孫 紅 ，鄭 濤 ，劉 寧 ，程 萌 ，李民贊 ※，Zhang Qin

（1. 中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)“現(xiàn)代精細(xì)農(nóng)業(yè)系統(tǒng)集成研究”教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083；2. 美國(guó)華盛頓州立大學(xué)精細(xì)農(nóng)業(yè)及農(nóng)業(yè)自動(dòng)化研究中心，WA，99350.）

0 引 言

植物葉片中的葉綠素在光合作用過程中起著重要作用，葉綠素濃度與氮素含量緊密相關(guān)，是評(píng)價(jià)植物生長(zhǎng)狀況的一項(xiàng)重要指標(biāo)[1-3]?；谌~綠素對(duì)特定波長(zhǎng)光譜的吸收和反射等特性[4-5]，國(guó)內(nèi)外已經(jīng)開展了葉綠素和氮素的光譜學(xué)診斷和相應(yīng)的傳感器開發(fā)研究[6-8]。

對(duì)水稻、玉米等禾本科作物，在敏感參數(shù)篩選、不同葉位光譜差異、生長(zhǎng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)、診斷建模方法等方面進(jìn)行了深入研究[9-10]，證明了由于葉綠素的轉(zhuǎn)移性導(dǎo)致植物不同葉齡葉位間存在垂直分布差異的特點(diǎn)，形成植物葉片光譜對(duì)葉綠素診斷的空間差異性[11-12]。Yuan等[13]使用彩色掃描儀繪制成熟稻葉中葉綠素的動(dòng)態(tài)分布，以方差分析結(jié)果作為判定依據(jù)，表明第四片完全展開葉上2/3位置點(diǎn)位上的SPAD（soil plant analysis development）值能最好的預(yù)測(cè)成熟水稻植株的氮素含量，相關(guān)系數(shù)最高為 0.96。楊紹源等[14]選用不同觀測(cè)角度組合的光譜植被指數(shù)，建立不同高度層的冬小麥葉片氮含量診斷模型，結(jié)果表明改進(jìn)后的綠光歸一化指數(shù)反演上中下三層氮密度決定系數(shù)分別達(dá)到 0.722，0.7124，0.6884。王磊等[15]對(duì)單因素氮處理下春玉米不同層位葉片光譜反射率與氮含量作了相關(guān)分析，結(jié)果表明第 6片完全展開葉葉片光譜反射率與氮含量在可見光波段存在較高的負(fù)相關(guān)關(guān)系，最高可達(dá)0.97，并選取550和720 nm兩波段組合的光譜參量 ( LgR（ 55 0 ） + L gR（ 72 0）和 L g( R( 5 50) +R(7 20)))建立了線性診斷模型。

馬鈴薯是中國(guó)第四大主糧，屬茄科作物，與小麥、水稻等禾本科大田作物相比，在營(yíng)養(yǎng)吸收、分配和轉(zhuǎn)移等方面，不是自下向上式由根部供給上部葉片和籽粒，而是受塊莖生長(zhǎng)影響，在生長(zhǎng)前期地下養(yǎng)分向上供應(yīng)促進(jìn)莖葉生長(zhǎng)為馬鈴薯塊莖形成做準(zhǔn)備，而中后期（開花期后）主要轉(zhuǎn)入供給地下莖促進(jìn)果實(shí)膨大。因而，現(xiàn)有小麥、水稻等作物葉綠素光譜學(xué)診斷的成果無法在馬鈴薯作物中進(jìn)行簡(jiǎn)單套用。

針對(duì)馬鈴薯作物現(xiàn)有研究主要集中于馬鈴薯不同生長(zhǎng)期冠層光譜動(dòng)態(tài)分析。國(guó)外，Jongschaap等[16]分別對(duì)馬鈴薯葉片、植株和冠層3個(gè)尺度光譜數(shù)據(jù)研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，葉片尺度 SPAD值與氮素含量呈指數(shù)相關(guān)（R=0.91），葉片 SPAD 值可代表約 0.44 m2面積上冠層光譜診斷的結(jié)果，反映了葉片光譜與氮素分布之間的尺度關(guān)系。Maji等[17]通過對(duì)比不同施氮水平，發(fā)現(xiàn)生長(zhǎng)早期隨施氮量的增加，馬鈴薯葉片光譜反射率呈下降趨勢(shì)，生長(zhǎng)到 60 d后，無論施氮量如何變化，反射率始終恒定在0.05～0.06之間，認(rèn)為光譜學(xué)適用于馬鈴薯植株生長(zhǎng)前期診斷。

國(guó)內(nèi)于靜等[18]采用基于656和774 nm波長(zhǎng)的主動(dòng)作物冠層傳感器GreenSeeker對(duì)馬鈴薯各生育時(shí)期進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，表明苗期至封壟前歸一化植被指數(shù)（normalized difference vegetation index，NDVI）值與植株吸氮量呈顯著的指數(shù)關(guān)系（R2=0.665），封壟后NDVI值與地上部植株氮濃度呈顯著的線性關(guān)系（R2=0.699）。Sun等[19]利用綠、紅和近紅外波段的冠層圖像反射特征，構(gòu)建了比值植被指數(shù)（ratio vegetation index，RVI）、歸一化植被指數(shù)（NDVI）、土壤調(diào)整型植被指數(shù)(soil adjusted vegetation index，SAVI)等6個(gè)植被指數(shù)，分析建立了塊莖形成期冠層氮素含量診斷模型。

