偏振-高光谱多维光信息的番茄叶片营养诊断

以Venlo型温室中无土栽培模式下自行培育的25%,50%,75%,100%,150%五个梯度水平的氮、磷、钾营养胁迫样本为研究对象,利用高光谱成像系统以及课题组自行研发的偏振反射光谱测量分析系统分别采集不同氮磷钾营养水平番茄叶片的偏振光谱和高光谱数据。通过扫描电镜分析阐明营养胁迫叶片非光滑表面的凹凸和质地发生的一系列变化与偏振反射辐射之间具有一定的联系。由斯托克斯公式将偏振光谱换算成偏振度后,提取偏振度与氮磷钾实测值之间的各4个偏振度特征;同时将高光谱数据经过主成分分析降维并确定氮磷钾各4个特征波长,再通过相关分析法提取这4个特征波长下的各8个高光谱图像纹理特征。偏振度特征与高光谱纹理特征相加累计氮磷钾各12个特征作为支持向量回归(SVR)的输入变量。对这12个特征变量进行最大—最小值归一化后,采用SVR建立番茄氮磷钾营养水平的定量诊断模型,求得氮的相关系数r=0.961 8,均方根误差RMSE=0.451;磷的相关系数r=0.916 3,均方根误差RMSE=0.620;钾的相关系数r=0.940 6,均方根误差RMSE=0.494。研究结果表明采用偏振反射光谱结合高光谱的多维光信息融合技术能够建立精度较高的番茄营养水平预测模型,具有较好的诊断作用,对于提高模型的精度和专用仪器的开发具有一定的指导意义,为番茄养分含量的快速检测提供了新的思路。     

叶片茸毛对叶片反射光谱及高光谱植被指数的影响研究

很多高光谱植被指数被用于对植被的生化物质含量进行非破坏性的估计与反演。由于这些指数都是利用不同波段的反射率计算而得到的,因而对叶片反射具有很大影响的茸毛等叶表结构对这些植被指数的反演精度的影响不容忽视。本研究发现去茸毛处理使得在400～1 000nm范围的的光谱反射都有所下降,但在各个波段的变化并不均匀。通过对比39个现有的高光谱植被指数在经过去茸毛处理前后的变化,发现一些只单独利用可见光或者近红外波段的高光谱植被指数,如CTR1:R695/R420,D740/D720,WBI:R900/R970,R860/(R550×R708)以及红边指数(REP)比大多数既使用可见光又使用近红外波段的高光谱植被指数受茸毛变化影响小,它们对茸毛的低敏感性可以使其在进行植被生化物质反演时更具有普适性。     

界面反射偏振象差分析

在光学没计中,一般认为在同一光波面上,光束具有相同的振幅和偏振状态。事实上,光束经过许多光学元件后,偏振状态会发生变化,特别是入射角和光程的不同,会导致出射光波面上偏振分布不再均匀,形成偏振象差。本文主要就轴上物点发出的光束经过界面反射后的偏振象差方面进行了分析。     

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。     

基于偏振反射模型和随机森林回归的叶片氮含量反演

叶片氮含量极大程度上影响植被生物化学过程,有重要的研究意义.利用机载高光谱数据反演叶片氮含量在农业遥感领域有广泛应用,但其反演精度不能完全满足精细农业的需要,有一定提升空间.叶片氮含量遥感反演精度受机理误差和算法误差的影响,机理误差主要来源于叶片表面反射.传感器探测到的反射辐射既包含叶片内部多次散射,又包含叶片表面镜面...     

