高光譜技術(shù)帶你揭秘楓葉變色過程

一、 引言

研究表明，植物激素和一種叫做乙烯的化學(xué)物質(zhì)在樹葉的生長和死亡過程中起著重要的作用。在春季和初夏，有三種不同的激素分布于樹的各個部分，它們加速新的綠葉的生長，在初秋時節(jié)，乙烯和一種叫做脫落酸的激素便聚積在樹葉中，并開始進行一系列的化學(xué)變化。這些變化持續(xù)幾個星期，直至樹葉脫落。在樹葉死亡之前，它便將其中的水分和生長化合物質(zhì)包括氮、磷等輸送回樹干（枝）中，它們以汁液狀態(tài)安全地貯藏在樹干和樹根中，直到來年的春天新葉萌發(fā)時再釋放出來。新老樹葉也向回輸送葉綠素，而其它顏色的物質(zhì)，仍留在樹葉里，其中有鮮紅色、枯色和黃色，它們一直都在樹葉中。但由于春夏時葉綠素較多，有些顏色就被掩蓋起來，只有在秋冬季節(jié)才會顯現(xiàn)出來。與此同時，樹葉中的細胞開始死亡，在樹葉基部的一組特殊細胞開始衰弱，因此在風(fēng)雨中便容易掉落下來。這就是為什么秋冬季節(jié)有些樹的葉子會變成鮮紅色、桔色或黃色而且還會脫落。

而不同植物葉片呈現(xiàn)出不同的顏色，這是和葉片細胞內(nèi)色素的種類、相對含量密切相關(guān)。一般植物葉片表現(xiàn)為綠色，這是由于葉片中葉綠素（Chl）的相對含量多于類胡蘿卜素，葉綠素是植物重要的光合色素，植物通過葉綠素捕獲光子，并將光能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能，因此葉綠素在植物體內(nèi)扮演著重要的角色。葉片顏色從綠色變?yōu)槠渌伾?，原因之一就是葉綠素相對含量減少，而類胡蘿卜素相對含量增加。T A. Shemer等對果實進行研究，認為顏色轉(zhuǎn)變常常會有大量類胡蘿卜素的合成和大量葉綠素的分解。而催化葉綠素分解的第一步酶就是葉綠素酶嗎，有學(xué)者認為：在葉片衰老的期初階段，葉綠素酶發(fā)揮作用可能是在Chlb轉(zhuǎn)化為Chla的過程中。葉綠素酶對葉綠素進行分解，導(dǎo)致其相對含量下降，葉片逐漸褪綠?；ㄉ剀帐乔锛救~色轉(zhuǎn)變的主要物質(zhì)基礎(chǔ)，屬于植物的次生代謝產(chǎn)物，由花色素與糖組成，主要在植物表皮細胞的液泡中，也是彩葉植物葉色多彩的主要物質(zhì)。

本文采用高光譜圖像技術(shù)檢測植物葉片內(nèi)部及外部特征，對楓葉內(nèi)部含量變化進行可視化分析，以實現(xiàn)探索楓葉葉片隨季節(jié)變化而內(nèi)部質(zhì)量改變的目的。

二、試驗材料與方法

本研究以同一時間采集的同一種楓樹采集的葉片為研究對象，初步分析楓樹葉片隨季節(jié)變化而產(chǎn)生的內(nèi)部品質(zhì)變化的過程。 

2.2  實驗設(shè)備

高光譜成像數(shù)據(jù)采集采用江蘇雙利合譜科技有限公司的 GaiaSorter高光譜分選儀系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由高光譜成像儀(GaiaField Pro-V10)、CCD 相機、光源、暗箱、計算機組成，結(jié)構(gòu)圖與實景圖如圖1。高光譜成像系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)置如表1。

表1   GaiaField-V10便攜式光譜成像系統(tǒng)

圖1 高光譜相機

2.3  圖像處理分析

采用SpecView和ENVI/IDL對高光譜數(shù)據(jù)進行處理及分析。其中高光譜影像數(shù)據(jù)的處理在SpecView完成，包括鏡像變換和黑白幀校正；其他數(shù)據(jù)的分析在ENVI/IDL中進行。