目前，針對(duì)馬鈴薯植株體葉片葉綠素垂直分布差異與生長(zhǎng)期動(dòng)態(tài)特性，未見報(bào)道。因此，為了探明馬鈴薯植株在生長(zhǎng)過程中葉綠素垂直動(dòng)態(tài)響應(yīng)，本研究采用高光譜成像技術(shù)，首先針對(duì)植株體垂直分布的不同葉位葉綠素含量診斷和空間分布繪制展開方法研究。討論篩選了馬鈴薯葉片葉綠素診斷敏感波長(zhǎng)，建立了葉綠素含量診斷模型，基于馬鈴薯葉片葉綠素分布可視化分析，形成了馬鈴薯植株不同葉位的葉片葉綠素含量空間分布圖，為探明馬鈴薯植株生長(zhǎng)期葉綠素動(dòng)態(tài)響應(yīng)奠定基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 樣本處理

試驗(yàn)對(duì)象為大西洋品種馬鈴薯，地點(diǎn)位于中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與工程學(xué)院溫室。馬鈴薯于2017年4月份種植，生長(zhǎng)過程中不作任何特殊處理，保證每顆植株生長(zhǎng)條件基本一致。對(duì)象生長(zhǎng)期為開花期，依據(jù)葉片生長(zhǎng)序列將馬鈴薯葉片進(jìn)行降序排列，如圖1所示，其中12～9片為上葉，8～5片為中葉，4～1片為下葉。人為對(duì)馬鈴薯植株葉片進(jìn)行拔除處理，在不同馬鈴薯植株的 3個(gè)葉位上隨機(jī)各采集22個(gè)葉片，總計(jì)66個(gè)葉片樣本，裝入密封袋，以保持葉片新鮮，帶回實(shí)驗(yàn)室馬上對(duì)馬鈴薯葉片進(jìn)行高光譜圖像信息采集。

圖1 馬鈴薯植株3個(gè)葉位Fig.1 Three leaf positions of potato plants

為分析葉片上葉綠素分布情況，對(duì)葉片進(jìn)行采集區(qū)域劃分，并利用手持式SPAD-502葉綠素儀進(jìn)行葉綠素含量指標(biāo)無損檢測(cè)[20-22]。其中，SPAD葉綠素計(jì)通過650和940 nm處的透射光譜相對(duì)比值來計(jì)算葉綠素含量參數(shù)，是常用的葉綠素含量參考指標(biāo)[23-24]。

依據(jù) SPAD探頭傳感器覆蓋面完整且盡可能等距間隔為原則，對(duì)樣本葉片劃分4～8個(gè)區(qū)為光譜采集區(qū)域。為了減少實(shí)驗(yàn)誤差，在同一區(qū)域上測(cè)量3次SPAD值，取其平均值作為該區(qū)域的葉綠素指標(biāo)值，最終通過對(duì) 66個(gè)馬鈴薯葉片樣本的測(cè)量，獲得了 400個(gè)區(qū)域的 SPAD值，其中上葉部分取 140個(gè)，中葉和下葉部分各取 130個(gè)。測(cè)得SPAD值的區(qū)域編號(hào)標(biāo)記，以便提取相應(yīng)的光譜。

1.2 馬鈴薯葉片高光譜圖像信息獲取

本文所采用高光譜成像系統(tǒng)是 Gaia高光譜成像系統(tǒng)，其原理圖如圖2所示，主要由鏡頭（OL23）、面陣CCD偵測(cè)器（LT365）、光譜儀（V10E）、均勻光源（2套溴鎢燈）、電控移動(dòng)平臺(tái)、計(jì)算機(jī)及控制軟件等部件組成。

在試驗(yàn)開始前，須先預(yù)熱系統(tǒng)以消除基線漂移的影響。然后對(duì)高光譜成像儀進(jìn)行調(diào)焦，設(shè)置系統(tǒng)曝光時(shí)間為15 ms，移動(dòng)平臺(tái)移動(dòng)速度為2.8 mm/s。采集時(shí)將馬鈴薯葉片平放在移動(dòng)平臺(tái)上，開始使用 SpecVIEW 軟件采集高光譜圖像數(shù)據(jù)。攝像頭分辨率為1 394×1 024，光譜分辨率為2.8 nm，采樣間隔為0.65 nm，光譜范圍為382～1 019 nm，則采樣光譜波長(zhǎng)范圍內(nèi)包含1 440個(gè)波長(zhǎng)變量，最終得到一個(gè)包含了影像和光譜信息的三維數(shù)據(jù)立方體。

圖2 高光譜成像系統(tǒng)原理圖Fig.2 Schematic diagram of hyperspectral imaging system

1.3 高光譜圖像黑白校正

為消除光照不均勻和外界環(huán)境因素的影響，在數(shù)據(jù)處理前對(duì)高光譜圖像進(jìn)行黑白校正[25-26]。在和采集時(shí)相同條件下，蓋上鏡頭蓋且關(guān)閉光源進(jìn)行全黑校正，取下鏡頭蓋打開光源進(jìn)行白板校正，然后對(duì)原始圖像按照式（1）進(jìn)行校正。