单叶片偏振BRDF建模及参数反演

利用长春光机所研制的多角度观测装置测量了玉米嫩叶、玉米成熟叶和一品红叶表面的二向偏振反射率分布,发现叶片表面反射具有明显的非朗伯性。通过借鉴Cook-Torrance光照模型的形式,将不同偏振态的菲涅尔因子耦合到模型中,推导得到用于叶片表面偏振的二向性反射分布函数模型(pBRDF-polari-metric bidirectional reflectance distribution function)。将建立的pBRDF模型与实测数据拟合,利用遗传算法进行参数反演,获得叶片漫反射率、等效折射率和表面粗糙度。通过实测值和模拟值的比较,发现该pBRDF模型可以用于叶片表面方向偏振反射特性的模拟。同时,该模型还有助于对植物叶片生理生态特性的定量分析。     

材料表面偏振双向反射分布函数模型修正

为表征物体表面偏振散射特性对目标偏振信息提取的影响,基于微面元散射模型结合KubelMunk理论,综合考虑镜面散射和漫散射,构建一种改进的偏振双向反射分布函数(pBRDF)模型,得到物体表面散射光的偏振度与材料复折射率、方位角、探测角和入射波长等因素的数学模型,并利用该模型对基础材料的复折射率进行反演.结合实际应用利用FD-1665偏振成像仪在不同影响因子条件下对目标表面进行了一系列偏振探测实验.最后将数值模拟结果和实测数据进行比较,其材料偏振特性曲线与实测数据吻合,表明修正后的模型有较高的精确度,该模型可以为后续的偏振监测和目标识别工作提供理论支持.     

基于偏振菲涅尔反射比分布的主动偏振成像目标辨别方法

由于偏振特性是材料自身所决定的物理特性,其偏振图像含有丰富的目标信息,利用偏振信息对目标进行识别一直是国内外目标探测领域的研究热点,而主动偏振成像较之被动偏振成像更具有信噪比高以及可控性好等优势。在详细分析了偏振菲涅尔反射比分布的理论基础上,提出了一种利用探测物体表面的偏振菲涅尔反射比的主动偏振成像方法。该方法在发射端将偏振方向正交的两种偏振态的光源交替照射到目标场景中,在探测端用分别装有两个偏振方向垂直的偏振片的CCD采集偏振图像。同时,将探测端架构在不同的探测方向采集目标经主动光源照射后的偏振数据,最后将这些数据传输到计算中心,通过最优化拟合技术反演出不同目标的光学常数,由于不同目标的表面材质不同,其反映出的光学常数就不同,从而达到辨识不同材质目标的目的。实验分别采用了仿真数据和实测数据来验证该方法的有效性。仿真实验显示,所提出的方法利用材料的光学常数对不同材料进行区分不仅是科学的而且更方便有效。实测数据进一步验证了该方法能够较好的恢复出目标的相关光学常数,尤其在区分金属和非金属材料方面表现突出,并且探测方法结构简单实用,在目标探测、伪装识别等领域中有较大应用前景。     

偏振无关的旋光双反射结构的实验研究

完成了偏振无关双旋光晶体双反射结构的实验研究. 根据其偏振补偿特点对双旋光晶体双反射结构进行简化, 提出了一种偏振无关的单旋光晶体双反射结构. 实验表明, 两种反射结构的偏振保持度均能达到99.97%以上. 作为对比, 分别测试了单个反射镜反射90°和两个反射镜反射90°时的输出光偏振态. 该条件下, 无保偏处理的反射镜的偏振保持度分别只有92.1%和76.2%. 关键词： 偏振态 偏振无关反射 旋光晶体     

敦煌辐射校正场反射辐射偏振特性研究

卫星遥感器辐射校正场的地表反射辐射测量(例如地表反射率、地表辐亮度等)对卫星遥感器的在轨定标至关重要。由于地物光谱仪自身具有一定的偏振敏感性, 场地反射辐射的偏振特性将会引入偏振测量误差。采用基于偏振成像仪和塔吊的非定点测量方式以及基于偏振光谱仪和BRDF测量架的定点测量方式, 测量了敦煌场490 nm和670 nm波段场地反射辐射的多角度偏振分布和局地偏振均匀性。试验结果表明, 敦煌辐射校正场的反射辐射具有一定的偏振特性。偏振特性和波段有关, 490 nm波段偏振度明显大于670 nm波段。490 nm和670 nm波段的多角度偏振分布关于太阳主平面对称。在太阳主平面内, 前向散射区偏振度大于后向散射区, 并随天顶角变大而变大。两种测量方式获得了一致的偏振特性分布规律。获得了直径100 m区域的场地反射辐射局部均匀性, 均匀性在6%左右。研究场地反射辐射的偏振特性对于场地辐射探测方案的改进以及辐射测量精度的提高具有重要意义。     

