高叶绿素水体荧光峰位置变化响应关系研究

水体反射光谱红光区荧光峰是叶绿素特有的光谱特征,研究其位置变化与叶绿素的响应关系有助于内陆水体叶绿素含量的定量反演。通过2004～2006年13次长春南湖水体反射光谱和水质参数实测数据,分析了不同光谱分辨率下荧光峰位置变化与叶绿素a含量的响应关系,结果表明,两者呈现指数函数关系,即Peak position=a(Chl-a)b,不同光谱分辨率下,a在686.11～686.29,b在0.006 2～0.006 5间变化,且光谱分辨率越高,响应关系越好;荧光峰平均波长位置与叶绿素平均含量高度相关(R2>0.81),荧光峰位置变化适合用于反演叶绿素含量分布较为均匀的水体。这为今后利用成像光谱仪监测内陆水体叶绿素含量提供了实验和工作基础。     

拉曼光谱法鉴定水稻叶绿素缺乏突变体

植物叶色变异是自然界普遍的现象,叶色突变体已广泛应用于基础研究和生产实践.利用拉曼光谱测定了水稻叶色黄化突变体叶片的叶绿素含量.研究结果显示:在拉曼光谱图中·叶绿素的特征峰(1155,1527cm-1)在突变体中强度较野生型有很大的下降,表明突变体中总的叶绿素含量较低;紫外分光光度计的测定结果表明该突变体的叶绿素含量比野生型降低,且叶绿素b的含量极低,证实了拉曼光谱所反应的信息;拉曼光谱法可以用来快速鉴定植物活体的叶绿紊含量.本研究尝试利用拉曼光谱测定活体生物的叶绿素含量的可行性,为今后发展便携式、快速、准确、无损伤鉴定叶绿素含量及其他生物质含量的方法和开发相关仪器提供研究思路.     

铜胁迫下玉米叶片反射光谱的红边位置变化及其与叶绿素的关系

采用5级梯度铜胁迫砂培试验,通过测定叶片反射光谱曲线和叶绿素含量,研究铜胁迫对玉米叶片反射光谱与叶绿素含量的影响。研究表明：玉米叶片反射光谱的红边位置与铜胁迫浓度显著相关(R2≥0.5755),且存在明显的“红边蓝移”现象,即叶片光谱红边位置向短波方向移动。随着铜胁迫浓度的升高或胁迫时间延长,红边蓝移程度增加。不同胁迫浓度之间,叶绿素a、叶绿素b含量及二者比值 (Chla/Chlb)均差异显著(p分别为0.002,0.007和0.001)。叶绿素a、b比值(Chla/Chlb)与培养液中铜浓度呈显著负相关(R=-0.898);Chla/Chlb与平均红边波长显著正相关(R=0.814)。这表明随着铜胁迫浓度升高,Chla/Chlb降低,叶绿素b相对于叶绿素a升高,叶片反射光谱的红边位置蓝移。铜胁迫改变了玉米叶片中Chla和Chlb含量和比值,由此导致的色素吸收光谱变化,是铜胁迫导致叶片反射光谱红边蓝移的可能的生理学成因。     

浸入式可见/近红外光谱的雨生红球藻叶绿素含量研究

探讨了采用浸入式可见/近红外光谱技术对雨生红球藻叶绿素含量快速检测的可行性。通过选择最优的预处理方法,比较全波段偏最小二乘回归(PLS)建模和连续投影算法(SPA)提取特征波长后PLS建模的结果,选出最优模型。SPA-PLS模型对叶绿素a与叶绿素b含量预测效果均优于全波段PLS模型,叶绿素a,b的RPD值分别达到2.946 1和1.902 3。表明,光谱在预处理后结合建模算法能够实现叶绿素a,b含量较好的预测,叶绿素a的预测效果要好于叶绿素b。     

病害胁迫下棉花叶片色素含量高光谱遥感估测研究

通过小区和大田同步调查棉花黄萎病,在不同生育期测定病叶光谱及其色素含量。将病叶光谱反射率、一阶微分及相应的特征参数与色素含量进行相关分析,建立病叶色素含量估测模型并检验。结果表明：病叶叶绿素a,b及a+b含量可见光反射率、与一阶微分光谱在蓝边、黄边和红边处与除红边振幅(Dr)外的其他光谱特征参数间均达极显著相关。转换叶绿素吸收反射指数(TCARI)和新建归一化植被指数(NDVI[702, 758])对叶绿素a, b及a+b含量的估测精度最高,相对误差均小于1.3%。考虑到NDVI[702, 758]建立的模型更实用,可做为病叶叶绿素a, b和a+b含量的最佳估测模型。研究结果对高光谱信息定量估测病害棉叶色素含量,对利用高光谱监测棉花长势及病害影响评价均具有较高的实用价值。     

