烟草主要生化参数高光谱遥感监测现状

-精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 1 烟草主要生化参数高光谱遥感监测 现状 摘要：概述了目前利用高光谱遥 感技术估测烟草生化参数理论与技术的 最新研究进展，着重讨论了烟草主要生 理生化成分与其高光谱参量之间的关系， 以及建立的相应的生理生化成分的估算 模型。指出了高光谱遥感监测烟草主要 生化参数的机理和研究进展，是目前烟 草主要生化参数遥感估测研究的前沿领 域和科学问题，为人们尽快全面了解高 光谱技术在烟草生化参数方面应用进展 和方法拓展，提供了参考。 中国论文网 /7/view-12990403.htm 关键词：烟草；生理生化参数； 高光谱；监测模型 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 2 中图分类号：S572 文献标识码：A 文章编号： 1674-9944（2017）14-0255-04 1 引言 高光谱遥感1是指在紫外、可见 光、近红外等电磁波谱范围内，从探测 目标上获取若干非常窄且光谱连续数据 的技术。所获得的光谱数据其中包含了 大量的光谱反射率原始数据信息，若另 外加上原始光谱反射率的导数（一阶导 数、二阶导数） 、对数变换、高光谱特 征参数等，信息量就可以增加更多倍， 因此，高光谱技术得到了广泛的应用和 快速的发展。前人已经对高光谱遥感技 术在水稻2 ，3 、大豆46 、小麦7 等农作物中的应用有了较为深入的研究。 近几年来，越来越多的烟草研究者们将 目光转向了高光谱技术，他们利用高光 谱技术得出了不同因素影响烟草光谱特 征的变化规律，同时筛选出一些监测参 数，并建立了相应的估算模型。 烟草生化参数主要包括有：水分、 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 3 色素、糖、N、P、K 和微量元素等。在 农业遥感信息模型研究、作物冠层光谱、 叶片光谱、生物物理参数的提取与反演、 作物长势监测等方面，高光谱技术都得 到了较快发展。近年来，高光谱技术在 烟草上的研究和应用也进入了快速发展 的阶段，并且得到了较多的应用，其中 也包括了在生化参数方面的研究。 Tomas8等的研究发现烟草在缺氮时可 见光波段的反射率会增加，同时光谱反 射率会随着叶绿素和类胡萝卜素含量的 增加而降低。Churasia9等报道了利用 IRS-ID LISS-III 数据可以估算烟草叶面 积指数。苏永士等10 分析了不同施氮 水平下烟草冠层光谱特征，并探究了光 谱与叶面积指数、叶绿素含量间的相关 性。研究表明，利用所建立的估测模型 快速监测烟草的生长状况，及时指导烟 草田间管理是可行的。王建伟等 11，12将烟草叶片的高光谱反射率、 冠层光谱反射率、烘烤后叶片的光谱反 射率与化学指标以及香气指标进行了相 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 4 关分析，建立了相应的光谱估测模型。 笔者着重讨论近年来利用高光谱遥感技 术手段监测烟草生化参数的成果与方法 的研究进展，同时展望未来高光谱遥感 在烟草方面的发展趋势。 2 高光谱遥感诊断烟草组分原理 及烟草高光谱特征 2.1 烟草生化成分光谱诊断的基 本原理 烟草叶片在电磁波的作用下，内 部会发生一些复杂的物理过程（电子的 跃迁、原子、分子振动与旋转） ，同时 会呈现出一些光谱吸收和反射特征，以 此来反映物质的成分和结构信息 13，14。烟草所具有的这些光谱特征 是利用遥感方法监测其性质和形状的重 要依据。 烟草的生化成分光谱诊断原理就 是利用烟草的光谱特性与其生理生化过 程以及形态结构之间的响应过程，从而 得到光谱反射率的变化对应化学组分的 多少，反射光谱曲线的形态和特征会因 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 5 烟草品种的不同、植株所处的生长期的 不同而有所差异，此外灌溉、施肥、病 虫害等条件的不同也会引起烟草反射光 谱特性的变化，因此可以利用遥感数据 结合光谱的这些特征来进行烟草生化成 分的品质监测。 