玉米叶片的光谱响应及其氮素含量预测研究

以不同施肥水平下两年玉米田间试验为基础,利用高光谱技术探讨大喇叭口期不同层次玉米叶片光谱响应的敏感区域,并依据叶片氮素含量与原始光谱反射率及其一阶导数的相关性,最终构建了叶片氮素含量的预测模型。结果表明：不同施肥水平下叶片光谱反射率差别明显区域集中在550 nm附近波段、761～1 300 nm波段,不同层次间叶片光谱反射率差别明显区域集中在550 nm附近波段,叶片氮素含量与470～760 nm波段光谱反射率及其一阶导数呈极显著相关。经过对比筛选,以光谱指数DSI(564,681)和DSI(681,707)构建的指数预测模型效果最好,预测精度达93.43%和93.39%,能有效估测叶片氮素含量。     

铀污染下的商陆叶片反射光谱特征与铀含量关系研究

通过室内盆栽试验,利用微分技术处理叶片反射光谱数据,研究铀污染下商陆叶片中的铀含量在不同光谱波段与原始光谱反射率、一阶导数光谱的相关关系,找到商陆铀污染诊断的敏感波段范围和最优光谱特征参数,并以相关性较好的敏感波段及光谱特征参数为自变量,与商陆叶片铀含量建立对应的估测拟合模型。如果以该模型为基础创建铀含量的冠层光谱模型,则有可能实现通过遥感影像监测叶片中的铀含量。实验结果表明：当商陆叶片中的铀含量为5.94～71.74 mg·kg-1时,叶片中铀含量与一阶导数光谱数据的相关性较原始光谱数据好,在749～766 nm区间内存在较好的相关性和光谱响应;根据上述相关性分析,选择14个光谱特征参数,计算他们与商陆叶片铀含量的相关系数,其中蓝边面积、红边位置、红边面积与蓝边面积的比值及红边面积与蓝边面积的归一化值与叶片铀含量的相关系数达到了0.05显著检验水平;选取一阶导数光谱中相关系数最高的波段757,758,760和761 nm处的值和上述相关性最高的4个光谱特征参数,与叶片铀含量建立多种形式的估测拟合模型,通过对拟合模型的精度检验,发现以红边面积与蓝边面积的比值、757和760 nm处反射率的一阶导数为自变量的拟合模型的预测效果较好,其中拟合效果最优的模型是以757 nm波段处反射率的一阶导数为自变量的三次函数模型,模型预测精度达到了89.8%。     

土壤氧化铁的高光谱响应研究

通过分析野外采集的13个土种的不同氧化铁含量原始土样和人工配制不同氧化铁含量土样的高光谱特征,研究了氧化铁对土壤反射率、土壤线参数、土壤有机质高光谱特征、土壤反射率光谱曲线形态的影响。研究结果表明,随氧化铁含量的增加,350～570 nm波段反射率降低,570～2 500 nm波段的反射率增加,氧化铁去除量与反射率变化量之间的相关性不明显;氧化铁含量与土壤线斜率呈线性负相关,与截距呈线性正相关,且均达到极显著相关水平,表明利用土壤线参数反演氧化铁含量具有可行性;在622～851 nm波段,氧化铁对有机质的高光谱特征具有明显的抑制作用;通过去包络线和统计F值与光谱角值表明,氧化铁对土壤反射光谱曲线形态有影响。     

油菜叶片和冠层水平氮素含量的高光谱反射率估算模型

通过设计实验首先确定是否可以用油菜叶片反射率光谱预测其氮素含量,以及是否可以用预测的光谱特征值与氮素含量建立相关模型。实验结果表明,反射率光谱的转化形式R的一阶微分为预测油菜氮素含量的最佳形式,最佳波段选择与其他研究结果相似。短波红外光谱波段能较好预测氮素含量,但是选择的高相关性短波红外区域一般都较窄,因此可用高光谱和高辐射分辨率来准确描述油菜光谱特征。短波红外反射率的变化主要是由于植被化学信号的改变而引起的。直接太阳辐射率、观测设备、叶片振动以及大气湿度的细微变化都可能引起光谱一阶微分的变化。冠层反射率一阶微分R′建立的逐步回归模型拟合度较高。     