式中 I為黑白校正后圖像數(shù)據(jù)，W為全白標(biāo)定圖像數(shù)據(jù)（反射率接近99%），B為全黑標(biāo)定圖像數(shù)據(jù)（反射率接近0），I0為原始圖像數(shù)據(jù)。

1.4 數(shù)據(jù)處理

對(duì)馬鈴薯葉片高光譜圖像進(jìn)行處理主要包括光譜數(shù)據(jù)分析和圖像數(shù)據(jù)處理 2部分。其中，光譜數(shù)據(jù)預(yù)處理采用標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)變量校正方法，光譜數(shù)據(jù)處理主要包括馬鈴薯葉片葉綠素含量敏感波長(zhǎng)的篩選與葉綠素含量診斷檢測(cè)，研究分別采用了相關(guān)系數(shù)（correlation coefficient，CC）分析法和隨機(jī)蛙跳（random frog，RF）算法進(jìn)行波長(zhǎng)篩選。對(duì)葉片對(duì)象各像素點(diǎn)的葉綠素含量分布圖利用偽彩色處理實(shí)現(xiàn)。

1.4.1 標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)變量校正方法

標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)變量（standard normal variate，SNV）校正方法是假設(shè)每個(gè)波段的光譜值滿足某種標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)分布，如正態(tài)分布等，然后假設(shè)的數(shù)據(jù)分布信息對(duì)已知的光譜進(jìn)行修正補(bǔ)償[27-28]。SNV方法常用于消除粒子散射對(duì)光譜數(shù)據(jù)產(chǎn)生的影響。SNV變換公式為

式中x為預(yù)處理后光譜數(shù)據(jù)， xi為原始光譜數(shù)據(jù)，為光譜數(shù)據(jù)平均值，δ為光譜數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)差。

1.4.2 隨機(jī)蛙跳算法

隨機(jī)蛙跳（RF）算法是一種變量選擇方法，該方法是一種類似于可逆跳轉(zhuǎn)馬爾科夫鏈蒙特卡洛（reversible jump Markov chain Monte Carlo，RJMCMC）算法，通過在模型空間中模擬一條服從穩(wěn)態(tài)分布的馬爾科夫鏈，來計(jì)算每個(gè)變量的被選概率，從而用于評(píng)價(jià)變量的重要性[29-30]。

隨機(jī)蛙跳算法主要的運(yùn)算步驟包括以下3步：1）初始化時(shí)，一個(gè)變量子集V0包含Q個(gè)變量；2）基于原始變量子集，選出候選變量子集V*，包含Q*個(gè)變量；選擇V*作為V1來代替V0，直到N次迭代終止這一過程；3）計(jì)算每個(gè)變量的被選擇概率，以此作為選擇變量的標(biāo)準(zhǔn)，越高越好。

1.4.3 建模方法

偏最小二乘回歸（partial least squares regression，PLSR）是基于成分提取思想，可解決變量之間多重相關(guān)性的問題。PLSR對(duì)光譜反射值矩陣和葉綠素含量矩陣同時(shí)進(jìn)行分解，并在分解時(shí)考慮兩者之間相互關(guān)系，加強(qiáng)對(duì)應(yīng)計(jì)算關(guān)系，從而保證獲得最佳的校正模型。建立了定量分析模型后，采用預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值的決定系數(shù)R2進(jìn)行模型的評(píng)估。決定系數(shù)越接近1，則模型預(yù)測(cè)精度越高。

數(shù)據(jù)分析處理工作利用ENVI 5.1軟件進(jìn)行光譜數(shù)據(jù)讀取，后續(xù)處理采用EXCEL2016和Matlab R2014a軟件完成。

2 結(jié)果與分析

2.1 馬鈴薯葉片光譜曲線分析

用ENVI 5.1選取SPAD值測(cè)量位置的10×10矩形區(qū)域?yàn)楦信d趣區(qū)域（region of interesting，ROI），然后分別提取每個(gè)樣本ROI的平均光譜，1片馬鈴薯葉片樣本的6個(gè)感興趣區(qū)域分布如圖3所示，其中L1、L2、L3分別代表葉脈左側(cè)底部、中部、頂部 3個(gè)位置的感興趣區(qū)域，R1、R2、R3分別代表葉脈右側(cè)底部、中部、頂部3個(gè)位置的感興趣區(qū)域。每個(gè)區(qū)域的原始平均光譜曲線及其在波段在500～600 nm處的放大圖分別如圖4a和圖4b所示。