煤矿粉尘影响三种典型荒漠植被生长的高光谱指数研究

以新疆典型露天煤矿准东五彩湾开采区为研究区,选定并测定干旱煤矿区三种典型植物： 梭梭、假木贼和琵琶柴的冠层光谱,分析植被对煤炭粉尘的波谱响应,旨在研究露天煤炭开采引起的煤炭粉尘扩散对植被生长的影响.研究基于植被冠层实测光谱,提取19种常用的植物色素指数和水分指数,通过不同指数同煤炭粉尘降尘量的相关性的研究,探讨植被生长受损的关键参数及对煤炭粉尘影响敏感的指示性植被,为干旱煤矿区植被受损监测提供评价依据。结果表明： 在干旱露天煤矿区植被受到煤炭粉尘污染的过程中,从植被指数的角度可以间接确定,随着煤炭粉尘量的增加,叶绿素以及水分的含量会减少,而类胡萝卜素的含量会增加;植被体内的水分和叶绿素含量对煤炭粉尘量的响应较为敏感;在指示叶绿素(包括叶绿素a、叶绿素b和叶绿素)的指数中色素归一化指数b(PSNDb)敏感性较强;在指示类胡萝卜素的指数中结构不敏感色素指数(SIPI)敏感性较强;在指示水分的指数中植被水分指数(PWI)敏感性较强;三种植物中梭梭对煤炭粉尘量的增加较为敏感。     

基于 PROSPECT模型的蔬菜叶片叶绿素含量和SPAD值反演

叶绿素含量是衡量植物营养和病虫害发生情况的重要指标。传统的分光光度法对植物叶片破坏性较大且无法实时、快速、无损地获取叶绿素含量。新兴的利用叶绿素仪测量叶绿素相对含量（以下简称SPAD值）的方法不能定量获取实际含量。光学辐射传输模型PROSPECT从生物物理、化学的角度以及能量传输的过程出发,定量描述了叶片色素、水分、结构参数等对叶片反射光谱的影响。因此,提出利用PROSPECT模型同时反演蔬菜叶片叶绿素含量和SPAD值,实时、快速、无损、定量获取植物叶片叶绿素的含量。第一,多次测量三种蔬菜叶片的反射光谱,并用叶绿素仪测量SPAD值。然后,预处理光谱数据,获得平均反射率光谱。第二,以欧式距离为评价函数,利用PROSPECT模型对实测反射率光谱进行拟合。拟合过程中三种蔬菜欧式距离最大为0.008 9,最小为0.006 4,平均为0.007 5,表明该模型能够很好地拟合蔬菜叶片的反射率光谱。第三,根据拟合结果,反演叶绿素含量和透射率光谱,再根据透射率光谱获取叶片在940和650 nm波长处的光透过率,计算叶片的反演SPAD值。第四,建立反演叶绿素含量、反演SPAD值与实测SPAD值的关系模型。结果表明: (1)利用该模型反演得到的叶绿素含量值与实测SPAD值有较好的线性关系, 其关系模型为：y=1.463 3x+16.374 3,两者相关系数为0.927 1,模型的决定系数为0.862,均方根误差为2.11;(2)利用该模型反演得到的SPAD值与实测SPAD值之间线性关系较好,其关系模型为：y=0.986 9x-0.668 3,两者相关系数为0.845 1, 模型的决定系数为0.714 3,均方根误差为3.380 2。研究表明,通过测量植物叶片的反射率光谱,利用PROSPECT模型可以无损、定量地获取蔬菜叶片的叶绿素含量和SPAD值。该方法可推广至其他植物的叶绿素测量和实时监测,为变量施肥、精准种植提供可靠的数据支持。研究结果对蔬菜生长态势的无损监测具有重要的意义。     