不同干扰程度的盐渍土与其光谱反射特征定量分析

通过对新疆阜康500水库下游的盐渍化土壤实地定点取样和光谱测量,利用光谱变换、相关分析等方法,定量探讨了不同人为干扰程度的土壤盐分、水分与光谱反射率之间的关系,并建立了土壤反射光谱与盐分含量之间的多元线性回归预测模型。结果表明：(1)人为干扰程度与土壤盐分呈极显著正相关,而与土壤水分呈极显著负相关,相关系数分别为0.961和-0.929。(2)在不同干扰程度与土壤光谱反射率的关系中,重度干扰的土壤反射率比轻度干扰土壤的反射率高10%,比未干扰高17%。这是由于人为干扰破坏了土壤表面的少量植被及生物、物理结皮,土壤表层因缺乏保护,水分会迅速蒸发,并将土壤下部的盐分带到上部,加之降水稀少,盐分在表层聚集。干扰程度越高,结皮破坏越严重,土壤积盐越多,反射率越高。(3)随干扰程度的不断增加,土壤原始光谱反射率与盐分相关系数的两个最大值逐渐向近红外波段偏移(999,876～979,1 182～1 370和1 900 nm),这预示着,在近红外区土壤光谱反射率对盐分含量更为敏感。(4)利用反射率R、反射率一阶导数R′、反射率R+水分分别建立了不同干扰程度的三类土壤盐分含量预测模型。综合R2和RMSE判断模型精度,在不同干扰程度下,同类型的土壤含盐量预测模型中,干扰程度越小,模型精度越高;而在相同干扰程度下,不同类型的土壤含盐量预测模型中,均以一阶导数R′建立的模型预测效果最优,R2均超过0.983。总体上,模型精度提高了5%～10%,表明原始光谱经过一阶导数变换处理,可以去除部分线性背景值的干扰,提高预测土壤含盐量的精度。     

三亚鹿回头海域珊瑚、团扇藻和砂反射率光谱分析

以海南三亚湾鹿回头附近海域常见的8种优势造礁石珊瑚的反射率光谱代表该海域珊瑚的反射率光谱,用光纤光谱仪测量它们和此海域常见底质团扇藻、砂的反射率光谱。利用反射率、导数光谱法分析研究了该海域造礁石珊瑚、团扇藻和砂反射率光谱的差异。分析表明500～ 700 nm和珊瑚反射率差异相对较大;珊瑚反射率光谱明显低于砂反射率光谱,反射率谱线整体差异显著。导数分析结果显示造礁石珊瑚、团扇藻和砂的可区分波段为：石珊瑚与团扇藻的一阶导数,主要为415.1～425.6,482～487,514.5～529,577～587.6和631.9～644 nm等波段。二阶导数主要为,413～418.7,427.4～432.5,462.3～470.6,494.4～503.6,551.6～561.4,590～594和639～643 nm波段。四阶导数主要为,412.2～418.4,420.5～425.3,470.9～480.2,481.3～486.9,540.8～545.7,560～568.3和635.6～639.6 nm等波段。石珊瑚与砂的一阶导数,主要为400～413.7,514.5～529.6,576.9～587.6和602.7～667 nm波段。二阶导数主要为,420.5～430.7,446.9～458.8,467.3～472.3,537～544.3,556.8～561.4,582.8～587.2和637.6～649.4 nm。四阶导数主要为,414.4～418.7,419.5～430.3,486.9～495.8,534.2～540.1,579～583.1,622.7～627.5,640～645和665.4～672.8 nm等波段。     

