王啟

摘 要：農(nóng)田除草作為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)快速發(fā)展所面臨的問(wèn)題之一，一直受到廣泛關(guān)注。化學(xué)除草在現(xiàn)今的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中被廣泛應(yīng)用，但是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中對(duì)于雜草無(wú)法實(shí)現(xiàn)精確的定位，粗放式的大面積噴灑除草劑不僅浪費(fèi)藥劑還會(huì)對(duì)生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生不利影響，因此精確的雜草識(shí)別是實(shí)現(xiàn)精確除草的前提。一旦確定可精確識(shí)別的技術(shù)手段，對(duì)于農(nóng)業(yè)、林業(yè)、園林設(shè)計(jì)等多方面的統(tǒng)計(jì)和除雜都有著革新的科研價(jià)值與意義。要實(shí)現(xiàn)精確除草，首先需要識(shí)別出特定的植物，而植物具有特定的光譜，本次課題闡述以光譜特征來(lái)識(shí)別植物葉片，進(jìn)而對(duì)于植物的特定識(shí)別與植物物種間的區(qū)分有重要幫助。

關(guān)鍵詞：植物葉片；測(cè)定

現(xiàn)如今的農(nóng)業(yè)手段來(lái)說(shuō)，農(nóng)田除草的主要方法有人工除草、機(jī)械除草、雜草檢疫、生物防除和化學(xué)除草等。其中，化學(xué)除草方法高效、方便，被廣泛應(yīng)用。粗放式的大面積噴灑除草劑不僅浪費(fèi)藥劑，而且會(huì)對(duì)生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生影響，為此國(guó)內(nèi)外都在開(kāi)展精確除草方法的研究：

美國(guó)伊利諾大學(xué)在分析雜草整體分布特性的基礎(chǔ)上，研制出可進(jìn)行施用量決策并控制噴頭工作的智能?chē)婌F機(jī)，美國(guó)加利福尼亞大學(xué)戴維斯分校研制出了基于視覺(jué)導(dǎo)航的精確噴霧系統(tǒng)，該系統(tǒng)可識(shí)別出番茄以及生菜田中的雜草，并對(duì)雜草進(jìn)行定點(diǎn)施藥。在國(guó)內(nèi)，浙江大學(xué)、中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)、江蘇大學(xué)等開(kāi)展了雜草識(shí)別與精確除草相關(guān)的研究。南京林業(yè)大學(xué)研究了基于施藥方法的玉米苗期除草機(jī)器人。

目前，雜草識(shí)別通常采用機(jī)器視覺(jué)的方法來(lái)采集和處理圖像。利用顏色特征的識(shí)別手段可以區(qū)分植物和土壤，但是很難精確區(qū)分雜草和作物。近年來(lái)，光譜特征技術(shù)被用于識(shí)別雜草。

要實(shí)現(xiàn)精確除草，首先需要識(shí)別出特定的植物，而植物具有特定的光譜，本次課題闡述識(shí)別植物葉片的光譜特征，進(jìn)而對(duì)于植物的識(shí)別與植物間的定向區(qū)分有重要幫助。

一、植物葉片測(cè)定實(shí)驗(yàn)

本次實(shí)驗(yàn)采用USB2000光纖光譜儀，光譜量程在390nm到1000nm之間，分辨率在1.5nm。實(shí)驗(yàn)光源選取鎢燈與LED燈。

本次實(shí)驗(yàn)選擇冬青衛(wèi)矛作為實(shí)驗(yàn)材料，選擇反枝莧作為實(shí)驗(yàn)中雜草進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。分別采集同一衛(wèi)青的數(shù)片形狀大小顏色無(wú)明顯差異的葉片、采集同一衛(wèi)青不同生長(zhǎng)期的葉片、采集濕潤(rùn)新鮮的衛(wèi)青葉片，在同一株衛(wèi)青下，采集少量干枯葉片。將采集到的植物保存于實(shí)驗(yàn)室中，實(shí)驗(yàn)室溫度為17.4℃，濕度為11.2%。

室外一天的輻射度為正午最高、日出其次、日落最低，故實(shí)驗(yàn)室調(diào)整數(shù)據(jù)為正午在30000lux左右，日出為10000lux左右，日落低于8000lux左右。

連接電腦與USB2000光纖光譜儀，取鎢燈，將光源投射于白板，將光譜儀的探頭固定于升降臺(tái)上，使探頭對(duì)準(zhǔn)白板，打開(kāi)spectrasuite軟件，將所測(cè)得的光源光譜保存；將待測(cè)冬青葉片放置在白板，測(cè)量并保存葉片光譜數(shù)據(jù)。調(diào)整光源輻射度三次，測(cè)量不同的輻射度下所對(duì)應(yīng)的冬青葉片的反射光譜，使用MATLAB軟件導(dǎo)入數(shù)據(jù)并計(jì)算反射率。取多組葉片重復(fù)完成多次實(shí)驗(yàn)測(cè)量。