利用高光谱植被指数估测苹果树冠层叶绿素含量

叶绿素含量是反映植物生长状况的重要参数。利用ASD FieldSpec 3光谱仪,测定春梢停止生长期苹果冠层高光谱反射率,对原始光谱进行微分变换,与苹果叶绿素含量进行相关分析确定敏感波段,通过分析敏感区域400～1 350 nm范围内所有两波段组合的植被指数,选择最佳植被指数并建立苹果冠层叶绿素含量估测模型。结果表明：(1)苹果冠层叶绿素含量的敏感波段区域为400～1 350 nm。(2)利用筛选得到的植被指数CCI(D₇₉₄/D₇₆₃)构建的估测模型能较好的估测苹果冠层叶绿素含量。(3)以CCI(D₇₉₄/D₇₆₃)指数为自变量的估测模型CCC=6.409+1.89R3+1.587R2-7.779R预测效果最佳。因此,利用高光谱技术能够较快速、精确的对苹果冠层叶绿素含量进行定量化反演,为苹果长势的遥感监测提供理论依据。     

可见-近红外光谱的螺旋藻生长品质指标快速无损检测

为了实现微藻生长过程品质指标的快速无损检测，提出了可见-近红外光谱技术检测不同红蓝光源组合培养条件下螺旋藻中叶绿素a和蛋白质的含量。采集不同含量红光和蓝光组合下螺旋藻在325～1 075 nm波段范围内的光谱信息，其中红光与蓝光的含量组合分别是(100%，0%)，(90%, 10%)，(70%，30%)，(50%, 50%)。同时测量叶绿素a和蛋白质的含量，建立偏最小二乘(PLS)预测模型。分别基于连续投影算法(SPA)选择了用于叶绿素a和蛋白质预测的特征波长，分别得到5个(404，440，518，662和875 nm)和4个(411，531，602和1 047 nm)特征波长。基于特征波长建立了PLS和多元线性回归(MLR)预测模型，SPA-MLR模型中叶绿素a和蛋白质预测集相关系数(correlation coefficient, R_p)分别是0.949和0.974，均方根误差(RMSEP)分别是0.018 8和0.006 74。结果表明：可见-近红外光谱检测螺旋藻藻体中叶绿素a和蛋白质含量是可行的，通过测量螺旋藻的光谱结合化学计量学方法可以实现对螺旋藻生长状况的检测。     

苹果树冠层不同光照区域叶绿素荧光性状计算方法

植物冠层内光照分布决定了植物物理过程与生态环境之间的交互关系,是植物冠层叶绿素荧光动力学研究的重要基础。光谱技术在构建植株冠层组分含量的预测模型中发挥了重要的作用,而针对自由纺锤形苹果树冠层不同光照区域的叶绿素荧光性状研究文献报道较少。因此,以自由纺锤形苹果树为研究对象,将苹果树冠层空间划分为5层,每层划分为边长50 cm的立方体网格,并测定各个网格空间的光照强度,确定其光照分布情况。以此为基础,获取不同光照区域的光谱数据及对应叶绿素荧光性状参数值,通过光谱一阶微分去除系统误差干扰,确定红边区域(660～760 nm)的一阶微分光谱曲线,利用BP神经网络建立红光范围(680～760 nm)内一阶微分光谱最大值与叶绿素荧光性状参数关系模型,创新性地提出了苹果树冠层不同光照区域的叶绿素荧光性状计算方法。并采用决定系数、均方根误差、平均绝对百分比误差等对模型进行有效性评价,试验结果表明：该叶绿素荧光计算方法的计算精度均在80%以上,研究成果可为苹果树的整形修剪,获取充足光照分布提供理论依据。     

一种色度自适应投影标记点的选取方法

近年来,对物体的颜色显现力、光源光谱功率分布和自身表面反射光谱三者的定量关系方面的研究备受大家关注。在三维扫描测量领域,由于颜色特征具有反映物体材料和纹理等丰富信息的优势,提出了一种主要由彩色相机、投点光源和PC机组成的色度自适应投点仪结构,其中数字微镜(DMD)作为投点光源的核心元件用于调制R,G,B 三个LED光源的光谱功率分布。然而主动式标记点的颜色显现力因受未知反射光谱投影接受面的影响,其颜色特征往往难以识别和区分。为了提高投影标记点与不同反射光谱的投影接收面作为背景的分辨力,描述了一种色度自适应投影标记点的选取方法。在高维线性反射光谱建模的基础上,用光谱响应的方法对彩色投点仪设备特征化,以解决三通道彩色相机设备特征化精度低的问题。并通过样本训练为高维线性反射光谱的求解提供条件约束。继而,在CIE1931色度坐标空间下,选取与投影接收面背景色度坐标欧氏矩最大的色度坐标点。根据投点仪设备特征化结果,推导其LED最优设定值。最后,采用24孟塞尔色卡作为被投影对象,主动标记点与色块的色差作为其颜色显现力的评价参数,通过与激光二极管投点仪做对比性实验。实验结果表明对各不同色度的投点接受面,提出的色度自适应投影标记点的选取方法均有较好表现。     