由于在封閉燈箱中采集馬鈴薯葉片高光譜圖像，避免了外界光照環(huán)境因素的影響，總體而言，如圖4a中6個(gè)感興趣區(qū)域的平均光譜曲線波形較為接近。由于葉綠素的強(qiáng)反射作用，光譜曲線550 nm附近出現(xiàn)了波峰；由于葉綠素的強(qiáng)吸收作用，光譜曲線650～700 nm波段附近出現(xiàn)了波谷；在700～750 nm波段處光譜反射率急劇上升，750～1 019 nm馬鈴薯葉片光譜呈波狀起伏的高反射率特性。同一葉片上不同位點(diǎn)的光譜曲線在 500～600 nm波段上存在差異，如圖4b所示，總體趨勢(shì)為葉脈左側(cè)光譜反射率高于右側(cè)，同一側(cè)葉片不同位點(diǎn)光譜反射率從底端向頂端呈升高趨勢(shì)，即L1＜L2＜L3，R1＜R2＜R3，這與葉片養(yǎng)分由底部葉柄向葉邊緣輸送導(dǎo)致的色素體吸收關(guān)系一致。

圖3 馬鈴薯葉片感興趣區(qū)域Fig.3 Regions of interesting in potato leaves

圖4 原始平均光譜曲線及其放大圖Fig.4 Original average spectral curves and its enlarged view

分析上、中、下 3個(gè)葉位葉片的高光譜圖像數(shù)據(jù)形成的三維數(shù)據(jù)立方體如圖5a所示，立方體x-y-z坐標(biāo)系中，z軸表示對(duì)應(yīng)光譜波長(zhǎng)其范圍為382～1 019 nm，在每個(gè)波長(zhǎng)下x-y軸平面形成一幅二維圖像，從而構(gòu)成高光譜立方體數(shù)據(jù)。上、中、下 3個(gè)葉位葉片的平均光譜曲線如圖5b所示，總體上部和中部葉片反射率曲線較為接近，而下部葉片反射率曲線與它們的差異較大，是由于馬鈴薯作物莖葉自下而上生長(zhǎng)所致，下部葉片先長(zhǎng)葉齡較老，而上部和中部后長(zhǎng)葉齡較為接近。其中，光譜反射率在382～700 nm區(qū)間隨葉位的升高反射率增加（上＞中＞下），在700～1 019 nm范圍，下葉位反射率高于上部和中部葉位（下＞上＞中）。

分析其原因，382～700 nm范圍內(nèi)由于在382～490和600～700 nm范圍葉綠素和類胡蘿卜素等色素體呈強(qiáng)吸收作用，490～600nm為葉綠素強(qiáng)反射作用區(qū)，因此下部老葉葉綠素等色素體作用大于頂部新葉，從而反射率呈自下而上分布狀態(tài)。在700～1 019 nm范圍主要反映植物活力和預(yù)防過度增熱的適應(yīng)性，由于馬鈴薯開花期是葉片生長(zhǎng)的轉(zhuǎn)折期，此后底部老葉會(huì)逐步轉(zhuǎn)黃和枯落，因此其吸收低于頂部新葉，呈現(xiàn)出反射率高于上部葉片。同時(shí)也可以發(fā)現(xiàn)馬鈴薯葉片各葉位葉片在840、895和955 nm附近有微弱水分吸收谷存在。綜上所述，馬鈴薯植株不同葉位的平均光譜曲線在382～700和700～1 019 nm內(nèi)分別呈垂直分布特性，開花期下部葉位生長(zhǎng)響應(yīng)變化最為明顯。

圖5 不同葉位葉片的三維數(shù)據(jù)立方體和平均光譜反射率Fig.5 Dimensional data cube and average spectral reflectance of different leaf positions

2.2 馬鈴薯葉片SPAD值統(tǒng)計(jì)

針對(duì)采集的400個(gè)樣本，SPAD值范圍為29.1～55.7，平均值為42.31，其中SPAD值主要集中在35.6～52.1區(qū)間，占總樣本數(shù)的78.25%。研究采用Kennard-Stone算法對(duì)樣本進(jìn)行篩選以劃分校正集和預(yù)測(cè)集，300個(gè)樣本為校正集，100個(gè)為預(yù)測(cè)集。不同葉位的樣本SPAD值分布如表1所示，自下而上不同葉位的SPAD均值依次為36.41、43.11、47.04。這與SPAD值的計(jì)算相關(guān)，SPAD值的計(jì)算公式如式（3）所示。

式中K為常數(shù)；IRt為接收到的經(jīng)過葉片的940 nm紅外光強(qiáng)度，IR0為發(fā)射的紅外光強(qiáng)度；Rt為接收到的經(jīng)過葉片的650 nm紅光強(qiáng)度，R0為發(fā)射的紅光強(qiáng)度。由于，光譜反射率在382～700 nm區(qū)間隨葉位的升高反射率增加,在700～1 019 nm范圍下葉位反射率高于上部和中部葉位，因而自下而上不同葉位的 SPAD最大值、最小值和均值均依次增大。

表1 樣本SPAD值基本統(tǒng)計(jì)Table 1 Basic statistics of SPAD of samples

經(jīng)過劃分?jǐn)?shù)據(jù)集的樣本SPAD值，校正集SPAD值范圍與樣本總體一致（29.1～55.7），驗(yàn)證集數(shù)據(jù)范圍包含于校正集中（30.2～54.4）。

