基于反射光谱的温室黄瓜叶片磷素含量分析与预测

以温室栽培黄瓜作物为对象,分析了叶片反射光谱与叶片磷素含量之间的相关关系,并建立了预测模型。首先利用便携式光谱辐射仪测量了自然光照条件下温室黄瓜叶片的光谱反射率,并计算了反射率光谱的一次微分光谱。相关分析表明反射率光谱与叶片含P量之间具有一定的相关性,但线性相关不显著。利用微分光谱可以部分消除系统误差、背景噪声等的影响,明显提高了相关系数,但预测模型精度仍然达不到实用程度。在理论分析的基础上,选取978,920,737和458 nm等4个波长作为特征波长,分别利用人工神经网络和支持向量机建立了黄瓜叶片P素含量对应于微分光谱特性的非线性预测模型,结果表明两种算法都获得了较好的预测效果,支持向量机模型的预测能力(R_v=0.754)优于人工神经网络模型(R_v=0.712)。     

温室番茄冠层和叶片光谱特征分析及营养诊断

通过温室基质栽培,利用ASD光谱仪和傅里叶光谱分析仪测量了四种营养水平下温室番茄冠层和叶片的光谱反射曲线,并检测了对应叶片的水分含量、叶绿素含量和氮含量,分析了不同营养水平下番茄冠层和叶片的反射光谱变化,并对番茄叶片含水量的敏感波长以及冠层反射光谱的红边波长进行了研究。结果表明:温室番茄冠层反射光谱曲线在可见光550nm左右均有叶绿素的强反射峰,近红外区反射率高于可见光区。在同一生长期,随基质营养水平的提高,番茄冠层反射率在可见光波段不断减小,在近红外波段不断增大,且红边波长位置出现"红移"现象。利用530和760nm特征波长得到的归一化颜色指标NDCI与叶片氮含量有较好相关性,R2为0.7511。     

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。     

冬枣光谱数据的灰色关联分析及叶片氮素含量预测

采用灰色理论对冬枣叶片氮素含量和光谱反射率之间进行了灰度关联分析,分析结果显示波长560,678以及786 nm处的光谱反射率(G560,R678,NIR786)与冬枣叶片氮素含量之间的灰色关联度最高。利用上述三个特征波段光谱反射率计算得到的植被指数共计9个。进一步运用灰色系统理论分析了九种植被指数与叶片氮素含量的灰色关联度,结果显示：归一化植被指数(NDVI)、绿色比值植被指数(GRVI)、归一化差异绿度植被指数(NDGI)、绿色归一化植被指数(GNDVI)和组合归一化植被指数(CNDVI)等5个指数与叶片氮素含量的灰色关联度较高。利用3个特征波段的光谱反射率和5个关联度较高的植被指数,分别采用最小二乘支持向量机(LS-SVM)以及GM(1,N)模型建立了冬枣叶片氮素含量预测模型。结果表明,采用特征波段光谱反射率(G560,R678,NIR786)建立的冬枣叶片氮素含量GM(1,N)模型的精度最高,预测R2达0.928,验证R2达0.896。     

基于高光谱的苹果花氮素含量预测模型研究

苹果花氮素含量是反映其质量高低的重要因素,利用高光谱技术对苹果花氮素含量进行定量化反演,可为苹果信息化管理提供理论依据。在室内条件下,利用ASD FieldSpec 3地物光谱仪,测定了120个盛花期苹果花样品的高光谱反射率,并化验了其氮素含量。在分析苹果花原始光谱和一阶导数光谱特征的基础上,与其氮素含量进行相关分析,确定敏感波段,构建特征光谱参数,建立氮素含量预测模型,对模型进行了优选和检验。结果表明,苹果花氮素含量与原始光谱反射率在374～696,1 340～1 890,2 052～2 433 nm波段呈极显著负相关,在736～913 nm呈极显著正相关;与一阶导数光谱反射率在637～675 nm呈极显著负相关,在676～746 nm呈极显著正相关。构建的6个特征光谱参数与苹果花氮素含量均呈极显著相关。通过进一步比较和筛选,确定了基于640 nm和676 nm原始光谱反射率的2个苹果花氮素含量最佳预测模型。经检验,模型决定系数R2分别为0.825 8和0.893 6,平均预测精度达92.9%和94%。研究成果为快速预测苹果花氮素含量及苹果的实时营养诊断提供了理论依据和技术支撑。     