Computational Analysis of Chlorophyll Structure and UV-Vis Spectra: A Student Research Project on the Spectroscopy of Natural Complexes

Chlorophyll was extracted from fresh spinach leaves (Spinacia L.) and its absorption spectrum was recorded. Computational methods were used to optimize the geometry and energy of chlorophyll as well as to compute UV-Vis spectra of chlorophylls a and b and to compare them with the spectrum of chlorophyll extract. Chlorophyll bands are well predicted, especially with B3LYP/CIS and TD-B3LYP methods. This research project forms a modern approach to the process of spectroscopy teaching—students can apply quantum-mechanics calculations for understanding of reaction mechanisms with the involvement of biologically active compounds and learn to interpret the absorption spectra of chlorophyll extract obtained by themselves.     

绿色植被红边特征的研究

通过系统分析绿色植被在紫外可见波段光谱的产生机理,得出绿峰和红边是由叶绿素产生的。从叶绿素的结构上看,它属于卟啉类化合物,为了进一步探究红边产生的机理,合成了四苯基卟啉、四(4-甲氧基苯基)卟啉、四(4-磺酸钠苯基)卟啉、四吡啶基卟啉、四甲基卟啉、四(4-甲氧基苯基)卟啉合锌和四(4-甲氧基苯基)卟啉合铜,并采用紫外可见光谱、红外及核磁进行表征。通过对其紫外可见光谱的系统分析,提出“红边”不仅限于叶绿素,而是卟啉类化合物特有的光谱特征,红边是由卟啉环a_2u(π)-e_g(π*) 跃迁产生的Q带所致。其位置不仅与卟啉的浓度相关,与卟啉化合物外侧取代基类型也有关系,金属卟啉对红边的位置影响较大。     

非标准光源在颜色测量中的差异性分析

不同光源因光谱功率分布差异,具有不同色温、显色指数,测色差异很大。D65标准光源最接近日光光色,是国际照明委员会(CIE)推荐测色标准光源。但其价格昂贵、工作条件苛刻且不易得,实际测色中常用非标准光源代替。为了研究非标准光源的测色差异,设计了一套溶液比色系统,分别采用高压脉冲氙灯、LED灯、卤钨灯作为光源,亚硝酸盐显色实验为基础,以色度学原理计算3种光源的测色差异。结果显示,氙灯、LED灯光谱分布较为均匀,色度坐标接近等能白光E(0.33, 0.33), 测色比较接近真实颜色,而卤钨灯测色误差较大。氙灯与LED灯在L*a*b*空间测色平均色差ΔE_ab在10 NBS以内,两者与卤钨灯测色平均色差ΔE_ab在20 NBS以上。     

橄榄油的聚集荧光猝灭及吸收光谱特性的研究

素有“液体黄金”之称的橄榄油已成为健康食用油的代名词,不仅身价陡增,而且在非产地市场也已成为一种畅销油。在橄榄油检测技术中光谱法与其他技术相比具有快速、无损、无样品处理等优势而备受关注,而不同的光谱检测方法在检测的物质成分上各有侧重,例如红外光谱法侧重于脂肪酸含量的检测、拉曼光谱法侧重于分子的检测、荧光光谱法侧重于光敏物质的检测以及吸收光谱法侧重于光敏物质和不饱和脂肪酸的检测等。荧光及吸收光谱对光敏物质反应极其灵敏,而橄榄油富含叶绿素等光敏物质,因此荧光及吸收光谱成为一种鉴别橄榄油的有效技术手段。叶绿素是一种含有环卟啉结构的有机分子,该类分子结构具有吸光特性,且不同的叶绿素吸收光谱各异,其中绿色植物的叶绿素a含量最多。为深入研究叶绿素的吸收光谱及荧光特性在橄榄油鉴别中的应用,将特级初榨橄榄油中掺入不同比例的玉米油,已达到间接调控橄榄油中叶绿素含量的目的,测量不同掺伪比例橄榄油的荧光及吸收光谱并研究与叶绿素浓度的相关性,以此来研究叶绿素浓度与掺伪量对橄榄油吸收光谱及荧光特性的影响。取10份同批次的特级初榨橄榄油,将其中9份按照等比例稀释,并对10份样品按照掺伪量依次排序;依次采集这10份样品的荧光及吸收光谱,比较叶绿素浓度与掺伪量的相关性及对这两种光谱技术在橄榄油鉴别中的影响。随着叶绿素浓度的上升,荧光强度由弱变强,并在某一时刻后会出现荧光强度急剧减弱的现象,即聚集荧光猝灭。这种现象主要是由于叶绿素的环卟啉分子结构引起的分子间π-π作用,使未被激发的低能分子与高能分子堆叠在一起,能量的辐射跃迁（荧光）也转变为分子间的能量转移（热能交换）。对于吸收光谱,随着叶绿素浓度的上升,吸收光谱的强度也逐渐增强。橄榄油中叶绿素吸收的能量主要去向包括镁电子辐射跃迁产生荧光以及分子间热能交换两部分,而橄榄油的吸收光谱并未出现类似于聚集荧光猝灭的现象,且吸收光谱强度与掺伪浓度间存在近似线性相关的关系。结果表明：当聚集荧光猝灭出现时,叶绿素吸收的能量仍然与浓度呈线性相关,此时高、低能分子堆叠引起的热能交换效率提高。     