基于线性回归算法的春玉米叶面积指数的冠层高光谱反演研究

利用辽宁锦州地区2013年生长季不同土壤水分控制条件下的春玉米冠层高光谱数据,及对应的植株叶面积指数(leaf area index,LAI)数据,分析在不同发育期内不同生长状况下的春玉米冠层高光谱特征及其与植株叶面积指数的关系。采集并计算共313组有效样本,包括350～2 500 nm波段范围光谱的反射率、反射率倒数的对数、反射率一阶导数及LAI,应用多元逐步线性回归法和偏最小二乘回归法,对剔除了受大气水分影响较为严重光谱波段的其他波段数据进行降维,构建叶面积指数的全波段冠层高光谱数据模型,并进行精度检验与比较。结果表明,春玉米LAI与光谱反射率在可见光波段(350～680 nm)、红外波段(1 430～1 800和1 950～2 450 nm)均呈显著的负相关;反射率倒数的对数在对应区间为显著的正相关;反射率一阶导数则在可见光和近红外波段(350～1 350 nm)存在较显著相关波段。三种全波段冠层高光谱数据在春玉米LAI的线性回归中,偏最小二乘法在以冠层反射率为自变量的模型构建中,比多元逐步线性回归拟合度好,其总均方根误差为0.480 7;以冠层光谱反射率的倒数的对数及一阶导数为自变量,应用逐步线性回归法建模,拟合度较好,其总均方根误差分别为0.333 5和0.348 8;三种光谱数据的春玉米LAI两种回归算法中,以冠层反射率倒数的对数为自变量,应用逐步线性回归方法建模的拟合度最佳。     

三亚鹿回头海域珊瑚、石莼和碎石反射率光谱分析

以南海三亚湾鹿回头海域八种常见造礁石珊瑚优势种的反射率光谱为代表,用光谱仪测量它们和此海域常见底质石莼以及碎石的反射率光谱。通过反射率、导数光谱法研究了三亚鹿回头海域造礁石珊瑚、石莼和碎石的光谱差异。石莼于561.4 nm处出现反射率高达48%左右的显著波峰,在500～700 nm波长范围和造礁石珊瑚反射率差异较大;碎石反射率明显高于造礁石珊瑚反射率,整体差异显著。导数分析结果表明造礁石珊瑚、石莼和碎石可区分波段为：造礁石珊瑚与石莼主要为一阶导数在485～487,505～510,515～529,559～578,587～593,598～603和667～670 nm等波段。二阶导数在494.4～505.7,524～534.5,543.6～561.4和567.2～579.7 nm波段。四阶导数在515.8～430,621～627.1,628.8～635.6,639.3～645,661.8～669.8和678.4～682.4 nm等波段。造礁石珊瑚与碎石一阶导数反射光谱,主要为400～413.7,414～418,484.8～486.9,506～509.6,514.5～528.9,576.9～587.6和602.7～653.4 nm波段。二阶导数主要为,451.6～461.6,564.5～570.7和677～685 nm。四阶导数主要为,412.6～425.3,459.8～467,467.7～470.6,535.6～540.8,583.8～591.4,654.4～659.8和670.8～680 nm等波段。     

苹果花期的冠层高光谱特征研究

系统分析苹果花期冠层高光谱特征,探明其敏感光谱波段,为大面积苹果树信息提取与营养状况的遥感反演等提供理论依据。利用ASD Field Spec 3便携式地物光谱仪实测的120个苹果花期的冠层高光谱数据,在分析了不同累计样本容量对花期冠层高光谱特征影响的基础上,采用方差分析的方法,明确了苹果花期的冠层高光谱特征及反映花期冠层高光谱的敏感波段。结果表明,随着累计样本容量的增加,苹果花期的高光谱曲线趋于稳定、平滑。在550 nm绿峰处和760～1 300 nm的反射高原区,反射率随着花量的增多而减小,在670 nm的红谷处,反射率随着花量的增多而增大;在350～400 nm,400～500 nm,600～680 nm,760～1 300 nm波段的方差分析结果极显著,是反映花期冠层光谱的敏感波段;随着花量的增多,红边位置、红边斜率和红边面积有逐渐减小的趋势。     

棉花单叶黄萎病病情严重度高光谱反演模型研究

对棉花单叶黄萎病病情严重度与原始及一阶微分光谱反射率、高光谱特征参数进行相关分析,构建病情严重度反演模型。结果表明：可见光和短波红外波段光谱反射率随病情严重度增加而增大,且可见光波段光谱反射率差异比短波红外波段更为显著。以红边面积为自变量的线性模型(r=0.669 6)及以波长694 nm处原始光谱反射率为自变量的对数模型(r=0.679 4)均能较好反演病情严重度。通过模型精度检验发现,以714 nm 处一阶微分光谱反射率为自变量的线性模型为病情严重度诊断的最佳模型,即y=-282.3x+3.811 2,该模型具有最大相关系数(拟合r=0.699 2,预测r=0.941 0),最小均方根误差(0.257 1)和相对误差(12.74%)。文章结果对深入研究棉花黄萎病遥感监测机理提供了理论依据,对利用高光谱遥感数据获取病害信息具有重要应用价值。     

