高光譜成像技術(shù)在煙草行業(yè)的應(yīng)用

高光譜成像技術(shù)在煙草行業(yè)的應(yīng)用

0. 引言

高光譜遙感是指在紫外、可見光、近紅外等電磁波譜范圍內(nèi)，從探測(cè)目標(biāo)上獲取若干非常窄且光譜連續(xù)數(shù)據(jù)的技術(shù)。所獲得的光譜數(shù)據(jù)其中包含了大量的光譜反射率原始數(shù)據(jù)信息，如果加上原始光譜反射率的導(dǎo)數(shù)（一階導(dǎo)數(shù) 、二階導(dǎo)數(shù)）、對(duì)數(shù)變換、高光譜特征參數(shù)等，信息量就可以增加更多，因此，高光譜技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用和快速的發(fā)展。前人已經(jīng)對(duì)高光譜遙感技術(shù)在水稻、大豆、小麥等農(nóng)作物中的應(yīng)用有了較為深入的研究。近幾年來(lái)，越來(lái)越多的煙草研究者們將目光轉(zhuǎn)向了高光譜技術(shù)，他們利用高光譜技術(shù)得出了不同因素影響煙草光譜特征的變化規(guī)律，同時(shí)篩選出一些監(jiān)測(cè)參數(shù)，并建立了相應(yīng)的估算模型。煙草生化參數(shù)主要包括有：水分、色素、糖、N、P、K、煙堿和微量元素。在農(nóng)業(yè)遙感信息模型研究、作物冠層光譜、葉片光譜、生物物理參數(shù)的提取與反演、作物長(zhǎng)勢(shì)監(jiān)測(cè)等方面 ，高光譜技術(shù)都得到了較快發(fā)展。近年來(lái) ，高光譜技術(shù)在煙草上的研究和應(yīng)用也進(jìn)入了快速發(fā)展的階段，并且得到了較多的應(yīng)用，其中也包括了在生化參數(shù)方面的研究。Tomas等的研究發(fā)現(xiàn)煙草在缺氮時(shí)可見光波段的反射率會(huì)增加，同時(shí)光譜反射率會(huì)隨著葉綠素和類胡蘿卜素含量的增加而降低。建立了色素含量估測(cè)模型。劉大雙等對(duì)感染不同程度花葉病的烤煙光譜進(jìn)行線性和非線性擬合估測(cè)烤煙葉綠素含量。蘇永士等分析了不同施氮水平下煙草冠層光譜特征。并探究了光譜與葉面積指數(shù)、葉綠素含量間的相關(guān)性。研究表明，利用所建立的估測(cè)模型快速監(jiān)測(cè)煙草的生長(zhǎng)狀況 ，及時(shí)指導(dǎo)煙草田間管理是可行的。王建偉等將煙草葉片的高光譜反射率、冠層光譜反射率、烘烤后葉片的光譜反射率與化學(xué)指標(biāo)以及香氣指標(biāo)進(jìn)行了相關(guān)分析，建立了相應(yīng)的光譜估測(cè)模型。筆者著重討論近年來(lái)利用高光譜遙感技術(shù)手段監(jiān)測(cè)煙草生化參數(shù)的成果與方法的研究進(jìn)展，同時(shí)展望未來(lái)高光譜遙感在煙草方面的發(fā)展趨勢(shì)。

1.　煙草的光譜特征以及不同因素對(duì)其的影響

煙草具有綠色植被的典型光譜特征，這是由其細(xì)胞結(jié)構(gòu)、化學(xué)成分和形態(tài)學(xué)特征決定的。煙草的光譜特征受光照、水分、肥料、品種類型、生育時(shí)期、煙葉部位、病蟲害等因素的影響。

1.1 光照對(duì)煙草光譜特征的影響

光照是植物生長(zhǎng)發(fā)育的必需條件之一，為植物進(jìn)行光合作用提供能量。光照強(qiáng)度和光質(zhì)條件都會(huì)對(duì)煙草的光譜特征產(chǎn)生明顯影響。賈方方以云煙87為實(shí)驗(yàn)材料進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)：在不同遮陰條件下，葉片的光譜反射率隨著遮陰程度增加而逐漸降低，在可見光（350-700nm）和近紅外光（750-1000nm）范圍表現(xiàn)更為明顯。趙文在對(duì)中部葉的研究中也得出了類似結(jié)論。邢雪霞研究發(fā)現(xiàn)不同光質(zhì)條件對(duì)烤煙光譜曲線的影響不大，但顯著影響了烤煙的光譜反射率，葉片光譜與冠層光譜的反射率均以白膜表現(xiàn)最優(yōu)。