基于高光谱分析的玉米叶片氮含量分层诊断研究

为了明确不同生育时期进行玉米氮素营养诊断的叶片层位,建立准确稳健的玉米氮素营养诊断模型,以达到合理追施氮肥,提高氮肥利用率的目的。试验采用单因素盆栽试验设计,以玉米（郑单958）为研究对象,应用高光谱技术,分析了不同氮营养水平下不同生育时期不同层位玉米叶片的氮含量分布和变化规律及光谱响应特征;并依据叶片氮含量与光谱反射率的相关关系,叶片氮含量与全波段(400～2 000 nm)任意两两波段组合构建的比值光谱指数(RSI)的回归关系,初步确定了不同生育时期进行氮素营养高光谱诊断的目标叶片,筛选出最优的比值光谱指数,建立了叶片氮素含量估算模型。结果表明：玉米叶片氮含量：上层>中层>下层;随着玉米的生长,在低氮条件下上层叶片氮含量呈先减少后增加（追肥）再减少趋势,在高氮条件下呈减少趋势,中下层叶片氮含量呈递减趋势。六叶期下层玉米叶片光谱反射率敏感范围较大,相关性较强;九叶期和灌浆期上层玉米叶片的光谱反射率敏感范围较广,相关性较强;开花吐丝期中层叶片的光谱反射率敏感范围较大,相关性较强。六叶期选取下层叶作为诊断目标叶,选取最佳比值光谱指数RSI(1 811, 1 842)建立线性估算模型,九叶期和灌浆期选取上层叶片作为诊断目标叶,选取的最佳比值光谱指数分别为RSI(720, 557),RSI(600, 511)建立线性估算模型,开花吐丝期选取中层叶片作为诊断目标叶,选取比值光谱指数RSI(688, 644)建立线性估算模型。研究结果可为快速准确地利用光谱技术进行玉米叶片氮素营养诊断提供理论依据。     

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。     

基于叶片光学属性的作物叶片水分含量反演模型研究

叶片含水量是反映作物生理特性的一个重要参数, 对生态环境的研究具有重要意义。采用小波分析方法, 分析叶片含水量对反射率的影响特征, 建立综合利用多波段信息的作物叶片水分含量反演模型。基于PROSPECT模型的辐射传输理论, 推导出由叶片反射率光谱的小波系数反演叶片水分含量CW的理论模型。利用六种常用的小波函数, 对叶片组分水、干物质和白化基本层的吸收光谱进行小波分解。选取对水分变化最敏感, 同时对其他组分不敏感的分解尺度和波段位置, 找到能稳定突出水的光谱特征的小波系数。结果表明: bior1.5小波函数在尺度为200 nm, 波段位置为1 405和1 488 nm的小波系数具有上述特征。建立由叶片反射率光谱的bior1.5小波系数反演叶片水分含量CW的反演模型, 模型有两个转换系数a和Δ都受叶片结构参数N的影响。利用PROSPECT模型生成模拟光谱数据集, 校正建立的叶片水分含量反演模型中的两个转换系数a和Δ, 并与LOPEX93实验光谱数据集结合验证反演模型。结果表明: 反演模型不仅比传统基于植被指数的统计模型在精度上有提高(反演值与实测值的R2最高达到0.987), 而且更加稳定, 普适性更高。研究表明, 小波分析方法在利用高光谱数据反演作物叶片水分含量方面具有独特的优势。     

基于叶片光学属性的作物叶片水分含量反演模型研究

叶片含水量是反映作物生理特性的一个重要参数,对生态环境的研究具有重要意义。采用小波分析方法,分析叶片含水量对反射率的影响特征,建立综合利用多波段信息的作物叶片水分含量反演模型。基于PROSPECT模型的辐射传输理论,推导出由叶片反射率光谱的小波系数反演叶片水分含量C_W的理论模型。利用六种常用的小波函数,对叶片组分水、干物质和白化基本层的吸收光谱进行小波分解。选取对水分变化最敏感,同时对其他组分不敏感的分解尺度和波段位置,找到能稳定突出水的光谱特征的小波系数。结果表明：bior1.5小波函数在尺度为200 nm,波段位置为1 405和1 488 nm的小波系数具有上述特征。建立由叶片反射率光谱的bior1.5小波系数反演叶片水分含量C_W的反演模型,模型有两个转换系数a和Δ都受叶片结构参数N的影响。利用PROSPECT模型生成模拟光谱数据集,校正建立的叶片水分含量反演模型中的两个转换系数a和Δ,并与LOPEX93实验光谱数据集结合验证反演模型。结果表明：反演模型不仅比传统基于植被指数的统计模型在精度上有提高(反演值与实测值的R2最高达到0.987),而且更加稳定,普适性更高。研究表明,小波分析方法在利用高光谱数据反演作物叶片水分含量方面具有独特的优势。     