异丙甲草胺农药残留吸收光谱检测方法研究

除草剂可以快速、有效地进行除草，已被广泛应用，但是在除草剂使用同时也会对周围环境和农作物带来一定程度的污染，例如农业生产过程中经常发现由于除草剂使用不当而使果树中毒的现象。异丙甲草胺是一种酰胺类选择性除草剂，被广泛应用于旱地作物、蔬菜和果园、苗圃。根据相关文献报道，基于气相色谱法、气相色谱-质谱联用法和固相萃取等方法可以实现异丙甲草胺残留检测，而基于吸收光谱法对异丙甲草胺的分析未见相关文献报道，提出直接利用吸收光谱及其导数光谱分析法实现异丙甲草胺农药及其在苹果汁中的农药残留检测。首先利用分光光度计对不同浓度异丙甲草胺药液进行吸收光谱实验研究，发现在266 nm处有明显吸收光谱特征峰。对农药吸收光谱进行拟合分析，得到异丙甲草胺药液浓度和吸光度之间预测模型函数方程，函数方程为y=2.147 09x+0.031 98，相关系数为0.998 5。然后利用分光光度计对苹果汁-异丙甲草胺混合溶液进行吸收光谱实验研究，相对于纯苹果汁吸收光谱，在混合溶液吸收光谱中发现266 nm处为异丙甲草胺所对应的特征峰。对苹果汁中药物浓度和吸光度进行建模，模型函数为：y=0.704 9+0.826 8x，其相关系数为0.991 1。可以看出，当苹果汁中异丙甲草胺残留量很低时，其农药吸收光谱特征峰并不明显。为进一步提高检测效果，对混合溶液吸收光谱进行一阶导数处理，得到其一阶导数吸收光谱。与苹果汁吸收导数光谱相比较，苹果汁-农药混合溶液导数光谱有两个明显特征光谱峰，分别位于269和276 nm处。进一步分析苹果汁-异丙甲草胺混合溶液的导数吸收光谱峰值与农药含量之间的关系，对异丙甲草胺含量与导数光谱吸光度进行函数拟合。其中269 nm对应预测模型函数关系式：y=0.005 3-0.090 6x，相关系数r=0.992 5；276 nm对应预测模型函数关系式为y=-0.000 769-0.302 8x，相关系数r=0.990 6。为验证由吸收光谱和其一阶导数光谱所得苹果汁中农药残留预测模型的准确性，另外配置五种浓度苹果汁-异丙甲草胺混合溶液。然后在同等条件下对其进行吸收光谱实验，将266，269和276 nm处的吸光度分别代入对应模型函数可求得浓度预测值，结合已知浓度值可计算其平均回收率，其中吸收光谱266 nm对应平均回收率为104.68%，导数光谱269 nm对应平均回收率为104.59%，276 nm对应平均回收率为105.18%。对苹果汁中异丙甲草胺检测模型进行分析，计算得到检出限(LOD)和定量限(LOQ)参数值，其中原始吸收光谱对应LOD和LOQ分别为0.014 8和0.049 2 mg·mL-1，一阶导数光谱对应LOD和LOQ最小值分别为0.001 5和0.004 9 mg·mL-1。研究结果表明，采用吸收光谱方法对苹果汁中异丙甲草胺进行直接检测与分析是快速和可行有效的，而且对吸收光谱进行导数运算处理后，检测效果更优。     

苹果树叶片叶绿素含量高光谱估测模型研究

叶片叶绿素含量是评估果树长势和产量的重要参数,实现快速、无损、精确的叶绿素含量估测具有重要意义。本研究以山东农业大学苹果园为试验区,采用高光谱分析技术探索苹果树叶片叶绿素含量的估测方法。通过分析叶片高光谱曲线特征,对原始光谱分别进行一阶微分、红边位置以及叶面叶绿素指数(LCI)变换,分别将其与叶绿素含量进行相关分析及回归分析,建立叶绿素含量估测模型并进行检验,从中筛选出精度最高的模型。结果显示,以LCI为变量的估测模型以及以一阶微分521和523nm组合为变量的估测模型拟合精度最高,决定系数R2分别为0.845和0.839,均方根误差RMSE分别为2.961和2.719,相对误差RE%分别为4.71%和4.70%。因此LCI及一阶微分是估测苹果树叶片叶绿素含量的重要指标。该模型对指导苹果树栽培生产具有积极意义。     