利用近红外漫反射光谱法预测紫花苜蓿茎组分营养价值的研究

研究旨在探讨利用全株紫花苜蓿(Medicago sativa L.)样品的近红外漫反射光谱信息,建立能够预测其茎组分营养价值的校正模型的可行性.将66份不同年份、品种、茬次和生育期的紫花苜蓿全株样品徒手分离茎叶后,按一定的茎叶比重新混合成198份实验样品(建模样品138份,检验样品60份).采用傅里叶变换近红外漫反射光谱技术(FT-NIRS),结合偏最小二乘法(PLS),建立了茎组分粗蛋白(CP)、中性洗涤纤维(NDF)、酸性洗涤纤维(ADF)、粗灰分(CA)和体外可消化干物质(IVDDM)含量的预测模型.除NDF含量的预测模型外,其他4个指标预测模型的建模效果和实际预测均较好,交叉检验相关系数(rCV)为0.852 3～0.900 7,交叉检验标准误差(RMSECV)为0.72%～3.96%,检验样品的预测值与化学值的相关系数(r)为0.925 5～0.951 2.而NDF含量预测模型的RCCv,RMSECV,r分别为0.821 4,3.70%和0.902 0,模型只可用作粗略估测.     

牛奶水溶液的偏振三维荧光光谱研究

测得由伊利、蒙牛公司生产的纯牛奶、高钙奶、高钙低脂奶的偏振三维荧光光谱,发现在激发偏振片和发射偏振片取向平行时,偏振荧光强度高于取向垂直时的值。通过一个简单的模型估算了各种牛奶样品等效荧光团的激发偶极子和发射偶极子之间的夹角,均小于40°,且高钙低脂奶对应荧光团激发偶极子和发射偶极子之间的夹角略小于纯牛奶和高钙奶。实验还发现,在激发偏振片和发射偏振片取向平行时,高钙低脂奶的偏振荧光强度明显高于纯牛奶和高钙奶,与理论计算相符。     

铁(Ⅲ)的硅胶H相反射散射光度法研究

本文提出了胡椒基荧光酮 (PIF)硅胶H相反射散射光度法测定铁的新方法。在溴化十六烷基三甲基铵的存在下 ,PIF与铁 (Ⅲ )形成稳定的蓝色配合物并且能被硅胶H吸附 ,其最大反射散射吸收波长位于 6 4 0nm ,铁 (Ⅲ )的浓度在 0～ 2 5ng·mL- 1 范围内呈线性关系 ,方法用于氧化镁中微量铁的测定 ,结果满意。     

丙氨酸对映体单晶的变温偏振激光拉曼光谱研究

本文测量了在不同偏振状态下 ,D 和L 丙氨酸的变温拉曼光谱。我们发现 :1 丙氨酸对映体的非偏振拉曼光谱图极其相似。 2 着重研究了D 丙氨酸偏振拉曼光谱随温度变化的特点。 3 通过拉曼光谱的手段 ,我们未发现A Salam所预言的在 2 5 0K左右从D 丙氨酸→丙氨酸的二级相变。     