1.2　水分對(duì)煙草光譜特征的影響

水分對(duì)烤煙的生長(zhǎng)發(fā)育及品質(zhì)都有重要的影響，水分因素對(duì)烤煙內(nèi)外部理化性狀產(chǎn)生直接影響，這間接影響了烤煙的光譜特征。煙草葉片的紅邊特征受水分影響明顯，在整個(gè)生育期內(nèi)，隨著土壤水分減少，烤煙葉片紅邊位 置 向 長(zhǎng)波方向移動(dòng)，紅移現(xiàn)象顯著；在伸根期和旺長(zhǎng)期，葉片紅邊幅值和紅邊面積隨土壤水分增加發(fā)生紅移現(xiàn)象，成熟期則隨土壤水分增加發(fā)生藍(lán)移現(xiàn)象。研究表明，不同水分條件下的烤煙葉片和冠層光譜反射率間存在顯著差異，隨著土壤含水量的增加冠層紅邊一階微分光譜的“雙峰”現(xiàn)象愈加顯著。

1.3　肥料對(duì)煙草光譜特征的影響

氮磷鉀被稱為煙草生長(zhǎng)發(fā)育的3要素，它們是煙草中眾多化合物的組成成分，與煙草體內(nèi)的多種生理生化過(guò)程密切相關(guān)，直接影響煙草葉片內(nèi)外部的理化性狀。研究發(fā)現(xiàn)，在可見光范圍內(nèi)，烤煙葉片和冠層的光譜反射隨施氮量的增加而降低，這是由于隨著施氮量的增加葉片色素含量增加，導(dǎo)致葉片對(duì)光的吸收增強(qiáng)；在近紅外光范圍內(nèi)，烤煙葉片和冠層的光譜反射隨施氮量的增加而增加，這是由于隨著施氮量增加葉片細(xì)胞變大，細(xì)胞間隙變大，細(xì)胞壁水化度 增高，導(dǎo)致光在葉片組織細(xì)胞內(nèi)進(jìn)行了多次反射。施氮量同時(shí)會(huì)對(duì)烤煙葉片的紅邊位置產(chǎn)生影響。隨著施氮量的增加，同一生育時(shí)期內(nèi)各部位葉片的紅邊位置均發(fā)生“紅移”現(xiàn)象。呂小娜研究認(rèn)為，隨著施氮量的增加，烤煙冠層一階導(dǎo)數(shù)光譜呈現(xiàn)向長(zhǎng)波方向移動(dòng)的趨勢(shì)，“雙峰”現(xiàn)象愈加顯著，烤煙冠層紅邊位置變化不明顯，但紅邊面積與紅邊幅值呈增加趨勢(shì)。李向陽(yáng)等研究表明，隨著 供鉀水平的增加，烤煙葉片光譜反射率呈降低趨勢(shì)，在綠光波段尤其明顯。國(guó)內(nèi)關(guān)于磷素對(duì)煙草光譜特征影響的研究較少，李向陽(yáng)以NC89為研究材料發(fā)現(xiàn) 在可見光范圍內(nèi)冠層反射率隨施磷量的增加而降低。在其他作物如冬小麥、春玉米中磷對(duì)光譜特征的影響已經(jīng)得一定的研究成果，我們可以借鑒這些研究成 果，彌補(bǔ)煙草這一方面研究的欠缺。

1.4　不同類型和品種煙草光譜特征的差異 

不同類型和品種的煙草具有不同的遺傳特征，這決定了生長(zhǎng)過(guò)程中煙草葉片的生理生化特征和化學(xué)物質(zhì)含量等方面會(huì)有所差異，導(dǎo)致煙草的光譜特征不同。劉國(guó)順等通過(guò)研究白肋煙、烤煙、香料煙3種煙草的冠層光譜特征發(fā)現(xiàn)，在綠光波段和近紅外范圍內(nèi)，白肋煙的冠層反射率最大，烤煙次之，香料煙最小。李向陽(yáng)通過(guò)研究對(duì)此進(jìn)行了解釋，在綠光范圍內(nèi)反射率主要受葉綠素含量的影響，白肋煙葉片呈淺綠色，葉脈發(fā)白，葉綠素含量低，因此反射率最大；烤煙和香料煙葉片均呈綠色，但由于香料植株矮小、種植密度大造成儀器視場(chǎng)范圍內(nèi)葉綠素含量高，故而烤煙反射率大于香料煙。李佛琳研究這3種煙草的葉片反射率發(fā)現(xiàn)，在可見光波段和近紅外波段，白肋煙葉反射率均大于另外兩種類型的煙草；在可見光波段內(nèi)，香料煙葉片反射率大于烤煙，而在近紅外波段內(nèi)則是烤煙大于香料煙。不同品種煙草的光譜特征也存在差異，前人主要研究了不同品種烤煙的光譜特征差異。殷全玉等研究報(bào)道，在可見光范圍內(nèi)，中煙101葉片的光譜反射率大于云煙87，而在近紅外范圍內(nèi)則反之。李向陽(yáng)對(duì)NC89、K326、云煙85、慶勝2號(hào)4個(gè)烤煙品種進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，在可見光范圍內(nèi)，４個(gè)品種的冠層光譜反射率間差異不大；在近紅外范圍內(nèi)，NC89>K326>云煙85>慶勝2號(hào)。