ICP-MS法分析不同种质荒漠肉苁蓉矿质元素分布特征

矿质元素是中药材品质评价的重要指标之一,与中药材功效物质合成及其功效的发挥密切相关,中药材矿质元素含量受其种质、采收时期、药用部位、产地等因素的影响。荒漠肉苁蓉是我国著名补益中药,也是药食同源类药材,其矿质元素含量越来越受到人们关注。应用ICP-AES法测定了黄花、白花、紫花三种类型荒漠肉苁蓉不同部位4种常量矿质元素和8种微量矿质元素含量。结果表明：（1）不同类型荒漠肉苁蓉均含有K、Ca、Mg、Na、Fe、Mn、Cu、Zn、Cr、As、Pb和Cd元素,但不同类型荒漠肉苁蓉矿质元素含量差异较大,黄花肉苁蓉矿质元素含量低于白花肉苁蓉和紫花肉苁蓉;白花肉苁蓉K、Ca、Mg、Na、和Cu含量高于紫花肉苁蓉,而Zn、Cr和Cd含量低于紫花肉苁蓉。（2）荒漠肉苁蓉中12种矿质元素分布特征差异明显,K、Ca、Mg、Na和Cu主要分布在上部。（3）荒漠肉苁蓉不同部位矿质元素比值差异显著,三种类型荒漠肉苁蓉K/Na值均为下部>中部>上部;Mg/Fe值紫花、白花类型中部最高,黄花类型上部最高;Zn/Mn比值紫花和黄花类型中部最高,而白花类型下部最高;Cu/Cr值白花和黄花类型上部最高,紫花类型中部最高。研究结果将为荒漠肉苁蓉的良种选育和质量控制与利用提供数据支撑。     

基于近红外在线装置苹果糖度模型参数优化研究

糖度(SSC)是苹果内部品质主要评价指标之一,近红外光谱技术是预测苹果SSC的首选技术,优化近红外光谱采集装置的参数,可以提升模型的性能。采用本课题组自主研发的动态在线设备采集苹果的近红外光谱(350～1 150 nm),研究不同参数条件下(运动速度、积分时间和光照强度)对近红外光谱预测苹果糖度模型的影响,优化动态在线装置的参数。210个红富士苹果被分为两批,第一批90个苹果样品,经过Kennard-Stone算法(K-S)算法分为建模集和预测集,用于研究不同运动速度、不同积分时间对苹果SSC含量在线预测模型的影响。在0.3和0.5 m·s^-1两种运动速度下,使用多元散射校正(MSC)、小波变换(WT)、标准正态变量变换(SNV)对采集到的光谱进行预处理,对不同移动速度的光谱构建糖度的偏最小二乘回归模型(PLS),结果表明：装置的运动速度为0.5 m·s^-1所建立的预测模型性能较优,在四种不同积分时间中,积分时间为120 ms时,经SNV预处理所建立的模型性能最优,其预测集的相关系数和均方根误差分别为0.968和0.331。第二批苹果120个...     

基于K-S算法的水质硝酸盐含量光谱检测方法研究

应用紫外光谱对水体中的总氮进行测定,常规的测定方法在分析精度上依赖于所建立的光谱数学模型.测量过程中所依据的紫外光谱数据波段较多,模型的建立所依据的测试样本也比较多,因而很容易引入干扰光谱信息.对水质样本的原始光谱进行一阶微分处理后,采用Kennard-Stone算法对41个样本进行优选,选出30个作为训练集,剩余11...     