2.2 烟草高光谱特征 烟草的反射光谱波形与典型植物 的反射特征是相同的，这是由其细胞结 构、化学成分和形态学特征决定的：即 7001000 nm 为最高反射区，400500 nm 之间是最低反射区，500600 nm 之间是一个反射次高峰区， 。烟草的光 谱反射特征会因光照、水分、肥料、品 种类型、生育时期、病虫害等因素的影 响而发生变化。李佛林15等对不同施 氮处理、不同时期和不同叶位等的云烟 85、中烟 101、巴斯玛 1 号的烟叶室外 光谱进行了总体描述：在整个光谱区域 内，主要吸收中心变异小，红和近红外 波段处变异大：在 592 nm 附近及 708 nm 附近变异系数较小，大约为 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 6 32.8%，大于 708 nm 以后变异系数逐渐 增加。整个光谱区域内，变异系数最大 达到了 58.7%。张正杨等16对 K326 和 云烟 87 两种烤烟的冠层光谱特征进行 了描述：K326 冠层的光谱反射率均低 于云烟 87。殷全玉等17对云烟 87 和 中烟 101 的叶片反射率光谱特征进行了 研究：两个品种的叶片反射率光谱在近 红外波段表现出了较明显的差异，而且 云烟 87 叶片的反射率要大于中烟 101。 乔红波等18 研究了 3 种：重（单株顶 尖和上部 5 片叶蚜量50 头） 、中（15 头单株顶尖和上部 5 片叶蚜量50 头） 和轻（单株顶尖和上部 5 片叶蚜量15 头）烟蚜危害程度条件下的光谱反射特 征。研究结果表明：烟蚜会造成烟草光 谱反射率的下降，其中在近红外波段的 反射率下降特别明显。 3 高光谱遥感数据估测烟草生化 成分分析方法研究 目前国内关于利用高光谱技术进 行烟草生化参数遥感估测机理和方法的 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 7 研究主要侧重于建立光谱特征值与烟草 生化参数间的统计模型，这些统计模型， 简单且便于运用，但是统计方法获取的 模型其机理并不是很明确，应用范围较 窄，而且由于生化参数相互之间、生化 参数与其它植被参数之g，再加上环 境条件的干扰，会使得对其中某一生化 参数的分析变得非常复杂。近年来，高 光谱数据的处理技术越来越多，如多元 统计分析技术、光谱微分技术、基于光 谱位置（波长）变量的分析技术、光学 模型方法、参数成图技术、光谱匹配技 术、混合光谱分解技术等19。利用逐 步线性回归的方法找出与某些生化成分 含量相关的波段仍然是使用高光谱遥感 数据估测烟草化学特性的主要方法，然 后建立这些生化成分与波段光谱特征值 之间的回归方程，其缺点是有可能会出 现诸如过度拟合、重要的波段被忽略和 不同组分间的相关性等问题。 多元统计分析技术。在高光谱遥感研究 中，使用最普遍的是多元统计分析技术 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 8 20，23，该方法可用来估计或预测生 理指标，它以光谱数据或其变换形式 （如原始光谱反射率、一阶二阶微分变 换、对数变换、各种植被指数、导数后 的对数变换等）作为自变量，生物物理、 生物化学参数等作为因变量，建立多元 回归估计预测模型。通过逐步回归方法 可以找出与生物化学成分之间相关性最 大的波段，但是基于最大相关原理选择 的相关波长可能会由于过度拟合、波动 或其它相关变量的影响而造成误差19。 王秀珍24等分析了高分辨率遥感的导 数光谱能获得更多植被的化学成分的信 息，其导数光谱，尤其是二阶导数光谱 能较好地消除土壤背景因素的影响和重 叠光谱的影响，导数光谱也可部分消除 大气的影响。 基于光谱波长位置变量等的分析 技术。是根据波长变化相应的参数变量 为自变量与生物物理和生物化学参量的 关系来估计生化成分的，一般是通过高 光谱数据进行某种变换（如求导、求对 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 9 数等）来寻找烟草光谱的特征位置，也 可直接通过高光谱数据来寻找这些特征 位置，位置变量可以是：红边幅值 Dr、绿峰幅值 Rg、黄边幅值 Dy、蓝边 位置 b、红光吸收谷位置 v 及其它特 征吸收谷等。