高光谱图像技术检测黄瓜叶片的叶绿素叶面分布.pdf

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1、第39卷分析化学(FENXIHUAXUE)研究简报第2期2011年2月ChineseJournalofAnalyticalChemistry243～247DOl：10．3724／SP．J．1096．2011．00243高光谱图像技术检测黄瓜叶片的叶绿素叶面分布石吉勇邹小波赵杰文殷晓平(江苏大学食品与生物工程学院，镇江212013)摘要以黄瓜叶片为材料，利用高光谱图像技术结合独立分量法(ICA)，研究了，叶绿素浓度叶面分布的快速、无损检测方法。用高光谱相机采集了80片黄瓜叶子的高光谱图像(408~1117nm)，利用ICA

2、方法提取了高光谱图像的8个独立分量信号，通过逐步线性回归(SMLR)优选出第1、第2和第5个ICA信号，并在此基础上建立了叶绿素浓度回归建模(R一0．904，RMSE=0．221)。此模型表征了高光谱图像信号同叶绿素浓度的线性映射关系。提取黄瓜叶高光谱图像所有像素点的第1、第2和第5个ICA信号，代人建立的叶绿素浓度模型中，快速计算出所有像素点对应的叶绿素浓度，并用叶绿素浓度值代替对应像素的图像信号，最终得到了黄瓜叶片的叶绿素浓度分布图。研究表明，利用高光谱图像技术快速、无损检测叶片叶绿素浓度及其叶面分布是可行的。关键词

3、叶绿素分布；高光谱图像；独立分量分析；黄瓜叶片1引言参与光合作用的色素有叶绿素a、叶绿素b与类胡萝卜素等，其中叶绿素是吸收光能的物质，直接关系到植被对光能的利用。叶绿素浓度和植被的光合能力、发育阶段以及氮元素状况有较好的相关性，通常作为氮素胁迫、光合作用能力和植被发育阶段的指示器ll】。在植物生长环境分析和长势监测中，叶绿素浓度是非常重要的评估内容之一。叶绿素的常规测定方法为分光光度法。该方法需进行组织提取和吸光度的测定，既耗时间又损伤植被；另外，从田间到实验室的运输和样本制备过程中很可能损失叶绿素，导致叶绿素浓度发生变

4、化。为了克服常规检测手段的不足，研究者已对叶绿素的光谱检测进行了广泛研究。李庆波等[41研究了基于可见光一近红外光谱的植物叶绿素浓度检测方法，得到了植物叶片叶绿素浓度和叶片吸收光谱的定量分析模型；赵祥等开展了小麦叶绿素浓度的高光谱测量方法；SPAD叶绿素仪被广泛用于检测活体叶片的叶绿素浓度。以上方法可以对植物叶绿素浓度进行无损检测，但是基于光谱的叶绿素检测方法仅能检测叶片某个点或者某个小区域的叶绿素浓度，对叶片所有区域的叶绿素浓度检测则无能为力。为了实现叶绿素浓度叶面分布的快速、无损检测，本研究提出基于高光谱图像技术的检

5、测方法。高光谱图像不仅包含样品在每个波段下的二维图像信息，还包含样本每相像素点的光谱信息。因此，高光谱图像技术是一种集光谱信息和图像信息于一体的技术，该技术起步于军事领域，现已扩展到地球遥感、医疗诊断及农作物长势遥感监测等方面。高光谱图像技术是光谱分析技术和图像处理技术在最低数据级层面的融合技术，兼有这两种技术的优势，既能对研究对象的外部特征进行可视化分析，也能对内部有效成分进行定量预测。本研究采用独立分量法(ICA)对高光谱图像进行数据降维和特征提取，将提取的ICA信号与叶绿素浓度进行线性回归，得到高光谱图像信号同叶绿

6、素浓度的线性映射关系，根据此映射关系，计算高光谱图像中所有像素点对应的叶绿素浓度值，将叶绿素浓度值取代对应像素点的图像信号，从而得到整个叶面的叶绿素浓度分布图。2实验方法2．1实验材料实验用水果黄瓜叶片采集于镇江市京口区瑞京农业科技示范园，品种为碧玉三号，共采集80片。201000312收稿；2010-0719接受本文系国家863项目(No．2008AAIOZ208)，国家自然科学基金(No．60901079)，江苏省六大人才高峰，青蓝工程项目，国家博士后基金，优秀博士论文基金和江苏省普通高校研究生科研创新计划(No．C

7、X10B一2772)资助E-mail：zouxiaobo@ujs．edu．ca_244分析化学第39卷2．2高光谱图像采集与标定高光谱图像数据用基于光谱仪的高光谱图像系统采集。高光谱图像采集系统见图1，由基于图像光谱仪的高光谱摄像机(ImSpector,V10E，芬兰)、150W光纤卤素灯(Fiber-LiteDC950Illuminator,DolanJennerIndus—triesInc，MA，美国)、精密电控平移台(Zolix，SC30021A，北京)和计算机等部件组成。为了防止基线漂移，数据采集前将高光谱图像采

8、集系统打开，预热30min。数据采集时，将黄瓜叶平铺在白色底板的电控位移台上，设定高光谱摄相机曝光时间为45ms，电控平移台的移动速度为1．25mm／s，图像扫描行数为600行／幅，每行扫描的像素点个数为1280，得到的高光谱图图1基于光谱仪的高光谱图像系统像分辨率为600X1280；光谱范围为4081117nm，光