三、結(jié)果與討論

取楓葉葉片未變色（綠色）、變色中期（黃色）和變色后期（紅色）區(qū)域和背景各3個不同位置周邊50個像元，分別獲取這3個不同位置50個像元的光譜反射率，并求取這50個像元的反射率均值，如下圖所示，（a）為利用高光譜相機三個波段組成的偽彩色圖，(b)為反射率平均值。其中，楓葉在變色后期的光譜反射率在550nm范圍內(nèi)明顯低于未變色、變色中期區(qū)域的光譜反射率，而變色中期的黃色葉片在550nm處表現(xiàn)出來的反射譜圖沒有形成尖銳的峰形。在750-900nm范圍內(nèi)，葉片未變色和變色中期的光譜反射率均高于變色后期；而黑色背景在全波段范圍內(nèi)反射率都極低，屬于正?，F(xiàn)象，這是因為黑色漫反射材料具有吸光作用，反射的光較少。在580-700 nm以及在550和780 nm波段處，可以三種葉片存在顯著差異，因此可以嘗試通過構(gòu)建植被指數(shù)和閾值分割方法探索出楓葉的變色過程。

圖1（c）(d)分別為一階導(dǎo)數(shù)和二階導(dǎo)數(shù)處理，可以看出光譜峰更加銳利，光譜結(jié)合實驗室化學(xué)分析可以有效推斷葉片內(nèi)部成分差異，目前沒有理化分析結(jié)果，所以只能通過判斷光譜差異進行差異分析。

圖2 楓葉偽彩色圖及光譜

3.2  葉片區(qū)域的提取及NDVI反演圖

對經(jīng)過鏡像變換、黑白幀校準的高光譜圖像，根據(jù)葉片與背景區(qū)域的光譜差異，利用ENVI/IDL軟件的波段運算建立腌膜，獲取純?nèi)~片圖像，對圖像進行二值化處理后，進行NDVI反演。圖2為葉片的NDVI反演圖。可以明顯看出，未變色葉片NDVI值大于變色中期，變色后期NDVI值最低。

圖3 數(shù)據(jù)處理結(jié)果

3.3  葉片的主成分分析

為了客觀地識別不同變色時期的楓葉，對經(jīng)預(yù)處理后的高光譜數(shù)據(jù)進行主成分分析（Principal Component Analysis, PCA），去除波段之間的多余信息、將多波段的圖像信息壓縮到比原波段更有效的少數(shù)幾個轉(zhuǎn)換波段下。圖4為楓葉經(jīng)PCA變換后的前4個主成分。

根據(jù)獲取的主成分圖像，第四主成分含有較多無用信息，說明前4個主成分包含了大量的光譜信息。而前兩個主成分雖然包含了最多信息，且圖像較為清晰，在第二主成分可以明顯的看到紅楓葉病害區(qū)域。經(jīng)初步判斷，第二、三主成分結(jié)合實驗室化學(xué)分析可以輕松的判斷出楓葉內(nèi)部成含量的變化以及分布情況。

圖4 PCA處理后的前4個主成分

為了更客觀真實地識別出楓葉內(nèi)部品質(zhì)信息和不同變色期的差異，根據(jù)波段組合的特點，對PCA前4個主成分組合成各種假彩色圖像，如圖5為楓葉的假彩色合成圖像。與灰度圖相比，假彩色合成更能直觀地識別出楓葉間的差異。

4. 結(jié)論圖5 PCA假彩色合成圖像

氣溫降低使樹葉中的葉綠素被破壞，葉黃素和花青素等色素顯露出來，使樹葉變成紅色或橙色，本實驗基于GaiaField Pro-V10成像高光譜相機，分別獲取未變色、變色中期以及變色后期楓葉的400-950 nm范圍的光譜反射率，首先對提取出的光譜數(shù)據(jù)取平均值，可以起到曲線平滑的作用，同時對去噪后的光譜提取特征波長，同時采用全波段循環(huán)，探尋最佳的NDVI光譜指數(shù)構(gòu)建判別模型，并基于PCA算法對葉片圖像內(nèi)部含量進行可視化分析，可為探究楓葉隨季節(jié)變化而產(chǎn)生的類胡蘿卜素、花色素苷等物質(zhì)的內(nèi)部動態(tài)變化提供理論支持。通過探究發(fā)現(xiàn)，楓葉在未變色、變色中期以及變色后期內(nèi)部品質(zhì)存在巨大差異，這是由于葉片內(nèi)部的主要成分發(fā)生了轉(zhuǎn)移或變化。通過研究楓葉隨季節(jié)變化而產(chǎn)生的內(nèi)部品質(zhì)的動態(tài)變化，將該結(jié)果結(jié)合植被冷害脅迫、蟲害程度進行分析，可起到對植被進行表型分析的效果。