2.3 特征波長(zhǎng)篩選

為減少葉片結(jié)構(gòu)背景噪聲、樣本表面紋理等因素的影響，在模型建立前對(duì)采集的馬鈴薯葉片高光譜圖像原始光譜采用標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)變量校正（SNV）進(jìn)行預(yù)處理。經(jīng)過SNV預(yù)處理后的所有原始平均光譜曲線如圖6所示。處理后，研究分別采用相關(guān)系數(shù)分析法和隨機(jī)蛙跳算法對(duì)馬鈴薯葉片葉綠素特征波長(zhǎng)進(jìn)行篩選。

圖6 SNV預(yù)處理后的所有平均光譜曲線Fig.6 All spectral curves of SNV pretreatment

2.3.1 相關(guān)系數(shù)分析法篩選

對(duì)馬鈴薯葉片 SPAD值與其對(duì)應(yīng)區(qū)域的平均光譜反射率進(jìn)行相關(guān)性分析，處理結(jié)果如圖 7所示。圖中顯示了不同波長(zhǎng)下的相關(guān)系數(shù)大小，以相關(guān)系數(shù)的絕對(duì)值大小降序排序，篩選出相關(guān)系數(shù)絕對(duì)值高于0.64的12個(gè)波長(zhǎng)變量作為特征波長(zhǎng)變量，分別為533.84、534.27、536.86、537.30、540.32、544.22、547.25、547.69、548.12、550.29、706.9、708.23 nm。

2.3.2 隨機(jī)蛙跳算法篩選

采用Matlab R2014a軟件分析，設(shè)置隨機(jī)蛙跳（RF）算法運(yùn)行次數(shù)N為10 000次，主成分個(gè)數(shù)A為10，蛙跳初始模型中的變量數(shù)Q為 2，運(yùn)行后以每個(gè)變量指數(shù)所對(duì)應(yīng)的選擇可能性為篩選依據(jù)，將選擇可能性大小按降序排列。采樣光譜波長(zhǎng)范圍內(nèi)包含1 440個(gè)波長(zhǎng)變量，每個(gè)波長(zhǎng)變量依次對(duì)應(yīng)一個(gè)變量地址，取選擇可能性大于0.46的變量地址對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)變量，將其作為特征波長(zhǎng)變量。最終通過RF算法篩選出特征波長(zhǎng)變量個(gè)數(shù)為11個(gè)，分別為554.62、560.26、575.04、576.35、595.09、604.7、649.44、731.8、752.78、786.38、789.97 nm。RF 算法運(yùn)行結(jié)果如圖8所示。

圖7 相關(guān)系數(shù)分析法結(jié)果Fig.7 Results of correlation coefficient analysis

圖8 隨機(jī)蛙跳算法運(yùn)行結(jié)果Fig.8 Results using Random Frog

2.4 PLSR回歸模型建立

分別采用相關(guān)系數(shù)分析法（CC）和隨機(jī)蛙跳算法（RF）篩選得出的特征波長(zhǎng)變量，建立馬鈴薯葉片葉綠素PLSR光譜診斷模型。

將特征波長(zhǎng)變量對(duì)應(yīng)的光譜數(shù)據(jù)分別作為X變量，將馬鈴薯葉片樣本SPAD值作為Y變量，建立 CC-PLS模型和RF-PLS定量分析模型。

為減小光譜冗余信息對(duì)于模型精度的影響，2種模型均采用 10倍交叉驗(yàn)證的算法，得到交叉驗(yàn)證均方差RMSECV隨主成分個(gè)數(shù)增加的變化趨勢(shì)，如圖9所示。

圖9 隨著主成分個(gè)數(shù)增加RMSECV變化趨勢(shì)Fig.9 Tendency of RMSECV with increasing of principal components

由圖 9可知，CC-PLS模型在主成分個(gè)數(shù)為 1時(shí)，RMSECV值最小，最小值為3.036 6，而RF-PLS模型在主成分個(gè)數(shù)為4時(shí)，RMSECV值最小，最小值為2.522 9，由此建立CC-PLS模型和RF-PLS模型。然后將驗(yàn)證集中的光譜數(shù)據(jù)作為X變量代入2種模型，分別得出馬鈴薯葉片葉綠素預(yù)測(cè)情況如圖10所示。CC-PLS模型的建模精度RC2為0.758 8，驗(yàn)證精度RV2為0.577 3，而RF-PLS模型的建模精度RC2為0.842 3，驗(yàn)證精度RV2為0.767 6。

比較CC-PLS和RF-PLS模型可知，基于相關(guān)系數(shù)法（CC）選取的馬鈴薯葉綠素指標(biāo)的 12個(gè)波長(zhǎng)主要位于530～550 nm（10個(gè)）和706～708 nm（2個(gè)），而RF法選取的11個(gè)波長(zhǎng)范圍主要位于550～650 nm（7個(gè)）和730～786 nm（4個(gè)）。相比之下，相關(guān)系數(shù)法選取的波長(zhǎng)范圍比較集中且相鄰間隔小，主要表征了綠色反射峰處的光譜特性，其波長(zhǎng)之間存在顯著線性相關(guān)，相關(guān)系數(shù)最高為0.9 944；而RF法選取波長(zhǎng)范圍較廣且波長(zhǎng)之間相距較遠(yuǎn)對(duì)整體馬鈴薯葉片光譜范圍代表性較高，即由于CC法選取波長(zhǎng)多重共線性導(dǎo)致模型精度低于RF選取的波長(zhǎng)所建立模型。