基于无线传感网的温室花卉自适应调控系统

针对传统温室控制系统大多只是简单地采集环境参数如空气温湿度,并且缺乏长期评估和有效反馈机制的问题,文章提出了一种基于无线传感网的温室花卉自适应调控方法,并实现了一个综合传感、决策、执行反馈的软硬件系统。为此,系统中设计了基于Zigbee的传感器节点模块、传输网关和控制指令集。传感器节点模块可以灵活地布置并实时可靠的传输数据。中间件系统则通过控制指令集接收传感数据和发送反馈控制指令。上层应用管理软件可以实时查看花卉、温室和设备的实时状态以及各种参数。运行结果表明,本系统可以实时采集温室温湿度,并结合专家规则通过中间件系统对花卉生长环境进行有效的评估和精准的反馈调控,达到了在降低温室花卉培育成本的同时,也提高了高端花卉培育成功率的目的。     

典型食品果汁中百菌清农药残留荧光检测建模研究

利用荧光分光光度计对典型食品果汁(苹果汁和桃汁)与百菌清混合体系进行了荧光光谱检测,发现在352 nm处有明显百菌清药物特征峰。对混合体系的荧光发射光谱和其导数光谱进行回归分析建模,得到果汁中百菌清浓度和荧光强度之间的预测模型函数。在两种光谱模式下所建指数预测模型函数相关系数都高于0.99,优于线性模型函数;针对两种果汁,原始光谱模式下所建指数模型函数平均回收率分别为101%和100%,线性模型平均回收率分别为110%和118%;导数光谱模式下,两种果汁中百菌清指数函数预测模型平均回收率分别为101%和102%,而线性模型平均回收率分别为109%和120%。研究结果表明可以通过荧光光谱法直接实现果汁中百菌清残留检测,且指数函数预测模型优于线性模型,同时表明在果汁-百菌清混合体系的农药残留定量预测中,导数荧光光谱方法并无显著优势,可直接选用荧光原始光谱建模分析。     

药食两用花卉中营养元素的光谱测定

拓扩ＳｐｅｃｔｒｏＡＡ－１０（Ｖａｒｉａｎ）原子吸收分光光度仪对部分药、食两用花卉中的营养元素进行了分析。结果表明：与普通叶菜类比较，花卉中营养元素含量颇丰，其中尤以Ｆｅ、Ｃａ、Ｍｇ、Ｃｏ等更显著，且花卉是一种典型的高Ｋ低Ｎａ食品资料，极具开发意义。     

虚拟超谱图技术的可行性验证

为验证虚拟超谱图在探测生物体内部成分和结构信息的可行性,搭建虚拟超谱图系统并以苹果为材料进行实验。通过三组实验:(1)对比检测正常苹果与掺有杂质苹果的虚拟超谱图;(2)对比检测苹果切片与切片中嵌有红色滤光片的虚拟超谱图;(3)检测苹果、掺杂质苹果、苹果切片和切片中嵌有滤光片四种情况下反射光谱。实验结果表明虚拟超谱图可以探测到苹果内部成分和结构的变化,且比反射光谱能得到更多的内部信息,并为今后应用于人体检测提供了有力的佐证。虚拟超谱图可以实现多信息及多信息交叉系统的、同步的检测,为生物信息检测提供新思路,有望为体内疾病临床快速检查提供更多依据。     

火焰原子吸收光谱法测定12种药用植物花中金属元素

采用浓硝酸-高氯酸(4+1)溶解消化方法进行样品处理,火焰原子吸收光谱法对12种药用植物花中Na、K、Ca、Mg、Zn、Fe、Cu、Mn、Cr、Pb、Ni、Co和Cd13种金属元素分析测定.研究测定不同元素仪器的最佳工作条件、方法的准确性、精密度及介质硝酸浓度对各元素测定结果的影响.结果表明:在实验范围内,硝酸浓度对测定结果无明显影响.12种药用植物花富含人体所需的金属元素Na、K、ca、Mg、Zn、Fe、Cu、Mn.研究发现同一品种不同地区的药用植物花中元素的含量存在一定的差异,同一地区同一品种不同时期采集的药用植物花中元素的含量也存在差异.该方法校准曲线线性关系良好(r=0.9969-1.0000),加标平均回收率在96.2%-109.9%,RSD平均值在0.55%-2.90%,在选定的测定条件下,各元素间相互无干扰,火焰原子吸收光谱法快速、简单,结果可靠.