多光譜儀、高光譜在糧食作物信息內(nèi)容確認(rèn)上的運(yùn)用科學(xué)研究

　　農(nóng)業(yè)科技包括信息內(nèi)容獲得、信息化管理和管理決策及自變量工作3個(gè)一部分，在其中怎樣便捷、迅速、精確、靠譜地獲得農(nóng)作物信息內(nèi)容，早已變成執(zhí)行農(nóng)牧業(yè)為重要的難題。營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)生理學(xué)指標(biāo)值做為農(nóng)作物內(nèi)部指標(biāo)值，與農(nóng)作物生長(zhǎng)發(fā)育的情況及其生產(chǎn)量息息相關(guān)。如氮、磷、鉀、鋅等營(yíng)養(yǎng)元素與作物生長(zhǎng)狀態(tài)密切相關(guān)，缺少任何一種元素都可能會(huì)引起植物的不正常生長(zhǎng);而氮、葉綠素含量、冠層主要參數(shù)等指標(biāo)值與農(nóng)作物的生產(chǎn)量有關(guān)，能夠 做為農(nóng)作物生產(chǎn)量預(yù)計(jì)指標(biāo)值;當(dāng)農(nóng)作物遭受自然環(huán)境威逼時(shí)，其生理學(xué)信息內(nèi)容和外界形狀都是產(chǎn)生更改，如遭受病害浸染時(shí)，農(nóng)作物會(huì)做出現(xiàn)象造成酶及其一些物質(zhì)。

　　因此，作物當(dāng)中一些特定的酶含量、氨基酸含量、蛋白含量的變化反映了作物在逆境中的狀況，可以作為作物逆境脅迫響應(yīng)指標(biāo)。目前隨著光譜傳感技術(shù)和圖像處理分析技術(shù)的日益發(fā)展,無人機(jī)與光譜軟硬件的結(jié)合也越發(fā)純熟。在農(nóng)業(yè)、林業(yè)、資源、生態(tài)、環(huán)境保護(hù)等領(lǐng)域都得到了廣泛應(yīng)用。

　　作物的光譜特征是環(huán)境因子(生物因子和非生物因子)影響的結(jié)果。利用光譜和成像技術(shù)快速、無損地獲取作物的養(yǎng)分生理信息，間接預(yù)估作物的產(chǎn)量以及監(jiān)測(cè)作物長(zhǎng)勢(shì)與逆境脅迫響應(yīng)，有助于實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)化、數(shù)字化、信息化以及智能化管理作業(yè)。光譜成像技術(shù)將光譜分析技術(shù)和成像技術(shù)結(jié)合起來，它既能獲取樣本的光譜信息也能獲取空間信息，并且能同時(shí)獲取樣本的物理特性和化學(xué)特性。光譜圖像通常是三維(3D)的，由二維的空間信息和一維的光譜信息組成。根據(jù)波段的多少，光譜成像技術(shù)可以分為多光譜成像技術(shù)和高光譜成像技術(shù)。通常來說，高光譜成像技術(shù)獲取的圖像由大量連續(xù)的波段(幾十個(gè)或幾百個(gè))組成，而多光譜成像技術(shù)的圖像由一系列離散的波段(一般少于10個(gè))組成。高光譜圖像的光譜分辨率更高，能夠更好地獲取樣本的信息，對(duì)于監(jiān)測(cè)作物信息精度更高。然而，由于高光譜圖像通常攜帶有大量的信息，因此需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行降維，去除冗余信息。高光譜成像技術(shù)也有它的局限性，如成本高，處理速度慢等。因此，高光譜成像技術(shù)主要用于基礎(chǔ)研究。相比高光譜成像技術(shù)，多光譜成像技術(shù)更適合田間的大面積監(jiān)測(cè)。植被指數(shù)是一類具有一定生化意義的不同波段光譜值的組合，通常有比值植被指數(shù)、線性組合植被指數(shù)、修正植被指數(shù)、差值植被指數(shù)等。不同波段組合的植被指數(shù)對(duì)于不同指標(biāo)預(yù)測(cè)效果不同。在農(nóng)業(yè)上，基于光譜技術(shù)檢測(cè)作物生理指數(shù)的波段范圍一般在400～2 500 nm之間，涉及到色素(葉綠素、類胡蘿卜素等)、氮、水分等吸收和葉片細(xì)胞的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。在400～740 nm 可見光波段，葉綠素在480、650、670～680、740 nm 處有吸收峰，類胡蘿卜素在 420、425、440、450、470、480 nm均有吸收峰，葉黃素在 425、445、475 nm 有吸收峰。而在 740～1 300 nm 近紅外波段由于健康的葉肉細(xì)胞反射作用，其反射率急劇升高;作物水分的吸收峰主要集中在970、1 450、1 944 nm 處。因此當(dāng)作物受到脅迫作用時(shí)，相應(yīng)的氮、色素、酶等發(fā)生變化，通過應(yīng)用各種植被指數(shù)監(jiān)測(cè)這些生理指標(biāo)變化，可判斷作物脅迫情況、生長(zhǎng)狀況以及產(chǎn)量情況。然而，多光譜只有區(qū)區(qū)幾個(gè)波段，雖然能構(gòu)建一些植被指數(shù)，但是構(gòu)建的植被指數(shù)未必能反映作物的生理生化信息及長(zhǎng)勢(shì)狀態(tài)。高光譜則不同，其數(shù)百上千個(gè)波段信息，即使同一植被指數(shù)，也能有成千上萬種組合，而這么多種組合以及這么多的植被指數(shù)，總能找到適合監(jiān)測(cè)作物的生理生化信息及長(zhǎng)勢(shì)狀態(tài)的敏感指數(shù)。