近红外光谱法测定紫花苜蓿青贮鲜样的营养价值

应用近红外光谱技术(NIRS)直接分析新鲜饲草的营养价值,如饲草中干物质(DM),粗蛋白(CP),中性洗涤纤维(NDF),酸性洗涤纤维(ADF)含量,对畜牧业生产具有重要意义。鲜草中由于含有较多的水分,不易制备均一的样品和进行光谱中有用信息的提取,因此难于进行近红外光谱分析。本试验应用偏最小二乘回归法(PLS)、傅里叶变换近红外光谱技术和液氮冷冻制样技术,建立了适合于不同品种,不同生育期,不同茬次和不同青贮方法即时测定青贮苜蓿鲜样中DM,CP,NDF,ADF的模型,以期对NIRS在测定紫花苜蓿青贮鲜样品这些成分测定的可行性进行分析。所建DM,CP,NDF和ADF模型的交叉检验决定系数(R2_cv)为0.884 6～0.989 8,交叉检验标准误(RMSECV)为3.9～9.7 g·kg-1鲜重。用50个样品对模型进行外部检验,预测相关系数(r)为0.939 7～0.994 9,预测标准误为1.9～8.3 g·kg-1鲜重。结果表明： 采用适当的样品处理方法和光谱分析技术可以实现近红外光谱技术对苜蓿青贮鲜样的营养价值评定。     

涂层表面偏振双向反射分布函数的模型研究

为了表征复杂涂层表面的光学散射特性,基于微面元理论的偏振双向反射分布函数模型,利用遗传算法从实验数据中反演出模型的关键参量。采用C 语言对偏振双向反射分布函数模型进行了数值模拟,分析了模型参量对偏振双向反射分布函数的影响。数值模拟结果与实验数据的对比表明,该模型算法有较高的模拟精度,可以为后续的目标特征提取与识别工作提供参考。     

ZnO晶体的偏振拉曼散射的深入研究

利用拉曼选择定则,设计了ZnO单晶的直角偏振几何配置。在室温下测量了ZnO单晶的各种振动模式的偏振拉曼散射光谱。与原先的文献相比较,初步讨论了各种振动模式的线宽和强度的变化原因。除ZnO晶体中包括非极性和极性拉曼基频振动,准横光学和准纵光学模式和振动属性被指认外,它们的高阶拉曼散射模式首先被确定。本研究结果为深入了解ZnO晶体和薄膜的宏观性质和微观结构提供了依据。     

基于漫反射光谱的红层色素实验研究

大陆红层的红色色素主要来自其内的微粒赤铁矿。地质方面的最新研究成果表明,红层的色素起源于成岩阶段而非沉积阶段,是成岩过程中的高地温导致沉积物中铁的含水化合物脱水所致。本文采用对现代黑色淤泥沉积物进行不同方式的加热实验,并使用Perkin-Elmer Lambda 950紫外-可见-近红外分光光度计,用漫反射光谱法测定实验样品针铁矿和赤铁矿特征峰的变化,同时计算样品的红度值,以定量实验样品的染色程度等方法,模拟沉积物变红、亦即红层色素生成的过程。实验结果表明,现代淤泥沉积物中的铁主要以铁的水化物(针铁矿)形式出现;针铁矿脱水转化为赤铁矿的初始温度约为150 ℃,温度升高或加热时间延长,均可造成针铁矿含量减少和赤铁矿含量增加,样品的红度值与赤铁矿特征峰高度呈正相关关系。实验结果为红层色素热起源的认识提供了重要支持。     

近红外反射光谱快速测定四种大豆制品中寡糖含量的研究

试验探讨了近红外反射光谱测定大豆制品中寡糖(蔗糖、棉籽糖及水苏糖)含量的可行性。2012年—2014年,从国内20个代表性大豆制品加工厂收集并筛选了160个大豆制品(包括去皮豆粕、膨化豆粕、发酵豆粕及膨化大豆各40个),同时为使样品集中的寡糖含量均匀分布,采用发酵豆粕和普通豆粕混合的方法,配制人工混合豆粕样品40个,使用偏最小二乘法,采用不同导数或去散射方法对光谱进行预处理并建立近红外定标模型。在光谱预处理中,针对不同寡糖,导数处理、多元散射校正及矢量归一化方法得到良好的预测效果。所建立的近红外定标模型的蔗糖、棉籽糖和水苏糖的定标决定系数(R2_cal)分别为0.99,0.95和0.98,交互验证决定系数(R2_cv)分别为0.98,0.94和0.97,交互验证RPD_cv值分别为7.24,4.13和5.98,表明适用于大豆制品(除发酵豆粕外)中寡糖的日常检测。