白光LED用YAG黄色荧光粉实用中发射光谱的测量方法

提出了一种YAG荧光粉在实用蓝光激发下发射光谱测量的新方法。通过采用高斯函数和费米函数拟合及模拟退火优化技术,得到了混合发光光谱的数学拟合函数,从而分离出荧光粉的发射光谱,进一步表征其发光性能。实验样品的测量结果表明,与简单的截切分离方法比较,具有不可忽略的光度量和色度量差异。量子效率、发光效率和能量效率等光度量的差异均高于1%,相关色温相差达几十K,色品坐标、主波长和色纯度等色品指标也产生差异,但半峰带宽变化不大,荧光发光的峰值波长则基本不受影响。实验结果表明,所建立方法能够提高实用条件下YAG黄色荧光粉发射光谱的测量准确性。     

中国岫岩玉的致色机理及色度学研究

通过岫岩玉的成分、过渡金属离子的价态及配位状态来研究岫岩玉的致色机理。电感耦合等离子原子发射光谱(ICP-AES)结果显示样品中除了铁和锰,几乎没有其他过渡金属元素。电子顺磁共振谱(EPR)则揭示了位于八面体晶格上的Mn2+和位于四面体和八面体晶格上的Fe3+,而吸收光谱(OAS)则证实了Fe2+和Fe3+的共同存在。分析结果表明Fe2+对岫玉的绿色起主要作用而岫玉的黄色则是由Fe2+和Fe3+的共同作用决定的。此外通过漫反射光谱(DRS)计算出岫玉的色度坐标,对比发现人眼感觉颜色类似的样品其实色度坐标有很大差异。因此可以通过色度坐标来定量区分岫玉颜色的差异,这具有一定的学术价值和经济价值。     

积分球非中性对出射光谱的影响

从积分球非中性的角度出发,研究了光(辐射)经过积分球后的光谱性质变化.根据积分球理论公式,推导了积分球光谱透过率的非中性与内壁涂层光谱反射比非中性的关系,证明积分球非中性通常大于内壁涂层非中性|且内壁涂层非中性一定时,涂层反射比越高,积分球非中性越大.然后分别以A光源和氙灯作为入射光源,测量了硫酸钡和聚四氟乙烯两种典型涂层的积分球出射光的光谱分布、色坐标和色温.结果表明,两种积分球的非中性对出射光谱的影响特征相同,表现在色度上是色坐标(x,y)增大,色温降低.其中聚四氟乙烯积分球非中性较小,其出射光色温在A光源、氙灯作为入射光源时分别降低约20 K和70 K|而硫酸钡积分球的出射光色温则分别降低约300 K和1 000 K,非中性影响明显.     

棚室作物吸收光谱的测定及其光生态膜的研制①

本文提取了长沙地区种植的小白菜、韭菜、芹菜等几种典型棚室蔬菜的叶绿素,测定了它们在丙酮溶液中的吸收光谱.根据其吸收光谱,采用向农膜树脂中添加光转换剂的方法,研制出与作物吸收光谱相匹配的光生态膜.初步栽培试验表明该膜具有促进植物生长和分化的作用,增产效果明显.