圖10 馬鈴薯葉片葉綠素預(yù)測(cè)Fig.10 Prediction of chlorophyll in potato leaves

綜上，擇優(yōu)選取RF-PLS模型用來繪制不同葉位馬鈴薯葉片葉綠素分布圖。RF-PLS模型為：

式中Y表示葉片SPAD值，X為特定波長(zhǎng)處經(jīng)過SNV預(yù)處理的光譜反射率。

2.5 馬鈴薯葉片葉綠素分布圖

利用 RF-PLS模型可以估算馬鈴薯葉片每個(gè)像素點(diǎn)的 SPAD值，然后結(jié)合偽彩色處理技術(shù)可以繪制馬鈴薯葉片葉綠素分布圖，圖中 SPAD值范圍為 0～60，每個(gè)SPAD值依次對(duì)應(yīng)一種顏色表中的顏色。具體步驟如下：

1）獲取馬鈴薯葉片高光譜圖像在RF算法篩選出的11個(gè)特征波長(zhǎng)下的圖像；

2）提取特征波長(zhǎng)圖像中各像素點(diǎn)的反射率值；

3）代入模型計(jì)算每個(gè)像素點(diǎn)的SPAD值，得到一幅灰度分布圖；

4）對(duì)灰度分布圖進(jìn)行偽彩色處理，繪制不同葉位馬鈴薯葉片葉綠素分布圖，結(jié)果如圖11所示。

圖11中，不同顏色（黃、綠、藍(lán)）和顏色深淺程度代表不同濃度馬鈴薯葉片葉綠素含量?？傮w葉片葉綠素含量由底部葉柄向頂部葉邊緣逐步降低，由中心葉脈向兩側(cè)葉邊緣降低；不同葉位間直觀看出葉綠素含量分布：上＞中＞下，這與馬鈴薯葉片SPAD值實(shí)際測(cè)量時(shí)的分布和變化趨勢(shì)一致。在上葉中，整體繪制顏色分布均勻且黃色和綠色較深，可能是由于上葉還在生長(zhǎng)旺盛期，所含葉肉較多，葉綠素表征的葉片功能生長(zhǎng)旺盛。相比之下，中葉和下葉葉綠素偽彩色普遍為綠色和藍(lán)色，且綠色部分主要集中在葉脈處，這是由于隨著下部葉片的逐漸老化，葉邊緣葉綠素含量減少隨后會(huì)呈現(xiàn)枯萎卷曲等生理變化，營(yíng)養(yǎng)主要表征在葉脈間傳輸。上述結(jié)果與栽培學(xué)家探明的馬鈴薯開花期后，轉(zhuǎn)入地下莖膨大生長(zhǎng)時(shí)，下部功能葉片逐漸枯黃脫落的現(xiàn)象闡述一致。在由此可知，基于高光譜成像技術(shù)的RF-PLS模型可用于馬鈴薯植株葉綠素垂直分布可視化，預(yù)測(cè)不同葉位馬鈴薯葉片葉綠素分布及其生長(zhǎng)響應(yīng)。

圖11 三個(gè)葉位馬鈴薯葉片葉綠素分布Fig.11 Chlorophyll distribution of potato leaves in three positions

3 結(jié) 論

為分析馬鈴薯植株體葉片葉綠素垂直分布差異與生長(zhǎng)期動(dòng)態(tài)特性，研究采集了不同葉位的馬鈴薯葉片高光譜數(shù)據(jù)，提取了馬鈴薯葉片 SPAD值測(cè)量位置的平均光譜，采用標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)變量校正（SNV）方法進(jìn)行光譜預(yù)處理，建立了基于特征波長(zhǎng)變量的馬鈴薯葉片葉綠素偏最小二乘（PLS）診斷模型，繪制了不同葉位馬鈴薯葉片葉綠素分布圖，主要研究結(jié)論如下：

1）分析了植株垂直葉位間光譜和葉綠素分布關(guān)系，結(jié)果表明馬鈴薯開花期莖葉自下而上，其光譜反射率在382～700 nm區(qū)間隨葉位的升高反射率增加（上＞中＞下），在700～1 019 nm范圍，下葉位反射率高于上部和中部葉位（下＞上＞中)，且自下而上不同葉位的SPAD均值依次為 36.41、43.11、47.04。

2）利用相關(guān)系數(shù)分析法和隨機(jī)蛙跳算法分別篩選了特征波長(zhǎng)，建立葉綠素診斷CC-PLS和RF-PLS模型，RC2分別為0.7 588和0.8 423，驗(yàn)證精度RV2分別為0.5 773和0.7 676。

3）選取利用RF-PLS模型計(jì)算馬鈴薯葉片每個(gè)像素點(diǎn)的葉綠素含量，進(jìn)而繪制不同葉位馬鈴薯葉片葉綠素分布圖，可反映馬鈴薯在開花期植株上葉片葉綠素動(dòng)態(tài)響應(yīng)關(guān)系，最終實(shí)現(xiàn)了不同葉位馬鈴薯葉片含量無損檢測(cè)以及葉綠素分布可視化表達(dá)。

本研究是對(duì)馬鈴薯植株垂直方向上不同葉位葉綠素含量診斷與分布可視化分析的初步方法研究，未來針對(duì)不同生長(zhǎng)期動(dòng)態(tài)還需要在大田進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，以期為開展馬鈴薯冠層整體動(dòng)態(tài)診斷奠定基礎(chǔ)。

[1] Dordas C. Nitrogen nutrition index and leaf chlorophyll concentration and its relationship with nitrogen use efficiency in Barley[J]. Journal of Plant Nutrition, 2017, 40(8): 1190－1203.

