烤烟 K326色素含量的高光谱估测研究

黄 智，昌宏涛，陈建国，朱列书*

（1湖南农业大学生物科学技术学院，长沙　410128；2湖南农业大学农学院，长沙　410128）

烤烟K326色素含量的高光谱估测研究

黄 智1，昌宏涛2，陈建国2，朱列书2*

（1湖南农业大学生物科学技术学院，长沙410128；2湖南农业大学农学院，长沙410128）

通过大田试验，研究了烤烟K326叶片色素含量与冠层高光谱之间的关系，构建了以高光谱参数为自变量的烤烟叶片色素含量的诊断模型。结果表明:冠层光谱反射率与叶绿素a、叶绿素b、叶绿素a+b、类胡萝卜素含量显著相关的波段分别有769、797、782和818个，其中90%以上的波段呈显著负相关关系，相关性最高的波段分别为1 846、1 846、1 846和1 843 nm。各色素含量均与高光谱参数SDy的相关性最高，构建的函数模型分别为:y= 10373x2+1096.2x+29.803、y=-0.0023x3-0.0256x2+0.0559x-0.0665、y=13387x2+1421x+38.803和y= 10.451e76.029x。经差异性检验，估测值和实测值未达到显著水平，表明利用高光谱技术进行烤烟叶片色素含量的监测是可行的，可为烟田科学管理及决策提供技术支持。

烤烟；色素；冠层反射光谱；高光谱参数；诊断模型

随着植物遥感技术的快速发展，以光谱技术为核心的无损测试技术成为研究的热点［1］。国内外学者对水稻［2］、小麦［3］、玉米［4］、棉花［5］、油菜［6］等不同作物基于光谱技术的叶绿素含量估测已经进行了深入的研究［2～6］。近年来，对烟草的研究应用也越来越广泛。邢雪霞等以烤烟云87为对象，研究表明光谱参数绿度归一化植被指数和转换叶绿素吸收反射指数分别与叶绿素、类胡萝卜素含量之间有较好的相关性［7］。刘大双等以烤烟NC89为研究对象，表明利用蓝边面积（SDb）和绿峰幅值（Rg）等参数，可以对叶绿素含量进行较为准确的估测［8］。

烤烟K326［9］是以MCNAIR30为母本与NC95杂交育成，我国于1985年引入，以其长势长相好，产量、中上等烟比例和产值都较高，适应性较强，在我国大部分地区都有种植，被作为烤烟品种的风向标。因此，对烤烟K326进行冠层的高光谱探测，然后系统分析冠层的高光谱特征和叶绿素含量变化规律，进而筛选敏感光谱波段，构建光谱特征参数，建立不同类型烟草的烟叶叶绿素含量估测模型具有非常重要的意义，可为烟田科学管理及决策提供技术支持。

1　材料和方法

1.1试验设计

试验于2013年12月至2014年7月在湖南农业大学中南烟草基地（113°07′N，28°18′E）进行，土壤基本理化性质见表1。以烤烟K326为试验材料，种子选自2012年收获的无损裸种。采用大田试验，前茬作物为水稻，土壤肥力均匀，地势平坦，有较好的灌溉条件。于2013年12月26日播种，采用漂浮育苗的方式。2014年3月26日移栽，株行距50 cm ×120 cm。基肥中氮肥全部为硝基磷酸铵，磷肥为普钙，钾肥为硫酸钾，硝酸钾用于追肥，基肥∶追肥= 60∶40，追肥分2次施用，其它田间管理同当地优质烟叶开发生产技术规范。

表1　土壤基本理化性质

试验设3次重复，四周设保护行。各小区设置5个取样点，则每个时期有15个样本量，5个生育期共75个样本量。随机选取50个数据作为建模数据，25个作为验证数据。

1.2冠层光谱的采集

采用ASD Field Spec Pro-FRTM光谱仪（美国ASD公司），光谱范围350～2 500 nm，其光谱分辨率在350～1 000 nm区间为3 nm，1 000～2 500 nm区间为10 nm，测定烤烟K326在团棵期（04-26）、旺长期（05-15）、打顶期（05-28）、下部叶成熟期（06-12）和中部叶成熟期（06-18）的冠层光谱反射率。选择无病虫危害的正常叶片为样本，每个小区选5株长势一致能反映施肥水平的烟株，测定前进行标定，仪器视场角25°，测定均在晴朗无云（或少云）天11:30～14:00时间段内进行。测定时传感器探头垂直距冠顶100 cm，冠顶视场范围直径为44.33 cm。数据采集前后用标准白板校正（标准白板反射率视为1，所测得的目标物光谱是无量纲的相对反射率和相对透射率），光谱采样样本以10个／取样点，然后取平均值作为小区的光谱反射值。