1.5　不同生育時(shí)期煙草光譜特征的差異

隨著煙草生育期的推移，煙草冠層和葉片的反射率存在顯著差異。隨著生育期的推移，在可見光波段葉片光譜反射率增加，主要是由葉片葉綠素含量以及水分含量減少引起的。移栽后，煙株根系迅速生長(zhǎng)、葉片伸展，葉片單位面 積內(nèi)葉綠素含量減少；進(jìn)入旺長(zhǎng)期，葉片內(nèi)葉綠素含量進(jìn)一步降低，水分含量 減少；進(jìn)入成熟期，大量的葉綠素在此時(shí)被分解破壞；這一系列的變化導(dǎo)致葉片在可見光波段紅區(qū)和藍(lán)區(qū)的吸收不斷減少，最終造成反射率增加。而在近紅外光波段葉片光譜反射率的增加則主要是由葉片細(xì)胞結(jié)構(gòu)的變化引起的，隨著生育時(shí)期的推移，煙葉生長(zhǎng)葉片組織細(xì)胞結(jié)構(gòu)逐漸充實(shí)，葉肉細(xì)胞之間的間隙擴(kuò)大，折射率的急劇變化導(dǎo)致反射面數(shù)目增加，最終導(dǎo)致近紅外波段反射率增加。

1.6　煙草葉位的光譜特征差異

同一植株煙草不同部位葉片的光譜反射率存在較大的差異。在可見光內(nèi)，煙葉的光譜反射率為下部葉>中部葉>上部葉，在近紅外光波段內(nèi)則相反。這是由于在可見光波段內(nèi)處于植株上部的煙葉積累的葉綠素較少的緣故，而近紅外波段內(nèi)的差異主要是由于不同部位煙葉的細(xì)胞結(jié)構(gòu)不同造成的，越上部的煙葉細(xì)胞結(jié)構(gòu)組織越致密，而細(xì)胞排列越緊密則光譜反射率越高。另外，同一葉片的不同部位的光譜反射率也存在差異。李佛琳研究表明，在綠光波段內(nèi)，葉片的光譜反射率從葉基到葉尖、從中心到邊緣逐漸增加。

1.7　病蟲害對(duì)煙草光譜特征的影響

病蟲害對(duì)煙草的危害主要有兩種形式：外部形態(tài)上的變化和內(nèi)部生理效應(yīng) 的改變。這些變化都勢(shì)必會(huì)引起煙草光譜特征的變化，在紅區(qū)和近紅外區(qū)表現(xiàn)尤為明顯。王梅研究發(fā)病煙草的高光譜特征時(shí)發(fā)現(xiàn)，感染病害煙草的病葉和冠層光譜反射率均明顯低于健康煙草，隨著病害程度的增加，在整個(gè)生育期內(nèi)煙草病葉光譜的紅邊位置發(fā)生了“藍(lán)移”現(xiàn)象，而煙草冠層的光譜位置則發(fā)生了“紅移”現(xiàn)象。劉大雙等報(bào)道稱NC89被煙草花葉病毒侵染后，烤煙受脅迫失綠，綠峰位置向紅光方向偏移而紅邊位置向藍(lán)光偏移，且接種TMV病毒后在 肉眼觀察不到病害葉片明顯癥狀時(shí)，葉片的光譜特征曲線已發(fā)生改變，可用高光譜進(jìn)行診斷。喬紅波等研究不同數(shù)量煙蚜對(duì)中煙101光譜特征的影響時(shí)發(fā)現(xiàn)，同健康葉片相比，輕度、中度和重度受害葉片的光譜反射率在綠光波段分別下降了12%、27%、52%，在近紅外波段分別下降了15%、20%、38%。

研究展望

    研究表明，光照、水肥因素、品種類型、生育時(shí)期等都對(duì)煙草光譜特征存在一定的影響，利用高光譜技術(shù)可以對(duì)煙草的長(zhǎng)勢(shì)、養(yǎng)分狀況、煙葉的產(chǎn)量和品質(zhì)進(jìn)行較為準(zhǔn)確的診斷和監(jiān)測(cè)，具有廣闊的應(yīng)用前景。目前，高光譜技術(shù)在煙草中開展了更加廣泛的研究，提出了一系列的監(jiān)測(cè)和估算模型，但是由于每種模型都有特定的研究方法和適用條件，很難找到通用的模型，因此還需要建立更加全面和更大規(guī)模的樣本參數(shù)進(jìn)行修正，以降低實(shí)際生產(chǎn)中的等級(jí)分類、品種類型、生態(tài)條件和栽培管理的差異。今后煙草高光譜技術(shù)的研究要著重完善和擴(kuò)充煙草光譜數(shù)據(jù)庫(kù)，加強(qiáng)高光譜相關(guān)數(shù)據(jù)的采集和挖掘，并加強(qiáng)與GIS、GPS技術(shù)的結(jié)合應(yīng)用，推動(dòng)高光譜技術(shù)在煙草中的應(yīng)用。