高光譜成像技術(shù)在煙草行業(yè)的應用

高光譜成像技術(shù)在煙草行業(yè)的應用

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)，從探測目標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數(shù)（一階導數(shù) 、二階導數(shù)）、對數(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)得到了廣泛的應用和快速的發(fā)展。前人已經(jīng)對高光譜遙感技術(shù)在水稻、大豆、小麥等農(nóng)作物中的應用有了較為深入的研究。近幾年來，越來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，同時篩選出一些監(jiān)測參數(shù)，并建立了相應的估算模型。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、作物長勢監(jiān)測等方面 ，高光譜技術(shù)都得到了較快發(fā)展。近年來 ，高光譜技術(shù)在煙草上的研究和應用也進入了快速發(fā)展的階段，并且得到了較多的應用，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)煙草在缺氮時可見光波段的反射率會增加，同時光譜反射率會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模型。劉大雙等對感染不同程度花葉病的烤煙光譜進行線性和非線性擬合估測烤煙葉綠素含量。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，利用所建立的估測模型快速監(jiān)測煙草的生長狀況 ，及時指導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指標以及香氣指標進行了相關(guān)分析，建立了相應的光譜估測模型。筆者著重討論近年來利用高光譜遙感技術(shù)手段監(jiān)測煙草生化參數(shù)的成果與方法的研究進展，同時展望未來高光譜遙感在煙草方面的發(fā)展趨勢。

1.　煙草的光譜特征以及不同因素對其的影響

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

1.1 光照對煙草光譜特征的影響

光照是植物生長發(fā)育的必需條件之一，為植物進行光合作用提供能量。光照強度和光質(zhì)條件都會對煙草的光譜特征產(chǎn)生明顯影響。賈方方以云煙87為實驗材料進行研究發(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　水分對煙草光譜特征的影響

水分對烤煙的生長發(fā)育及品質(zhì)都有重要的影響，水分因素對烤煙內(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，在整個生育期內(nèi)，隨著土壤水分減少，烤煙葉片紅邊位 置 向 長波方向移動，紅移現(xiàn)象顯著；在伸根期和旺長期，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　肥料對煙草光譜特征的影響

氮磷鉀被稱為煙草生長發(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，導致葉片對光的吸收增強；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胞變大，細胞間隙變大，細胞壁水化度 增高，導致光在葉片組織細胞內(nèi)進行了多次反射。施氮量同時會對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。呂小娜研究認為，隨著施氮量的增加，烤煙冠層一階導數(shù)光譜呈現(xiàn)向長波方向移動的趨勢，“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。李向陽等研究表明，隨著 供鉀水平的增加，烤煙葉片光譜反射率呈降低趨勢，在綠光波段尤其明顯。國內(nèi)關(guān)于磷素對煙草光譜特征影響的研究較少，李向陽以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，這決定了生長過程中煙草葉片的生理生化特征和化學物質(zhì)含量等方面會有所差異，導致煙草的光譜特征不同。劉國順等通過研究白肋煙、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。李向陽通過研究對此進行了解釋，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。李向陽對NC89、K326、云煙85、慶勝2號4個烤煙品種進行研究發(fā)現(xiàn)，在可見光范圍內(nèi)，４個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。

1.5　不同生育時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、葉片伸展，葉片單位面 積內(nèi)葉綠素含量減少；進入旺長期，葉片內(nèi)葉綠素含量進一步降低，水分含量 減少；進入成熟期，大量的葉綠素在此時被分解破壞；這一系列的變化導致葉片在可見光波段紅區(qū)和藍區(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胞結(jié)構(gòu)的變化引起的，隨著生育時期的推移，煙葉生長葉片組織細胞結(jié)構(gòu)逐漸充實，葉肉細胞之間的間隙擴大，折射率的急劇變化導致反射面數(shù)目增加，最終導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胞結(jié)構(gòu)不同造成的，越上部的煙葉細胞結(jié)構(gòu)組織越致密，而細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　病蟲害對煙草光譜特征的影響

病蟲害對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 的改變。這些變化都勢必會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，在整個生育期內(nèi)煙草病葉光譜的紅邊位置發(fā)生了“藍移”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，葉片的光譜特征曲線已發(fā)生改變，可用高光譜進行診斷。喬紅波等研究不同數(shù)量煙蚜對中煙101光譜特征的影響時發(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、生育時期等都對煙草光譜特征存在一定的影響，利用高光譜技術(shù)可以對煙草的長勢、養(yǎng)分狀況、煙葉的產(chǎn)量和品質(zhì)進行較為準確的診斷和監(jiān)測，具有廣闊的應用前景。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)進行修正，以降低實際生產(chǎn)中的等級分類、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充煙草光譜數(shù)據(jù)庫，加強高光譜相關(guān)數(shù)據(jù)的采集和挖掘，并加強與GIS、GPS技術(shù)的結(jié)合應用，推動高光譜技術(shù)在煙草中的應用。