1.3叶绿素含量的测定

在测定冠层光谱的同时，取光谱测定对应植株具有代表性的叶片，采下带回实验室，参照文献［10］的方法进行叶绿素a、叶绿素b和类胡萝卜素含量的测定。

1.4数据处理

基于ASD view spec-pro软件进行光谱数据的提取，采用Excel 2003进行一阶导数光谱的计算，采用SPSS12.0软件进行相关性和逐步回归分析，同时进行差异显著性检验。色素含量等均值均在Excel 2003软件平台下实现。高光谱参数的定义如表2。一阶导数Dλ采用下式差分计算:

Dλ=（Ri+1-Ri-1）／（λi+1-λi-1）

式中:Ri—波长i处的相对反射率；λi—波长i处的波长值［11］。

表2　高光谱遥感特征变量的定义［12］

（续表2）

2　结果与分析

2.1叶片色素含量变化

图1～4分别是烤烟K326不同生育时期叶绿素a、叶绿素b、叶绿素a+b和类胡萝卜素含量变化图。各色素含量随生育期的推移有较大幅度波动，不同色素含量的变化趋势基本一致。在生长发育前期，烟叶色素含量显著增加，在下部叶成熟期达到最大值，随着烟叶的成熟，叶片由绿转黄，叶绿素含量则急剧快速下降。

图1　叶绿素　a含量变化

图2　叶绿素　b含量变化

图3　叶绿素　a+b含量变化

图4　类胡萝卜素含量变化

2.2不同生育时期的光谱特征

2.2.1光谱反射率

由图5可知，烟草具有和其它绿色植物类似的反射曲线，在波段350～1 350 nm内，具有多个反射峰和吸收谷。在可见光范围内，团棵期、旺长期、打顶期、下部叶成熟期和中部叶成熟期的光谱反射率具有较大的差异，这种差异在绿光波段内（510～560 nm）表现的尤为明显，在此波段内，冠层光谱反射率的大小为团棵期＞中部叶成熟期＞旺长期＞打顶期＞下部叶成熟期。

图5　冠层光谱反射率

2.2.2 一阶导数光谱

烤烟冠层一阶导数光谱曲线具有多峰现象（图6），在可见光范围内具有明显的峰值，峰值出现在波段519～522、569～571、597～600、612、629～630、645、653～654、660～661、718～719、724 nm处。而在350～450 nm以及大于750 nm波段范围内，跳跃性较大，这是由一阶导数的计算方法所决定的。而处理这些峰的位置、大小，以及轴与峰之间所包围的面积差异，是构建光谱特征参数的依据。

图6　冠层一阶导数光谱反射率

2.3冠层光谱反射率与叶绿素含量的相关性分析

图7～10分别是叶绿素a、叶绿素b、叶绿素a+ b和类胡萝卜素与350～2 500 nm波段内光谱反射率的相关性关系图。色素含量与光谱反射率之间均存在很好的相关性，分别有769、797、782和818个波段的光谱反射率对应于叶绿素a、叶绿素b、叶绿素a+b和类胡萝卜素的相关性达到显著水平，与叶绿素a含量、叶绿素b含量和叶绿素a+b含量相关性最高的均为1 846 nm处的光谱反射率，与类胡萝卜素含量相关性最高的波段为1 833 nm。色素含量与大部分相关波段呈负相关关系，在所有的敏感波段中，相关性系数在波段1 831～1 956 nm范围内变化较大，有多个明显的峰值，跳跃性的呈现负相关关系和正相关关系；在其它波段中变化比较平缓，特别是在可见光波段、近红外和远红外光波段，有多个连续的波段与色素含量存在负相关的关系。