[2] Zhao B, Liu Z, Ata-Ul-Karim S T, et al. Rapid and nondestructive estimation of the nitrogen nutrition index in winter barley using chlorophyll measurements[J]. Field Crops Research, 2016, 185(3): 59－68.

[3] Meskinivishkaee F, Mohammadi M H, Neyshabouri M R, et al. Evaluation of canola chlorophyll index and leaf nitrogen under wide range of soil moisture[J]. International Agrophysics,2015, 29(1): 83－90.

[4] 姜海玲，張立福，楊杭，等. 植被葉片葉綠素含量反演的光譜尺度效應(yīng)研究[J]. 光譜學(xué)與光譜分析，2016，36(1)：169－176.Jiang Hailing, Zhang Lifu, Yang Hang, et al. Research on spectral scale effect in the estimation of vegetation leaf chlorophyll content[J]. Spectroscopy and Spectral Analysis,2016, 36(1): 169－176. (in Chinese with English abstract)

[5] 王曉喬. 油菜光譜的多重分形分析及葉綠素診斷建模[J].光譜學(xué)與光譜分析，2016，36(11)：3657－3663.Wang Xiaoqiao. Multifractal analysis of rapeseed spectrum for chlorophyll diagnosis modeling[J]. Spectroscopy and Spectral Analysis, 2016, 36(11): 3657－3663. (in Chinese with English abstract)

[6] 劉茂成，李志洪. 植物葉綠素光譜測(cè)定儀的原理與設(shè)計(jì)[J].中國(guó)農(nóng)機(jī)化學(xué)報(bào)，2017，38(1)：74－79.Liu Maocheng, Li Zhihong. Principle and design of chlorophyll spectrometry meter for plants[J]. Journal of Chinese Agricultural Mechanization, 2017, 38(1): 74－79.(in Chinese with English abstract)

[7] 丁永軍，張晶晶，孫紅，等. 玻璃溫室環(huán)境下番茄葉綠素含量敏感光譜波段提取及估測(cè)模型[J]. 光譜學(xué)與光譜分析，2017，37(1)：194－199.Ding Yongjun, Zhang Jingjing, Sun Hong, et al. Sensitive bands extraction and prediction model of tomato chlorophyll in glass greenhouse[J]. Spectroscopy and Spectral Analysis,2017, 37(1): 194－199. (in Chinese with English abstract)

[8] 程萌，陳香，毛博慧，等. 基于反射光譜探測(cè)與二維分析的玉米葉片葉綠素診斷[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2016，47(增刊1)：413－418.Cheng Meng, Chen Xiang, Mao Bohui, et al. Chlorophyll content diagnosis of corn leaves based on reflection spectrum detection and two-dimensional analysis[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2016, 47(s1):413－418. (in Chinese with English abstract)

[9] 吳建國(guó)，石春海. 近紅外光譜分析技術(shù)在禾谷類作物品質(zhì)分析中的應(yīng)用和展望[C]// 全國(guó)近紅外光譜學(xué)術(shù)會(huì)議.2006.

[10] 朱鐵軍，孟凡剛，施艷舞，等. 近紅外光譜技術(shù)在糧食檢測(cè)中的應(yīng)用進(jìn)展[J]. 糧食儲(chǔ)藏，2012，41(4)：46－50.Zhu Tiejun, Meng Fangang, Shi Yanwu, et al. Research progress of near infrared spectroscopy in grain analysis[J].Grain Storage, 2012, 41(4): 46－50. (in Chinese with English abstract)

[11] Dian Y, Le Y, Fang S, et al. Influence of spectral bandwidth and position on chlorophyll content retrieval at leaf and canopy levels[J]. Journal of the Indian Society of Remote Sensing, 2016, 44(4): 1－11.

[12] Gong H Y, Zhao M M, Fan J J, et al. Determination of pigment content in different cultivars of malus spp. leaves at different position[J]. Journal of Zhejiang Forestry Science &Technology, 2016, 36(2): 44－48.

[13] Yuan Z, Qiang C, Ke Z, et al. Optimal leaf positions for SPAD meter measurement in rice[J]. Frontiers in Plant Science, 2016, 7(139): 1－10.