面积变量一般有：红边面 积 SDr、绿峰面积 SDg、黄边面积 SDy 蓝边面积 SDb，植被变量常用的有：红 边面积与蓝边面积比值 SDr/SDb、红边 面积与黄边面积归一化值（SDr-SDy） /（SDr+SDy） 、红边面积与黄边面积比 值 SDr/SDy、绿峰与红谷归一化值 （Rg-Rr）/（Rg+Rr） 、红边面积与蓝边 面积归一化值（SDr-SDb） /（SDr+SDb） 、绿峰与红谷比值 Rg/Rr。此方法的普及度m 然不及多 元统计分析方法，但被经常用在烟草的 光合色素、水分和其他生化成分在可见 光、近红外波段内形成了“蓝边” 、 “黄边” 和“红边”等区别于其他地物的特征位置 的情况下。 光谱匹配技术。是利用地物的光 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 10 谱与参考的光谱进行匹配或者是地物的 光谱与光谱数据库的光谱作比较，以求 它们之间的相似性或差异性25。在现 有光谱数据库不完善的情况下，直接将 目标物光谱与参考光谱进行比较是最常 用的一种光谱匹配技术，其中以交叉相 关光谱匹配技术的匹配效果较好26。 对于光谱匹配技术，有时需要将目标物 的混合光谱加以分解，从而进一步确定 在混合光谱中不同组分所占的比例，同 时识别在己知组分中外加的其它组分。 在一种光谱确定的物质中加入其它组分 时，光谱的特征参数会发生改变，这为 用光谱法对目标物中的组分识别提供可 能，但混合光谱分解技术存在两个关键 问题：一是找出一组成分纯的化学物质 的光谱或已知组分混合比例的目标物的 光谱；二是修正从纯组分光谱到混合组 分光谱因条件不同而带来的光谱变化。 目前，根据光谱匹配技术来分析烟草光 谱变化及其生化组分的报道还尚未见 27。 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 11 4 高光谱估测烟草色素状态的机 理和研究进展 烟草的光合色素含量与其光合能 力具有很好的相关性，可以用来评价烟 草长势。植被色素（ 叶绿素和类胡萝 卜素） 直接影响植被和叶子在可见光 范围内的反射光谱，可以利用植被冠层 和叶片的反射光谱来估算其色素含量 28。绿色植被的光合色素在可见光波 段的吸收峰主要在蓝光区和红光区，在 蓝光区内，叶绿素和类胡萝卜素的吸收 峰是相重叠的，所以一般不用蓝光区估 测叶绿素状况；在红光区内，叶绿素的 最大吸收峰在 660680 nm，但是较低 含量的叶绿素就会引起该吸收区光的饱 和，会使估测的灵敏度有所下降，所以 常用略偏于吸收峰的 550 nm 和 700 nm 来估测叶绿素的含量29 。付虎艳30 等测定了南江 3 号不同长势且无病虫害 烤烟的叶片反射率光谱，发现：在波长 700 nm 处 Chl a 含量与叶片原始光谱反 射率的相关系数达到最大，为- -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 12 0.705，Chl b 含量与原始光谱反射率的 相关系数最大是在 701 nm 波长处，为- 0.654。 研究烟草的高光谱与色素特性， 分析色素与高光谱参数之间的关系，并 建立估测模型，可以及时、准确地获取 烟草的生长状况信息，特别是烟草的光 合能力，为烟田施肥和烟草长势监测提 供便捷、有效的方法。 付虎艳 30通过 研究南江 3 号发现：在波长 623 nm 处 Chl a 含量与一阶光谱反射率的相关系 数最大，相关系数为 0.835，在波长 653 nm 处 Chl b 含量与一阶光谱反射率的 相关系数最大，相关系数为 0.808；Chl a 含量与绿峰位置， Chl b 含量与 SDr/SDb 的相关系数最大，分别为 0.861 和 0.832，建立的烟草叶片叶绿素 含量的多元逐步回归模型以及基于高光 谱特征变量建立的单变量模型中，基于 光谱一阶微分的逐步回归模型可以较好 的估测 Chl a 和 Chl b 含量，估测效果 最好、检验精度也较高，是烟草叶片叶 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 13 绿素含量的最优估测模型。