的可见/近红外光谱检测方法

提出了一种可克服背景光对田间光谱测量影响的方法。采集田间水果光谱时,环境背景光的干扰强,难以获取样品有效光谱信息。在田间采用套袋方式遮挡现场光线能得到较理想的结果,但检测效率低,仪器暗场校正和参考光谱校正等方法有利于减小模型误差,但不能有效消除环境光照的干扰。通过在测量探头前加装快门,打开快门时测得样品在仪器光源和背景光共同作用下的现场光谱,关闭快门时测得样品仅在现场环境光线作用下的背景光谱,将背景光谱从现场光谱中扣除进行背景光校正。利用偏最二乘法建立田间(背景光校正前、后)以及室内样品光谱建立黄花梨糖度预测模型,预测值与真实值的相关系数分别为0.1,0.69,0.92,均方根误差分别为0.89。Brix,0.42。Brix,0.27。Brix,预测集的RPD分别为0.79,1.69,2.58,结果表明实验所采用的背景光校正方法可有效减小田间环境光照对黄花梨可见/近红外光谱采集的影响,可用于田间水果的近红外光谱采集,有利于充分发挥可见/近红外光谱技术在果实采收前的田间管理、采收成熟度检测等方面的潜力。     

高光谱图像的海面溢油自动检测方法研究

海面溢油对海洋环境会生成许多有害物质,导致位于食物链底端的浮游生物大量死亡,进而危害整个海洋生态系统。高光谱遥感可以获取溢油和海水的空间分布信息和光谱分布信息,利用高光谱图像进行溢油检测具有更好的检测性能。针对高光谱图像的海面溢油检测过程中需要人工辅助的缺点,提出一种基于自适应匹配滤波的高光谱图像海面溢油自动检测方法。首先,利用场景中溢油的C—H键光谱特性,设计一种溢油参考光谱特征提取模型,获取溢油检测过程中的参考光谱。其次,依据海水、云以及溢油光谱反射特性的差异,选取海水、云和溢油差异最大的波段,分割海水像素,计算溢油检测过程中的背景参数。最后,将目标检测中经典的自适应匹配滤波方法进行适当的改进应用于溢油的检测。将该方法应用于实际墨西哥湾airborne visible infrared imaging spectrometer(AVIRIS)高光谱遥感影像的海面溢油的检测,结果表明该方法具有计算速度快,不需要人工辅助等方面的特点,可用于海面溢油的自动检测。