[14] 楊紹源，黃文江，梁棟，等. 利用多角度光譜數(shù)據(jù)探測(cè)冬小麥氮素含量垂直分布方法研究[J]. 光譜學(xué)與光譜分析，2015，35(7)：1956－1960.Yang Shaoyuan, Huang Wenjiang, Liang Dong, et al.Estimating winter wheat nitrogen vertical distribution based on bidirectional canopy reflected spectrum[J]. Spectroscopy and Spectral Analysis, 2015, 35(7): 1956－1960. (in Chinese with English abstract)

[15] 王磊，白由路，盧艷麗，等. 不同形式的光譜參量對(duì)春玉米氮素營(yíng)養(yǎng)診斷的比較[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2010，26(2)：218－223.Wang Lei, Bai Youlu, Lu Yanli, et al. Nitrogen nutrition diagnosis for corn using different spectral parameters[J].Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering(Transactions of the CSAE), 2010, 26(2): 218－223. (in Chinese with English abstract)

[16] Jongschaap R E E, Booij R. Spectral measurements at different spatial scales in potato: Relating leaf, plant and canopy nitrogen status[J]. International Journal of Applied Earth Observation & Geoinformation, 2004, 5(3): 205－218.

[17] Maji S, Chakraborty P, Bhowmick M, et al. Diurnal variation in spectral properties of potato under different dates of planting and N-doses[J]. Environment & Ecology, 2015,33(1): 478－483.

[18] 于靜，李斐，秦永林，等. 應(yīng)用主動(dòng)作物冠層傳感器對(duì)馬鈴薯氮素營(yíng)養(yǎng)診斷[J]. 光譜學(xué)與光譜分析，2013，33(11)：3092－3097.Yu Jing, Li Fei, Qin Yonglin, et al. Active crop canopy sensor-based nitrogen diagnosis for potato[J]. Spectroscopy and Spectral Analysis, 2013, 33(11): 3092－3097. (in Chinese with English abstract)

[19] Sun Hong, Li Minzan, Zhang Qin, et al. Preliminary study on nitrogen monitoring of potato plants using multispectral image[C]. //2013 Kansas City, Missouri, 2013: 4007－4013.

[20] Liu Y C, Fan M S. Application feasibility of SPAD-502 in diagnosis of potato nitrogen nutrient status[J]. Chinese Potato Journal, 2012, 26(1): 45－48.

[21] Coste S, Baraloto C, Leroy C, et al. Assessing foliar chlorophyll contents with the SPAD-502 chlorophyll meter:A calibration test with thirteen tree species of tropical rainforest in French Guiana[J]. Annals of Forest Science,2010, 67(6): 607－607.

[22] Nau? J, Prokopová J, Rebí?ek J, et al. SPAD chlorophyll meter reading can be pronouncedly affected by chloroplast movement[J]. Photosynthesis Research, 2010, 105(3): 265－71.

[23] 李振海，王紀(jì)華，賀鵬，等. 基于Dualex氮平衡指數(shù)測(cè)量?jī)x的作物葉綠素含量估算模型[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2015，31(21)：191－197.Li Zhenhai, Wang Jihua, He Peng, et al. Modelling of crop chlorophyll content based on Dualex[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2015, 31(21): 191－197. (in Chinese with English abstract)

[24] 孫紅，趙毅，張猛，等. 玉米拔節(jié)期冠層葉綠素含量多光譜圖像檢測(cè)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2015(增刊2)：186－192.Sun Hong, Zhao Yi, Zhang Meng, et al. Multi-spectral image detection for maize canopy's chlorophyll content in jointing stage[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2015(S2): 186－192. (in Chinese with English abstract)

[25] 郭志明，趙春江，黃文倩，等. 蘋果糖度高光譜圖像可視化預(yù)測(cè)的光強(qiáng)度校正方法[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2015，46(7)：227－232.Guo Zhiming, Zhao Chunjiang, Huang Wenqian, et al. Intensity correction of visualized prediction for sugar content in apple using hyperspectral imaging[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Machinery, 2015, 46(7): 227－232.(in Chinese with English abstract)

[26] Zhang Y M, Peng W, Bai J R, et al. Establishment of identification and classification model of PE, PP and PET based on near infrared spectroscopy[J]. Modern Chemical Industry, 2016, 36(3): 182－186.

[27] 褚小立，袁洪福，陸婉珍. 近紅外分析中光譜預(yù)處理及波長(zhǎng)選擇方法進(jìn)展與應(yīng)用[J]. 化學(xué)進(jìn)展，2004，16(4)：528－542.Chu Xiaoli, Yuan Hongfu, Lu Wanzhen. Progress and application of spectral data pretreatment and wavelength selection methods in NIR analytical technique[J]. Progress in Chemistry, 2004, 16(4): 528－542. (in Chinese with English abstract)

[28] Bi Y, Yuan K, Xiao W, et al. A local pre-processing method for near-infrared spectra, combined with spectral segmentation and standard normal variate transformation[J]. Analytica Chimica Acta, 2016, 909(3): 30-40.

[29] 陳立旦，趙艷茹. 可見－近紅外光譜聯(lián)合隨機(jī)蛙跳算法檢測(cè)生物柴油含水量[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2014，30(8)：168－173.Chen Lidan, Zhao Yanru. Measurement of water content in biodiesel using visible and near infrared spectroscopy combined with Random-Frog algorithm[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering(Transactions of the CSAE), 2014, 30(8): 168－173. (in Chinese with English abstract)

[30] Yun Y H, Li H D, Wood L R E, et al. An efficient method of wavelength interval selection based on random frog for multivariate spectral calibration[J]. Spectrochimica Acta Part A Molecular & Biomolecular Spectroscopy, 2013, 111(7):31－36.