图7　叶绿素　a含量与光谱反射率的相关性关系

图8　叶绿素　b含量与光谱反射率的相关性关系

图9　叶绿素a+b含量与光谱反射率的相关性关系

图10　类胡萝卜素含量与光谱反射率的相关性关系

2.4高光谱参数与色素含量的相关性分析

表3列举了4种色素指标与18种高光谱参数之间的相关性分析结果。叶绿素a含量与Db、Ro、Rg、SDr、SDb存在显著的负相关关系，与λb、SDy、SDr／SDb、（Rg-Ro）／（Rg+Ro）、（SDr-SDy）／（SDr+SDy）存在显著的正相关关系；叶绿素b含量与Db、Ro、Rg、SDr、SDb、SDr／SDy、（SDr-SDy）／（SDr+ SDy）存在显著的负相关关系，与λb、SDy、SDr／SDb、（SDr-SDb）／（SDr+SDb）存在显著的正相关关系；叶绿素a+b含量与Db、Ro、Rg、SDr、SDb、SDr／SDy、（SDr-SDy）／（SDr+SDy）存在显著的负相关关系，与λb、SDy、SDr／SDb、（SDr-SDb）／（SDr+SDb）存在显著的正相关关系；类胡萝卜素含量与Db、Ro、SDr／SDy存在显著的负相关关系，与SDb、SDy、SDr／SDb、（Rg-Ro）／（Rg+Ro）存在显著的正相关关系。

表3　烟叶色素含量与高光谱参数的相关系数

2.5叶绿素的高光谱监测模型及验证结果

为了更精确地诊断这些参数，选取与各色素含量呈极显著相关的高光谱参数为自变量，以色素含量为因变量，分析高光谱参数（x）与色素含量（y）的相关性。采用以下5种函数模式构建诊断模型:1）线性函数:y=a+bx；2）指数函数:y=a*exp（bx）；3）对数函数:y=a+ln x；4）抛物线函数:y=ax2+bx +c；5）幂函数:y=axb；4）多项式函数:y=ax3+bx2+cx+d。式中:y为烟草叶片色素含量的诊断值；x为高光谱参数，a、b、c、d为诊断模型的常数，筛选出的最佳诊断模型于表4。

由表4可知，色素含量均与高光谱参数SDy的相关系数最高，与叶绿素a、叶绿素b、叶绿素a+b含量均呈极显著的正相关关系，决定系数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。SDy与4个色素指标构建的函数模型分别为:y=10373x2+1096.2x+29.803、y=-0.0023x3-0.0256x2+0.0559x-0.0665、y=13387x2+1421x +38.803和y=10.451e76.029x。随机选取25个各色素含量样本对其采用表4的回归方程进行检验，得出各色素含量，将估测值与真实值进行差异显著性检验，结果如表5所示。表明估测值和实测值之间的差距较小，说明各色素含量可以用高光谱参数SDy为自变量，建立回归方程进行预测。

表4　色素含量与高光谱参数的最优模型

表5　色素含量的回归方程检验

3　结论与讨论

3.1结论

烤烟K326色素含量随生育期的变化有较大幅度波动，均在生育阶段前中期，一致保持上升趋势，增加明显。在烟株下部叶成熟期前，烟叶叶绿素含量达到最大值，其后烟叶由绿转黄，色素含量急剧下降。色素含量大小依次是下部叶成熟期＞打顶期＞旺长期＞中部叶成熟期＞团棵期。

烤烟K326具有和其它绿色植物类似的光谱反射曲线，在波段350～1 350 nm内，具有多个吸收峰和吸收谷。在可见光范围内光谱反射率具有较大的差异，这种差异在绿光波段内（510～560 nm）表现的尤为明显，为团棵期＞中部叶成熟期＞旺长期＞打顶期＞下部叶成熟期。

原始光谱反射率与叶片色素含量具有显著的相关性关系。在全波段范围内，与叶绿素a、叶绿素b、叶绿素a+b、类胡萝卜素含量相关性达到显著水平的分别有769、797、782和818个，其中呈显著负相关关系的波段占到90%以上。相关性最密切的波段分别为1 846、1 846、1 846、1 833 nm。其中在350～1 300 nm波段范围内，连续的波段区间与色素含量表现出极显著的负相关关系，在1 300～2 500 nm波段范围内，有多个明显的峰值，跳跃性的呈现负相关关系和正相关关系。

