一種基於冠層多光譜的烤菸鮮菸葉葉綠素含量測定方法
2023-06-04 19:23:41
專利名稱：一種基於冠層多光譜的烤菸鮮菸葉葉綠素含量測定方法
技術領域：
本方法涉及烤菸鮮菸葉葉綠素含量的測定，尤其涉及一種基於冠層多光譜的烤菸鮮菸葉葉綠素含量測定方法。
背景技術：
烤菸鮮菸葉葉綠素含量是判斷烤菸氮素營養狀況的重要指標，對於烤菸氮肥管理決策具有重要的指示意義。
目前，烤菸鮮菸葉葉綠素含量的傳統測定方法是田間取樣後帶回實驗室，用95％乙醇或丙酮提取後利用分光光度法測定。這種方法的優點是準確。缺點是a.需要在田間採取鮮菸葉樣品，對煙株有傷害；b.測定周期較長，不具有實時性；c.需要消耗化學試劑。
由於作物葉色是葉片中葉綠素含量及類胡蘿蔔素等色素含量和組成的外在表現，利用作物的冠層光譜反射率反演葉片葉綠素含量成為一種新的方法。已報導的文獻有以下幾個特點a.採用高光譜輻射計進行冠層光譜的測定。由於高光譜輻射計色散元件都是採用全息反射光柵，導致儀器價格昂貴，適用於科學研究但不適用于田間農業生產，特別是不適用於生產一線人員使用。b.高光譜輻射計所得到的冠層光譜數據量大，處理較麻煩，多需要專業的計算機軟體支持。c.文獻報導的葉綠素監測模型多基於小麥、水稻等糧食作物建立，因為烤菸在株型、葉片形態、冠層結構等方面均與上述作物存在較大差異，所以已有糧食作物的葉綠素含量的預測模型不適用於烤菸葉片葉綠素含量的測定。
發明內容
為了克服背景技術中存在的問題，本方法的目的在於提供一種一種基於冠層多光譜的烤菸鮮菸葉葉綠素含量測定方法，即原位、快速、無損的烤菸鮮葉片中葉綠素含量的方法，並且能夠同時測定葉綠素a(chla)、葉綠素b(chlb)、葉綠素總量、葉綠素a/b值。
本發明的目的是通過是通過以下技術方案來實現的採用多光譜輻射計對團棵期到現蕾前期的烤菸冠層光譜進行測定，構建植被指數，並在實驗室採用比色法測定對應植株倒數第5片葉中部的葉綠素含量，利用統計學方法建立利用冠層光譜參數反演葉片葉綠素含量的模型。測定待測樣本的冠層光譜參數，輸入模型，進而實現對烤菸葉片葉綠素含量的測定。
具體實施方式
如下 1.校正樣本光譜資料庫的建立。選取有代表性烤菸植株，測定其團棵期到現蕾前期的冠層光譜。具體操作方式採用MSR16光譜輻射計 進行，測定前進行標定，共16個波段，其具體波段設置為460/500/550/600/650/670/730/780/800/850/950/1050/1100/1200/1260/1480nm，儀器視場角31.1°。光譜測定在晴朗無雲(少雲)的天氣條件下進行，測定時間為10:00-14:00，測定時探頭垂直向下，距離冠層高度1.0-1.5m，每重複測量1點，每點測定3次，以3次重複的平均值為一點的冠層光譜參數。將校正樣本冠層光譜原始反射率錄入資料庫。並利用原始冠層光譜反射率構建差值植被指數(DVI)比值植被指數(RVI)和歸一化植被指數(NDVI)。
RVI(λ1，λ2)＝ρλ1/ρλ2， DVI(λ1，λ2)＝|ρλ1-ρλ2|， NDVI(λ1，λ2)＝|ρλ1-ρλ2|/(ρλ1+ρλ2)，其中ρ為反射率，λ1、λ2分別代表參與植被指數計算的兩個波段。
2.校正樣本葉綠素含量的實驗室測定。結合步驟1，在測定校正樣本冠層光譜數據後，取下對應煙株倒數第5片菸葉帶回實驗室，取葉子中部剪碎混勻，稱取0.2g，比色法測定其chla、chlb含量，並計算其葉綠素總量和葉綠素a/b。