圖1 無人機(jī)高光譜影像下作物長(zhǎng)勢(shì)分布圖氮和葉綠素類含量是作物重要的養(yǎng)分指標(biāo)，與作物產(chǎn)量密切相關(guān)。

       基于光譜和成像技術(shù)作物養(yǎng)分信息的獲取根據(jù)是否直接利用光譜信息可分為基于直接光譜信息作物養(yǎng)分信息快速獲取(如逐步多元回歸、偏小二乘、權(quán)重系數(shù)、支持向量機(jī)等)和基于植被指數(shù)作物養(yǎng)分信息快速獲取?；谥苯庸庾V信息作物養(yǎng)分獲取即通過原始光譜處理建模檢測(cè)作物養(yǎng)分信息，而基于植被指數(shù)的養(yǎng)分檢測(cè)是通過建立植被指數(shù)與養(yǎng)分的模型進(jìn)行分析。

圖2 無人機(jī)高光譜影像作物葉綠素a分布

圖3 無人機(jī)高光譜影像作物氮素分布通過光譜和成像技術(shù)對(duì)作物水分脅迫信息進(jìn)行快速獲取，有利于作物肥水管理的化控制。

     研究者應(yīng)用了多光譜成像技術(shù)和高光譜技術(shù)研究水分脅迫下油菜葉片的含水率。基于高光譜建立的模型預(yù)測(cè)結(jié)果優(yōu)于基于多光譜成像建立的模型。

圖4 WBI 指數(shù)變化(WBI 值越大，植物含水量越高，越利于植物生長(zhǎng))早期作物病蟲害診斷對(duì)科學(xué)防治病蟲害，保證作物產(chǎn)量具有重要意義。

       目前，病蟲害診斷可分為直接方法和間接方法。直接方向主要是以化學(xué)分析方法為主，包含聚合酶鏈反應(yīng)、DNA 陣列等方法。而間接方法主要是以電子鼻、光譜儀等為主的傳感器技術(shù)。光譜和成像技術(shù)是一種病蟲害診斷的快速、無損、有效檢測(cè)技術(shù)。當(dāng)作物受到病蟲害脅迫時(shí)，作物內(nèi)部的生理指標(biāo)以及外部形態(tài)均會(huì)發(fā)生變化，在光譜和成像技術(shù)上以光譜響應(yīng)與紋理、顏色等特征呈現(xiàn)。因此，光譜和成像技術(shù)通過分析某一波段或者多個(gè)波段光譜以及作物圖像信息對(duì)作物病蟲害脅迫作出診斷。此外，用于診斷病蟲害的植被指數(shù)主要有歸一化植被指數(shù)、綠色歸一化植被指數(shù)、比值植被指數(shù)、光化學(xué)反射、葉片水分植被指數(shù)1、水分指數(shù)、水分波段指數(shù)等。

圖5 病害脅迫，越黃發(fā)病越嚴(yán)重，越綠發(fā)病越輕1)基于光譜成像技術(shù)作物指標(biāo)檢測(cè)模型的穩(wěn)健性、傳遞性不高。

       由于受到作物生理因素(品種、生長(zhǎng)階段等)、環(huán)境因素(光照、土壤、溫度、降水等)、檢測(cè)參數(shù)、田間管理因素(灌溉、施肥等)、指標(biāo)之間互相干擾等因素影響，作物指標(biāo)模型很難涵蓋適用所有情況。2)針對(duì)作物脅迫水平的診斷仍存在問題。由于作物病蟲害、雜草、水分等脅迫沒有統(tǒng)一的評(píng)價(jià)指標(biāo)，很難建立定量診斷模型。糧食作物生理學(xué)信息內(nèi)容的認(rèn)知和獲得，早已在農(nóng)業(yè)、管理決策和農(nóng)作物生長(zhǎng)發(fā)育情況的檢驗(yàn)中充分發(fā)揮了關(guān)鍵的功效，已變成農(nóng)牧業(yè)和農(nóng)業(yè)信息化發(fā)展趨勢(shì)的關(guān)鍵內(nèi)容。在農(nóng)牧業(yè)中，迅速高質(zhì)量地獲得糧食作物營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)生理學(xué)信息內(nèi)容(氮、葉綠素類、蛋白質(zhì)類、酶類等)仍是農(nóng)業(yè)的管理方法和工作科學(xué)研究的重中之重和難題，有關(guān)方式和技術(shù)性的提升，對(duì)保持農(nóng)牧業(yè)的化、智能化、信息化管理和智能化系統(tǒng)管理方法和工作具備關(guān)鍵實(shí)際意義。