各色素含量均与SDy的相关性最高，构建的函数模型分别为:y=10373x2+1096.2x+29.803、y= -0.0023x3-0.0256x2+0.0559x-0.0665、y= 13387x2+1421x+38.803和y=10.451e76.029x。通过SPSS分析，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。

3.2讨论

烤烟K326叶片不同色素的代谢规律趋于一致即下部叶成熟期＞打顶期＞旺长期＞中部叶成熟期＞团棵期，这主要是由于烟叶在生育前期是色素合成大于分解，因此色素含量增加，到下部叶成熟期达到最大，然后随着烟叶的成熟，叶片变黄，色素逐渐降解，因此色素含量降低。这与前人的研究结果一致［13，14］。

在可见光范围内，不同生育期的光谱反射率具有较大的差异，这种差异在绿光波段内（510～560 nm）表现的尤为明显。在此波段内，烟草光谱反射率表现出相对一致的差异，为团棵期＞中部叶成熟期＞旺长期＞打顶期＞下部叶成熟期。这是由于烟叶在这一波段内的光谱反射率与烟叶叶绿素含量息息相关。烟叶随着生育进程的推移，叶片的叶绿素含量呈先增加后降低的趋势，而烟叶叶绿素含量越高，对绿光的吸收越多，因此在绿光波段内的反射率降低，即叶绿素含量的高低与绿光波段内的光谱反射率呈反比。在近红外波段内，烟草的冠层反射率变化规律不明显，这是因为烟草植株结构存在差异、烟草叶片内部的海绵组织以及栅栏组织可能发生变化，以及观测时会受到外界环境影响造成的，但影响因素比较多，所以在冠层光谱反射率上表现的不明显。

相关性分析表明，各色素含量均与SDy相关性最高，这与前人的研究结果存在一定的差异。李向阳等［14］筛选出与叶绿素关系最密切的光谱特征变量是SDr／SDb，刘大双等［8］则认为SDb和Rg与新鲜烟草叶片的叶绿素含量的相关性最好。这种差异可能是由于烟草品种、生态条件、施肥模式、栽培密度等造成的。因此，在本研究的基础上，还应该综合考虑生态条件、栽培密度、肥料梯度、播期等因素，对烤烟K326色素含量与高光谱关系进行系统的研究，为烟田的科学管理及决策提供技术支持。

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Study on Estimation of Pigment Contents in Flue-cured Tobacco Variety K326 by Hyperspectral Parameters

HUANG Zhi1，CHANG Hong-tao2，CHEN Jian-guo2，ZHU Lie-shu2*
（1 College of Bio-science＆Technology，Hunan Agricultural University，Changsha，Hunan 410128，China；2 College of Agronomy，Hunan Agricultural University，Changsha，Hunan 410128，China）

A field experimentwas conducted to study the relationship between pigment content and canopy height spectrum in the flue-cured tobacco variety K326，and diagnosismodels of pigment content in flue-cured tobacco leaveswere constructed with hyperspectral characteristic parameters as the independent variable.The results showed that:the original spectral reflectance was related with pigment content of leaves significantly.In the whole wavelength range，there were 769，797，782 and 818 wave bands significantly related with that chlorophyll a，chlorophyll b，chlorophylla+b and carotenoid content respectively，andmore than 90%ofwhich showed significantnegatively relationship，and the highest correlation bands were 1 846 nm、1 846 nm、1 846 nm and 1 843 nm respectively.Each pigment content showed highest correlation with SDy，and the functionmodels were y=10373x2+1096.2x+29.803，y=-0.0023x3-0.0256x2+0.0559x-0.0665，y=13387x2+1421x+38.803 and y=10.451e76.029xrespectively.By SPSSanalysis，the difference between estimate values of pigment content and their true values were not different.Therefore，monitoring leaf pigment content in flue -cured tobacco by hyperspectral technologywas feasible，which could provide technicalsupport for tobacco scientificmanagement and decision-making.

flue-cured tobacco；pigment；canopy reflectance spectra；hyperspectral parameters；diagnosticmodel

S572.01

A

1001-5280（2015）05-0516-06

10.3969／j.issn.1001-5280.2015.05.14

2015-04-11

黄 智（1988-），男，湖南常德人，硕士研究生，Email:huang19881119＠126.com。*通信作者。

湖南省烟草公司科技项目（13-17DAa01）。