3.預測模型的構建。採用統計方法分析冠層光譜參數與葉綠素含量之間的定量關係，通過比較擬合方程的決定係數，構建模型如下 C(chla)＝0.250×RVI(730，550)1.511，(n＝45，R2＝0.823**) I； C(chlb)＝0.049×RVI(730，550)1.841 (n＝45，R2＝0.883**) II； 其中n為樣本量，R2為決定係數，**表示模型具有極顯著意義。聯合模型I和模型II，可計算葉綠素總量和葉綠素a/b，即葉綠素總量 C(chl)＝C(chla)+C(chlb)，葉綠素a/b值a/b＝C(chla)/C(chlb)。
4.預測模型的檢驗。在烤菸團棵期到現蕾前期，隨機選取45株，按照步驟1描述方法測定冠層光譜；按照步驟2實驗室測定其倒數第5片葉葉綠素含量；將冠層光譜代入步驟3中構建的預測模型，輸出葉綠素含量。根據實測葉綠素值與預測葉綠素值對模型進行檢驗。經計算，模型I的預測值與實測值擬合曲線決定係數為0.7938，根均方差為0.2039；模型II的預測值與實測值擬合曲線的決定係數為0.8406，根均方差為0.0587。
5.待測樣品冠層光譜的測定。在烤菸團棵期到現蕾前期，按照步驟1中描述的校正樣品冠層光譜的採集方法對待測樣品的冠層光譜數據進行測定。
6.待測樣品葉綠素含量的測定。按照步驟1描述的方法對測定樣品的冠層多光譜進行測定，並將待測樣品的RVI(730，550)輸入步驟3所建模型，分別得出待測樣品的chla、chlb、葉綠素總量和a/b. 我們把通過步驟1-6完成的烤菸鮮葉片中的葉綠素含量測定統稱為「一種基於冠層多光譜的烤菸鮮菸葉葉綠素含量測定方法」。本方法與技術背景相比有以下優勢1.原位測定，不需要取樣，對煙株無損傷；2.不需化學試劑；3.與高光譜輻射計相比有較大的成本優勢，更適用於農業生產；4.只需獲得550nm和730nm兩通道的數據就可以完成測定，數據處理方法和過程簡便。
圖1為本方法的結構示意圖。
圖2為預測模型的構建示意圖。
圖3為預測模型的檢驗示意圖。
具體實施例方式 本發明以下結合實施例作進一步描述 2009年6月17日11:30，在河南省方城縣國家優質菸葉生產基地，利用MSR16多光譜輻射計對煙株冠層多光譜進行了測定，儀器視場角31.1°，測定時探頭垂直向下，距離冠層高度1.2m，共測定3次，以3次重複的平均值作為該煙株冠層光譜參數。冠層多光譜測定結果顯示其ρ550＝13.13％，ρ730＝41.43％，經計算其RVI(730，550)＝3.31，將該冠層RVI(730，550)輸入所建模型 C(chla)＝0.250×RVI(730，550)1.511，(n＝45，R2＝0.823**) I； C(chlb)＝0.049×RVI(730，550)1.841 (n＝45，R2＝0.883**) II； 分別得出該煙株倒數第5片葉中部的chla＝1.53mg/g、chlb＝0.44mg/g、葉綠素總量＝1.97mg/g和a/b＝3.44。
權利要求
1.一種基於冠層多光譜的烤菸鮮菸葉葉綠素含量測定方法，其特徵在於該方法是採用多光譜輻射計對團棵期到現蕾前期的烤菸冠層光譜進行測定，構建植被指數，並在實驗室採用比色法測定對應植株倒數第5片葉中部的葉綠素含量，利用統計學方法建立利用冠層光譜參數反演葉片葉綠素含量的模型；測定待測樣本的冠層光譜參數，輸入模型，進而實現對烤菸葉片葉綠素含量的測定。
2.根據權利要求1所述的基於冠層多光譜的烤菸鮮菸葉葉綠素含量測定方法，其特徵在於該方法的具體步驟如下
1).校正樣本光譜資料庫的建立，選取有代表性烤菸植株，測定其團棵期到現蕾前期的冠層光譜；將校正樣本冠層光譜原始反射率錄入資料庫，並利用原始冠層光譜反射率構建差值植被指數(DVI)比值植被指數(RVI)和歸一化植被指數(NDVI)，
RVI(λ1，λ2)＝ρλ1/ρλ2，
DVI(λ1，λ2)＝|ρλ1-ρλ2|，