植物的室外光源主要來(lái)自于太陽(yáng)光、月光、人造燈光等，實(shí)驗(yàn)中以鎢燈（模擬太陽(yáng)光）、LED燈為實(shí)驗(yàn)條件進(jìn)行測(cè)定。

將鎢燈換上LED燈，在相同條件下測(cè)量冬青葉片的反射光譜并保存葉片光譜數(shù)據(jù)。

使用MATLAB軟件導(dǎo)入鎢燈與LED燈數(shù)據(jù)并計(jì)算反射率。取多組葉片重復(fù)完成多次實(shí)驗(yàn)測(cè)量。

植物生長(zhǎng)期不同葉片主要表現(xiàn)在葉綠素含量差異較大，實(shí)驗(yàn)中選取不同生長(zhǎng)期的葉片（嫩綠色葉片、深綠色葉片、黃綠色葉片、淡黃色葉片）作為實(shí)驗(yàn)條件進(jìn)行測(cè)定。

連接電腦與USB2000光纖光譜儀，取鎢燈，保持其他設(shè)備不做改變，在相同條件下?lián)Q置其他顏色的葉片測(cè)量冬青葉片的反射光譜并保存葉片光譜數(shù)據(jù)。使用MATLAB軟件導(dǎo)入嫩綠色葉片、深綠色葉片、黃綠色葉片、淡黃色葉片的數(shù)據(jù)并計(jì)算反射率。取多組葉片重復(fù)完成多次實(shí)驗(yàn)測(cè)量。

將收集到的成熟的未經(jīng)處理的冬青葉片與雜草放置于一起，且在實(shí)驗(yàn)之前盡量保持有著相同的條件。

連接電腦與USB2000光纖光譜儀，取鎢燈，保持其他設(shè)備不做改變，在相同條件下?lián)Q置雜草測(cè)量反射光譜并保存雜草光譜數(shù)據(jù)。使用MATLAB軟件導(dǎo)入冬青葉片、雜草的數(shù)據(jù)并計(jì)算反射率。

二、實(shí)驗(yàn)結(jié)果

植物光譜是由植被化學(xué)和形態(tài)學(xué)特征決定的，而這種特征與植被的發(fā)育、生長(zhǎng)環(huán)境條件密切相關(guān)。植被具有獨(dú)特的葉面結(jié)構(gòu)，光子與葉片的互相作用包括葉片正面光譜反射、漫反射、和來(lái)自葉片背面的透射光和散射光，還有植被光合作用下的光能吸收，本實(shí)驗(yàn)在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中測(cè)量，根據(jù)實(shí)驗(yàn)環(huán)境將其他影響極小因素忽略，只考慮植物的正面光譜的反射。

根據(jù)圖1與圖2實(shí)驗(yàn)得到，在可見(jiàn)光譜范圍內(nèi)， 550nm附近有一個(gè)波峰，兩側(cè)（470nm和670nm）處有吸收帶，并且隨著植被光譜吸收深度的減少，伴隨著輻

射度的增強(qiáng)?？梢?jiàn)光波段反射率隨輻射度增強(qiáng)而減小。

實(shí)驗(yàn)測(cè)得冬青在近紅外波段（760-1000）的光譜特征幾乎不受輻射度變化影像。

根據(jù)圖3與圖4實(shí)驗(yàn)得到，以鎢燈作為光源的冬青葉片光譜，在550nm附近有一個(gè)波峰，兩側(cè)（450nm和670nm）處有吸收帶，以LED燈作為光源的冬青葉片光譜，在470nm和550附近各有一個(gè)波峰， 450nm處有明顯吸收帶?？梢哉J(rèn)為這是由于光源不同導(dǎo)致，鎢燈的光譜呈現(xiàn)連續(xù)性而LED燈光譜不連續(xù)（有兩個(gè)特征波峰）引起的。

實(shí)驗(yàn)測(cè)得冬青在近紅外波段（760-1000）的光譜特征沒(méi)有受光源因素影響。

根據(jù)圖5實(shí)驗(yàn)得到，從葉面反射的光，在550nm附近有一個(gè)波峰，兩側(cè)（450nm和670nm）處有吸收帶，并且隨著植被光譜吸收深度的減少，伴隨著葉綠素含量的降低?？梢哉J(rèn)為這是由于葉綠素對(duì)綠光的反射和對(duì)藍(lán)光、紅光的吸收引起的。

實(shí)驗(yàn)測(cè)得冬青在近紅外波段（760-1000）的光譜特征為反射率急劇升高。對(duì)于同一株植物如冬青，可見(jiàn)光光譜特征隨著葉片的新老而發(fā)生變化。