光谱技术结合BiPLS-GA-SPA和ELM算法的生菜冠层氮素含量检测研究

氮素是影响生菜产量和品质的重要因素,光谱技术是检测作物氮素含量最有效的手段之一。通过获取不同氮素水平下生菜冠层的反射光谱,对其进行FDSGF（first-order derivative based savitzky-golay filt）滤波后,利用后向区间偏最小二乘算法（BiPLS）、遗传算法（GA）及连续投影算法（SPA）对特征波长进行梯度提取,最终从2 151个波长点中提取了8个与生菜氮素最为相关的特征波长。分别利用多元线性回归（MLR）、径向基函数神经网络（RBFNN）及极限学习机（ELM）三种算法建立了基于特征波段或特征波长的8个生菜冠层氮素含量检测模型。结果表明： BiPLS-GA-SPA-ELM模型（RMSEC=0.241 6%,R_c=0.934 6,RMSEP=0.284 2%,R_p=0.921 8）的预测结果优于其他模型,为指导合理施肥和开发便携式仪器提供了理论基础。     

双波长抽运拉锥光子晶体光纤产生超连续谱研究

利用1064 nm抽运光在总长度为1 m的光子晶体光纤(PCF)的前半段(77 cm)通过四波混频产生747 nm短波信号光,并对光纤的后半段进行拉锥处理,拉锥光纤具有707 nm和1177 nm两个零色散点(ZDW).利用1064 nm抽运光和产生的747 nm信号光共同在两个零色散点之间的反常色散区抽运拉锥光子晶体...     

光纤湿敏球腔传感采集校准组合装置的技术问题初探

本文研制了一种光纤耦合湿敏监测装置,此装置采用MEMS微位移传感器来进行湿敏微腔耦合位置的辅助校准,再用光强传感器对耦合输出的光波进行湿度感测和量化。这种基于MEMS位移传感器的耦合位置校准方法与现有的校准平台相比,无需外加太多繁琐、庞大的仪器装置,就可获得精准又便捷的校准效果。另外在传感系统后端可进行可编程控制程序开发,用加载的数据采集卡来实现湿度敏感单元敏感量的采集与显示。     

双激光光源光吸收法甲烷浓度光纤监测仪

基于Lamber Beer定律,利用波长为1.33μm的脉冲InP/InGaAsP半导体激光器作为测量光源,用低损耗的光纤进行光信号的传输,并以钽酸锂热释电探测器作为光电转换器件,实现了一种可远距离监测甲烷浓度的仪器。该仪器主要由光纤传感系统、信号放大与处理系统和显示系统三部分组成。介绍了该仪器的基本结构与工作原理,讨论了其中的技术难点及其相应的解决方法。     

基于可见光光谱分析的黄瓜白粉病识别研究

白粉病是黄瓜常见病害之一,传播速度极快,严重时可造成黄瓜大量减产,对其进行快速准确识别,对黄瓜白粉病诊断和防治具有重要意义,应用可见光谱技术,结合主成分分析和支持向量机算法,实现对黄瓜白粉病的快速识别。配制白粉病菌孢子悬浮液,并人工接种于科研温室内的黄瓜叶片上,以诱发黄瓜白粉病,待白粉病有一定面积暴发后,利用海洋光学USB2000+型便携式光谱仪对黄瓜叶片光谱信息进行采集,利用五点取样法采集样本,在5个检查点,每点选取2株黄瓜进行调查,每株选取4枚感病叶片,每枚叶片随机选取5个感病区域进行光谱采集,共计采集200个感病叶片光谱样本,同样采集200个健康叶片样本作为对照。通过Ocean Optics Spectra-Suite软件采集漫反射标准白板信息和光谱仪暗电流实现光谱仪校正,调节积分时间、扫描次数以及平滑度等参数来实现光谱曲线平滑处理,以有效抑制光谱噪声,对光谱特征进行分类识别,去掉首尾噪声较大的波段,保留光谱的可见光波段进行研究,最终选取450~780 nm波段范围作为研究对象。利用主成分分析对所研究波段范围内的高维光谱数据（947维）进行降维处理,根据主成分的累计贡献率,选取前5个主成分作为分类模型的输入,以白粉病和健康叶片的判别结果作为输出,利用支持向量机算法,通过对样本的分类学习训练构建黄瓜白粉病和健康叶片的分类识别模型,随机选取120个样本作为训练集用于分类模型构建,其余80个样本作为测试集用于模型检验,并通过选取不同的核函数来获得最优模型。利用混淆矩阵对分类识别模型的准确率进行评价,当选取径向基核函数时,分类识别模型对黄瓜健康叶片和白粉病叶片的识别准确率最高,分别为100%和96.25%,总准确率为98.125%,具有较高的准确率。结果表明,利用可见光光谱信息并结合主成分分析和支持向量机算法,可以实现对黄瓜白粉病的快速准确识别,为黄瓜病害诊断提供了方法和参考依据。     

