高光谱技术分析茶树叶片中叶绿素含量及分布_赵杰文

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1、第３１卷，第２期光谱学与光谱分析Ｖｏｌ．３１，Ｎｏ．２，ｐｐ５１２－５１５２０１１年２月ＳｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙａｎｄＳｐｅｃｔｒａｌＡｎａｌｙｓｉｓＦｅｂｒｕａｒｙ，２０１１高光谱技术分析茶树叶片中叶绿素含量及分布赵杰文１，王开亮１，欧阳琴１，陈全胜２＊１．江苏大学食品与生物工程学院，江苏镇江２１２０１３２．中国农业科学院农业资源与农业区划所，农业部作物营养与施肥重点开放实验室，北京１０００８１摘要植物叶片叶绿素含量及分布是植物营养信息表达的一个重要指标。以茶树为研究对象，利用高光谱技术分析茶树叶片中叶绿素含量及其分布。通过采集茶树鲜叶的高光谱图像，利用７种不同的算法从高光谱数据中提取相应

2、的特征参数，并根据特征参数和叶绿素含量的参考测量值分别拟合出相应的预测模型。结果显示，二次土壤调节植被指数算法提取的特征参数最佳，预测模型校正集和预测集的相关系数Ｒ分别为０．８４３３和０．８３２３，最小均方根误差分别为９．９１８和８．６０１。最后根据预测模型估计叶片上任意像素下叶绿素的含量，并通过伪彩手段描述叶片中叶绿素含量的分布。研究结果表明，利用高光谱成像技术分析茶树叶片中叶绿素含量及其分布是可行的。关键词高光谱成像技术；茶树叶片；叶绿素；二次土壤调节植被指数中图分类号：ＴＰ３９１．４文献标识码：ＡＤＯＩ：１０．３９６４／ｊ．ｉｓｓｎ．１０００－０５９３（２０１１）０２－０５１２－０４述

3、叶片上叶绿素的分布状况，以便于从图像角度更直观分析［３］。引言茶树营养状况叶绿素是植物体进行光合作用、进行第一性生产的重要１材料与方法物质，叶绿素含量能间接反映植物的生长状况与光合作用能［１］；同时，叶片中叶绿素含量及其分布与植物的营养缺素力１．１试验材料状况密切相关，因此，植物叶片中叶绿素含量及分布可作为试验所用的样本茶树叶片，分别从镇江市京口区３个不评判植物营养生理状态的一个重要指标。常规的叶绿素测定同茶园中的不同茶树上随机采集得到的，剔除了病虫害叶方法是分光光度计法，但该方法步骤繁琐，费时费力。近年片，一共采集了９０个叶片样本。其中６０个样本校正集用于来，便携式叶绿素仪和遥感技术在叶绿

4、素含量的检测上得到模型校正，另外一组为３０个样本用于模型的验证。［２－４］。尽管这些方法与传统的叶绿素检测方越来越多的关注１．２数据采集法相比具有显著优势，但也表现出一定的缺陷。高光谱图像数据是基于光谱仪的高光谱图像系统采集得高光谱成像技术集光谱分析和图像处理于一身，现已在到的。基于图像光谱仪的高光谱图像采集系统由基于图像光军事、医药和精细农业领域得到了广泛的应用。由于高光谱谱仪的高光谱摄像机（ＩｍＳｐｅｃｔｏｒ，Ｖ１０Ｅ，芬兰），一套１５０Ｗ成像技术是光谱分析技术和图像处理技术在技术层面上的融光纤卤素灯（Ｆｉｂｅｒ－ＬｉｔｅＤＣ９５０Ｉｌｌｕｍｉｎａｔｏｒ，ＤｏｌａｎＪｅｎｎｅｒＩｎ－合技

5、术，基于这两种技术的优势，高光谱成像技术不仅能研ｄｕｓｔｒｉｅｓＩｎｃ，ＭＡ，美国），一套包括控制装置的移动平台究对象的内部成分含量，还可对其分布进行可视化分析。本（Ｚｏｌｉｘ，ＳＣ３００２１Ａ，北京）和计算机等部件组成，如图１所研究以茶树为研究对象，采集茶树叶片高光谱图像数据，提示。取相应的光谱特征变量，并与常规方法检测得到的叶绿素含试验数据采集过程中，将茶树叶片平铺在白色底板的输量相关联，建立茶树叶片叶绿素含量预测模型；最后通过模送台上进行高光谱图像采集。设定高光谱系统摄相机曝光时型估计出叶片上任意像素下的叶绿素含量，通过伪彩手段描间为５０ｍｓ，输送装置的速度为１．２５ｍｍ·ｓ－１。试验

6、采用的收稿日期：２０１０－０５－１６，修订日期：２０１０－０８－２２基金项目：国家自然科学基金项目（３０８００６６６，３０９７１６８５），江苏省自然科学基金项目（ＢＫ２００９２１６）和农业部作物营养与施肥重点实验室开放基金项目资助作者简介：赵杰文，１９４５年生，江苏大学食品与生物工程学院教授＊通讯联系人ｅ－ｍａｉｌ：ｃｈｅｎｊｉａｎｇ０５１８＠ｙａｈｏｏ．ｃｏｍ．ｃｎ第２期光谱学与光谱分析５１３高光谱摄像头的图像分辨率为４００×１２８０，光谱范围是４０８Ｉλ－ＢλＲλ＝（１）Ｗλ－Ｂλ～１１１７ｎｍ，采样间隔为０．６７ｎｍ。１．４数据计算表１列出波段比植被指数ｒａｔｉｏｖｅｇｅｔａｔｉｏｎｉ

7、ｎｄｅｘ（ＲＶＩ）、归一化植被指数ｎｏｒｍａｌｉｚｅｄｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅｖｅｇｅｔａｔｉｏｎｉｎｄｅｘ（ＮＤ－ＶＩ）、重规一化植被指数ｒｅｎｏｒｍａｌｉｚｅｄｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅｖｅｇｅｔａｔｉｏｎｉｎｄｅｘ（ＲＤＶＩ）、叶绿素吸收比指数ｃｈｌｏｒｏｐｈｙｌｌａｂｓｏｒｐｔｉｏｎｒａ－ｔｉｏｉｎｄｅｘ（ＣＡＲＩ）、二次土壤调节植被指数Ｍｏｄｉｆｉｅｄｓｅｃｏｎｄｓｏｉｌ－ａｄｊｕｓｔｅｄｖｅｇｅｔａｔｉｏｎ