黄智31等 研究了烤烟 K326 冠层 4 种色素指标与 18 种高光谱参数之间的相关性。Chl a 含量与 Db、Ro、Rg 、SDr 、SDb 存在 显著的负相关关系，Chl a、Chl b、Chl a+b 含量均与 SDy 的相关系数最高，并 呈极显著的正相关关系，R2 均达到 0.75 以上，与类胡萝卜素含量的相关性 较差，R2 为 0.61，同时构建了函数模 型，得出各时期色素含量的估测值，与 其真实值进行差异性检验，其差异不显 著，说明用这些高光谱参数建立的检测 模型是可行的。刘大双32等对 NC89 从烟株接种后的第 3 d 到烟株现蕾为止 的生长期内对叶片进行了 5 次高光谱反 射率的测定，利用线性、非线性回归技 术建立了色素含量的估测模型，并且得 出结论：与 Chl a 和 Chl a +b 最相关的 特征变量是 SDg，与 Chl b 和类胡萝卜 素最相关的特征参量是 Db，同时筛选 出了相关系数较大的 7 个光谱变量 （SDg、 SDb、 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 14 SDy、Db、Dy、Rg 、 （SDr-SDg） /（SDr+SDg） ，分别建立了线性或非线 性单变量色素含量估测模型。Chl a 的 最佳模型是线性模型，Chl b 的最佳模 型是指数模型，对于 Chl a +b 的最佳模 型是 Dy 为自变量的线性模型，而其余 6 个光谱变量的最佳模型是指数模型， 类胡萝卜素最佳模型是 Dy 和 Rg 为变 量的线性模型，其他 5 个光谱变量的最 佳模型是指数模型。经精度检验， 估 测 Chl a 含量的最佳模型是以 SDb 为自 变量的线性模型，估测 Chl b 和 Chl a+b 含量的最佳模型是以 SDb 为自变量 的指数模型，估测类胡萝卜素含量的最 佳模型是以 Rg 为自变量的线性模型。 5 高光谱估测烟草总氮状态的机理和研 究进展 烟草作为一种需要适当施氮肥才 能保证其产量和品质的经济作物，氮素 的缺少或过多会引起烟草生长发育的变 化，从而影响生长期内烟草光谱的吸收， 反射和透射。 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 15 在烟草氮素营养光谱应用中，常 运用烟草叶片的反射光谱来评价烟株氮 状况，但是单波段光谱易受外界因素和 烟草生长状况的影响会不稳定，为了获 得普适性关系，需要用两个或多个波段 的光谱指数对氮含量和反射率进行相关 分析。张正杨33 等从 25 个冠层光谱参 数建立的各种生理生化逐步回归方程中 筛选出，总氮的自变量为 g、 （SDr- SDy）/（SDr+SDy）和 SDy，总氮的回 归方程通过 F 检验达到了极显著水平。 通过 SPSS，对模拟值和实测值进行相 关分析，建立的总氮的回归模型相关系 数都达到了显著水平，从而得出结论： 建立的基于叶片反射光谱的回归方程能 够很好的预测烟草的生理生化指标。李 佛林15选取了一些在烟草各个测定时 期（移栽后 49d、61d、75d）中都稳定 一致的与叶片氮含量达到显著相关的光 谱参数，并建立了相应的回归模型，其 中最适合估算氮含量模型的参数有： NRI、MCARI、P- -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 16 Depth560、CAR1、RMAXFD、FD688 、PRI、P- Area560、NDFDGR 、GM1 、GM2 、ND VIG、D712、TCARI、NDVI，基于这 些光谱参数，并建立了相应的方程，得 出结论：与氮含量呈线性正显著相关的 参数有：SD712、GM1 、GM2，与氮含 量呈线性负显著相关的参数有 P- Area560、P- Depth560，而其它参数与 氮含量呈非性关系。 6 高光谱技术估测烟草其他生化 成分的机理和研究进展 烟草内部包含了多种生化成分， 这些生化成分的含量加权以后吸收特性 的总和表现为叶片的光谱，多元回归法 可以找出相关性程度较高的光谱反射波 段和波段组合，也可以确定其化学成分 的组合，从而反演出其化学成分的含量。 有些相关性波段是某些生化成分的特征 吸收波段，或者是利用光谱一阶导数作