Nanostars on a fiber facet with near field enhancement for surface-enhanced Raman scattering detection

A 4-pointed gold nanostar is proposed to form the array on a fiber facet to achieve a greatly enhanced near field intensity for Surface-Enhanced Raman Scattering (SERS) detection. The proposed gold nanostar array has a Surface Plasmon Resonance (SPR) peaked at a wavelength of ～650 nm with up to 45 times electric field intensity enhancement compared with the state-of-the-art nanorod design. It has a wideband SPR field enhancement spanned from 600 to 720 nm, which covers the wavelengths for both the excitation light (632.8 nm) and the Raman signal of the analytes (675–706 nm); With symmetrical structure it forms four hot spots in every unit cell and can detect best for light polarized horizontal or perpendicular to the waist of the nanostars. It also could be altered to tune the SPR and allows the fiber sensor to resonate at different wavelengths, as demonstrated by an example at 533 nm. All the above features make the gold nanostar-based compact and portable fiber sensor an attractive solution for SERS detection.     

Laboratory measurements of light scattering by tropical fresh water diatoms

Laser light scattering characteristics of tropical fresh water diatoms and their siliceous frustules have been measured as a function of scattering angle at 543, 594 and 632 nm wavelengths by using an indigenously designed and fabricated laboratory light scattering instrument in an attempt to carryout morphological characterization of the unique regular structures specific to these type of tropical fresh water diatoms. The instrument incorporates an array of 16 highly sensitive static Si detectors that measured scattered light signals from 10° to 170° in steps of 1°. A comparative analysis between the results obtained by using the three different incident wavelengths has shown that highest resolution is obtained at 543 nm incident wavelength.     

Performance Check of Vegetation Fluorescence Imaging Lidar through In Vivo and Remote Estimation of Chlorophyll Concentration Inside Plant Leaves

Laser-induced fluorescence imaging lidar was developed for in vivo plant/vegetation monitoring. Fluorescences of poplar tree leaves growing naturally at a distance of 60 m from the lidar were successfully detected as two spectral images at wavelengths of 685 nm and 740 nm. By comparing chlorophyll concentration quantified with high performance liquid chromatography, it was confirmed that the intensity ratio of the two wavelengths was converted into the chlorophyll concentration inside the leaves. The intensity ratio of the images reflected the status of the poplar tree in the process of senescence so well that it was possible to assess the living status of the tree as a numerical value. The performance characteristics and the potential of the laser-induced fluorescence imaging lidar for monitoring the physiological activities of plants and vegetation are described.     

Technical study of visible light wavelength division multiplexing using polymer optical fiber

Visible light wavelength division multiplexing (VWDM) experiment was performed using polymer optical fiber (POF). Lights of two different wavelengths (650 and 530 nm) were sent to a single POF. Red light (650 nm) was used for 100-Mb/s full duplex IP data transmission and green light (530 nm) was used for voice signal transmission. Light sources are light-emitting diodes (LEDs). A POF coupler (splitter) and the prisms were employed as multiplexer and demultiplexer, respectively. The channel isolation and insert loss were measured, which are 20.5 and 17.65 dB for 650-nm channel respectively, and 19.16 and 20.55 dB for 530 nm one respectively.     

Fiber refractometer based on a fiber Bragg grating and single-mode-multimode-single-mode fiber structure

A refractive index (RI) sensor based on a novel fiber structure that consists of a single-mode-multimode-single-mode (SMS) fiber structure followed by a fiber Bragg grating was demonstrated. The multimode fiber in the SMS structure excites cladding modes within output single-mode fiber (SMF) and recouple the reflected cladding Bragg wavelength to the input SMF core. By measuring the relative Bragg wavelength shift between core and cladding Bragg wavelengths, the RI can be determined. Experimentally we have achieved a maximum sensitivity of 7.33 nm/RIU (RI unit) at RI range from 1.324 to 1.439.     

作用光谱模拟及萝卜高产栽培

通过叶片的反射光谱测量来研究萝卜的光合作用的作用光谱。在萝卜叶片的反射光谱中存在440，680nm两个吸收带和550nm反射带，表明该结果同光合作用的作用光谱一致。采用在高分子树脂中分散进荧光助剂、着色剂来模拟栽培作物的作用光谱并制成农膜，把这种农膜叫作光生态膜。从光生态膜的激发光谱和荧光光谱可以看到，光生态膜存在616，660nm两个发射带与作用光谱的680nm带重合，其激发带位于550nm与叶片的反射带重合，这样高效地利用太阳能并补充了红光照的不足。用这种光生态膜苫盖日光温室进行萝卜生产，产量提高了20.2%。