NDVI(λ1，λ2)＝|ρλ1-ρλ2|/(ρλ1+ρλ2)，其中ρ為反射率，λ1、λ2分別代表參與植被指數計算的兩個波段；
2).校正樣本葉綠素含量的實驗室測定，結合步驟1)，在測定校正樣本冠層光譜數據後，取下對應煙株倒數第5片菸葉帶回實驗室，取葉子中部剪碎混勻，稱取0.2g，比色法測定其chla、chlb含量，並計算其葉綠素總量和葉綠素a/b；
3).預測模型的構建，採用統計方法分析冠層光譜參數與葉綠素含量之間的定量關係，通過比較擬合方程的決定係數，構建模型如下
C(chla)＝0.250×RVI(730，550)1.511，(n＝45，R2＝0.823**) I；
C(chlb)＝0.049×RVI(730，550)1.841 (n＝45，R2＝0.883**) II；
其中n為樣本量，R2為決定係數，聯合模型I和模型II，計算葉綠素總量和葉綠素a/b，即葉綠素總量
C(chl)＝C(chla)+C(chlb)，葉綠素a/b值a/b＝C(chla)/C(chlb)；
4).預測模型的檢驗，在烤菸團棵期到現蕾前期，隨機選取45株，按照步驟1)描述方法測定冠層光譜；按照步驟2)實驗室測定其倒數第5片葉葉綠素含量；將冠層光譜代入步驟3)中構建的預測模型，輸出葉綠素含量，根據實測葉綠素值與預測葉綠素值對模型進行檢驗，經計算，模型I的預測值與實測值擬合曲線決定係數為0.7938，根均方差為0.2039；模型II的預測值與實測值擬合曲線的決定係數為0.8406，根均方差為0.0587；
5).待測樣品冠層光譜的測定，在烤菸團棵期到現蕾前期，按照步驟1)中描述的校正樣品冠層光譜的採集方法對待測樣品的冠層光譜數據進行測定；
6).待測樣品葉綠素含量的測定，按照步驟1)描述的方法對測定樣品的冠層多光譜進行測定，並將待測樣品的RVI(730，550)輸入步驟3)所建模型，分別得出待測樣品的chla、chlb、葉綠素總量和a/b。
3.根據權利要求2所述的基於冠層多光譜的烤菸鮮菸葉葉綠素含量測定方法，其特徵在於步驟1)中測定其團棵期到現蕾前期的冠層光譜的具體操作方式採用MSR16光譜輻射計進行，測定前進行標定，共16個波段，其具體波段設置為
460/500/550/600/650/670/730/780/800/850/950/1050/1100/1200/1260/1480nm，儀器視場角31.1°，光譜測定在晴朗無雲(少雲)的天氣條件下進行，測定時間為10:00-14:00，測定時探頭垂直向下，距離冠層高度1.0-1.5m，每重複測量1點，每點測定3次，以3次重複的平均值為一點的冠層光譜參數。
全文摘要
一種基於冠層多光譜的烤菸鮮菸葉葉綠素含量測定方法，其特徵在於該方法是採用多光譜輻射計對團棵期到現蕾前期的烤菸冠層光譜進行測定，構建植被指數，並在實驗室採用比色法測定對應植株倒數第5片葉中部的葉綠素含量，利用統計學方法建立利用冠層光譜參數反演葉片葉綠素含量的模型；測定待測樣本的冠層光譜參數，輸入模型，進而實現對烤菸葉片葉綠素含量的測定。本發明的測定方法與現有技術相比有以下優勢1.原位測定，不需要取樣，對煙株無損傷；2.不需化學試劑；3.與高光譜輻射計相比有較大的成本優勢，更適用於農業生產；4.只需獲得550nm和730nm兩通道的數據就可以完成測定，數據處理方法和過程簡便。
文檔編號G01N21/25GK101762463SQ20091022749
公開日2010年6月30日 申請日期2009年12月16日 優先權日2009年12月16日
發明者王建偉, 薛超群, 尹啟生, 周漢平, 張豔玲, 宋紀真, 魏春陽, 張仕祥, 梁太波 申請人:中國菸草總公司鄭州菸草研究院