圖6植物葉片與雜草反射光譜的比較

圖6通過(guò)冬青與雜草葉片反射光譜的對(duì)比可得，在可見(jiàn)光區(qū)還沒(méi)有什么變化，但在近紅外光波段已經(jīng)出現(xiàn)了較明顯的不同上升趨勢(shì)。

三、實(shí)驗(yàn)誤差分析

實(shí)驗(yàn)中使用光纖光譜儀于地下實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，可以人為排除各種光源的干擾，且溫度與濕度得到控制。

但是在光譜儀中光學(xué)影像轉(zhuǎn)化為電信號(hào)時(shí)，來(lái)自CCD（電荷耦合原件）的噪聲成為數(shù)據(jù)制圖方面的最大干擾。一方面，當(dāng)CCD在低光照、條件下應(yīng)用時(shí)，由于采取了一切可能的措施降噪（比如地下實(shí)驗(yàn)室密閉環(huán)境），光子散粒噪聲成為主要的噪聲源。另一方面，源于構(gòu)成CCD傳感器關(guān)鍵結(jié)構(gòu)材料硅的內(nèi)部由于發(fā)熱導(dǎo)致的電荷數(shù)量統(tǒng)計(jì)波動(dòng)，在給定的CCD傳感器溫度條件下，熱電荷的生成速率通常被稱(chēng)之為暗電流，這種信號(hào)與CCD傳感器的溫度高度相關(guān)，溫度每增加5℃～6℃，暗電流將增加到原來(lái)的兩倍。在弱信號(hào)條件下，CCD采用長(zhǎng)時(shí)間積分的方法進(jìn)行觀測(cè)，暗電流將是主要的影響因素。

針對(duì)以上兩種噪聲干擾，采用調(diào)整實(shí)驗(yàn)光源輻射度盡量降低弱信號(hào)測(cè)繪的可能，以及在使用儀器時(shí)，每使用一段時(shí)間，間隔使用使得CCD冷卻至室溫。

四、結(jié)論和討論

實(shí)驗(yàn)得到不同輻射度對(duì)植物葉片反射率的影響表現(xiàn)為：隨著輻射度的增大反射率呈現(xiàn)線性減小關(guān)系。

實(shí)驗(yàn)得到不同光源對(duì)植物葉片反射率的的影響表現(xiàn)為：以鎢燈為光源所得的植物反射率與LED燈相比，反射率曲線特征更加明顯，表現(xiàn)為有突出的550nm的反射峰與450nm和670nm的兩個(gè)吸收帶。

實(shí)驗(yàn)得到不同生長(zhǎng)期對(duì)植物葉片反射率的的影響表現(xiàn)為：植物隨著衰老其葉綠素含量逐漸減少，反射率曲線特征逐漸減弱，550nm的反射峰降低且450nm和670nm的兩個(gè)吸收帶深度減小。

實(shí)驗(yàn)得到植物葉片反射率與雜草反射率的對(duì)比關(guān)系：在可見(jiàn)光區(qū)還沒(méi)有較為明顯的變化特征，只表現(xiàn)為550nm特征峰的波段，這與植物和雜草本身含有的葉綠素含量有關(guān)，對(duì)物種間的光譜鑒別影響可以忽略。在近紅外光波段，可以發(fā)現(xiàn)兩者反射率均有極大的提升，但是提升的趨勢(shì)有明顯的不同，所以推斷在近紅外波段反射光譜對(duì)于不同植物的鑒別有幫助。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)得到，冬青葉面反射的光譜，在550nm附近有一個(gè)波峰，兩側(cè)（450nm和670nm）處有吸收帶，并且隨著植被光譜吸收深度的減少，伴隨著葉綠素含量的降低?？梢哉J(rèn)為這是由于葉綠素對(duì)綠光的反射和對(duì)藍(lán)光、紅光的吸收引起的。

實(shí)驗(yàn)測(cè)得冬青在近紅外波段（760-1000）的光譜特征為反射率高。且于同一株植物的葉片其光光譜特征隨著葉片的新老而發(fā)生變化。通過(guò)冬青與雜草葉片反射光譜的對(duì)比可得，在可見(jiàn)光區(qū)還沒(méi)有什么變化，但在近紅外光波段已經(jīng)出現(xiàn)了較明顯的不同上升趨勢(shì)。

綜上得出結(jié)論：通過(guò)對(duì)可見(jiàn)光波段反射光譜的研究，可以根據(jù)550nm的特征峰與450nm及670nm的吸收帶作為光譜特征研究植物葉片的成熟度的依據(jù)。

通過(guò)對(duì)近紅外光波段反射光譜的研究，對(duì)于利用光譜特征來(lái)進(jìn)行植物種間區(qū)分有幫助。

參考文獻(xiàn)：

[1] 金小俊，陳勇，孫艷霞 農(nóng)田雜草識(shí)別方法研究進(jìn)展 農(nóng)機(jī)化研究2011.7.