基于高光譜圖像技術(shù)的設(shè)施栽培作物營養(yǎng)元素虧缺診斷研究.pdf

1、隨著現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展，我國設(shè)施農(nóng)業(yè)種植面積已達(dá)到330萬公頃，居世界第一。由于設(shè)施栽培作物生長周期短、產(chǎn)出量大、需肥量多，從而要求土壤肥力供給具有高消耗、高補(bǔ)充的特點(diǎn)，生產(chǎn)中設(shè)施栽培作物很容易出現(xiàn)氮、磷、鉀等營養(yǎng)元素虧缺狀況，嚴(yán)重影響了作物的產(chǎn)量和經(jīng)濟(jì)效益?？焖?、準(zhǔn)確的診斷作物營養(yǎng)元素虧缺對提高作物產(chǎn)量、增加農(nóng)民收入、發(fā)展現(xiàn)代農(nóng)業(yè)具有極其重要的意義。為了克服現(xiàn)有設(shè)施栽培作物營養(yǎng)元素虧缺診斷方法的不足，本研究嘗試采用高光譜圖像技術(shù)代替葉

2、片光譜分析技術(shù)和計(jì)算機(jī)圖像技術(shù)來表征營養(yǎng)元素虧缺引起的作物內(nèi)部組分信息和外部形態(tài)特征，期望得到一種設(shè)施栽培作物營養(yǎng)元素虧缺診斷新方法。
　　 本文的主要研究工作如下：
　　 (1)營養(yǎng)元素虧缺樣本培育。在溫室大棚中以無土栽培方式培育了氮(N)、磷(P)、鉀(K)、鎂(Mg)元素虧缺及對照組黃瓜植株；分別采用凱氏定氮法、分光光度計(jì)法、原子吸收法分析了缺N組、缺P組、缺K組、缺Mg組和對照組黃瓜植株中N、P、K和Mg元素含量

3、的分布規(guī)律。結(jié)果表明：N、P、K和Mg元素含量在黃瓜植株新葉、中葉、老葉中呈遞減趨勢；與對照組葉片相比較，缺N組、缺P組、缺K組和缺Mg組植株老葉的N、P、K、Mg元素含量下降明顯，說明缺N組、缺P組、缺K組和缺Mg組中的黃瓜植株進(jìn)入了各自對應(yīng)的營養(yǎng)元素虧缺狀態(tài)，營養(yǎng)元素虧缺植株的成功培育為后續(xù)研究奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
　　 (2)樣本缺素癥狀及其分布規(guī)律初步分析。采集缺N組、缺P組、缺K組、缺Mg組和對照組黃瓜植株每個節(jié)點(diǎn)上的黃

4、瓜葉片作為分析樣本，采用高效液相色譜技術(shù)(HPLC)檢測樣本的葉綠素、葉黃素和β胡蘿卜素含量，采用彩色相機(jī)拍攝樣本的圖像信息，通過分析N、P、K和Mg元素虧缺樣本的色素含量變化和外觀特征，研究了不同營養(yǎng)元素虧缺癥狀及其在作物植株及作物葉片中的分布規(guī)律。結(jié)果表明：N元素虧缺植株的老葉葉綠素含量降低，葉面整體退綠；P元素虧缺植株老葉葉綠素沒有明顯變化，但是在老葉葉脈附近出現(xiàn)水漬斑；K元素虧缺植株老葉葉緣處的葉綠素含量降低；Mg元素虧缺植株老

5、葉葉脈間的葉綠素含量降低；缺素癥狀及其分布規(guī)律的分析結(jié)果為解決如何采集具有代表性的缺素樣本、采用什么技術(shù)在樣本的哪些區(qū)域提取何種缺素特征等元素虧缺診斷中的關(guān)鍵問題指明了方向。
　　 (3)葉綠素含量葉面分布圖檢測。提取120片黃瓜葉片的可見-近紅外高光譜圖像光譜信息，采用區(qū)間偏最小二乘法(iPLS)、聯(lián)合區(qū)間偏最小二乘法(SiPLS)、遺傳算法-區(qū)間偏最小二乘法(GA-iPLS)、遺傳算法-模擬退火算法-區(qū)間偏最小二乘法(GA-

6、SA-iPLS)優(yōu)選了與葉綠素含量相關(guān)的特征區(qū)間(分別為第10、11、13、17、18區(qū)間)，利用主成分分析(PCA)和獨(dú)立分量分析(ICA)提取了入選區(qū)間的光譜特征，并將光譜特征與HPLC檢測得到的葉綠素含量值進(jìn)行關(guān)聯(lián)，建立了葉片高光譜圖像信號與葉綠素含量之間的對應(yīng)關(guān)系(Rp=0.8769，RMSEP=2.42mg/g)；依次將高光譜圖像中每個像素點(diǎn)的光譜代入葉綠素含量回歸模型中計(jì)算出每個像素點(diǎn)對應(yīng)的葉綠素含量值，得到了葉片葉綠素含量

7、的葉面分布圖。該葉綠素含量分布圖解決了化學(xué)分析方法、光譜分析法難以檢測整個葉面上葉綠素含量分布的難題。
　　 (4)基于葉綠素含量葉面分布的N、K和Mg元素虧缺診斷。檢測了對照組葉片、N元素虧缺葉片、K元素虧缺葉片和Mg元素虧缺葉片的葉綠素含量葉面分布圖；根據(jù)葉綠素含量葉面分布規(guī)律提出了N、K和Mg元素虧缺診斷新方法，對N、K和Mg元素虧缺診斷率分別為97％、90％、90％。新方法克服了化學(xué)診斷方法速度慢、破壞檢測對象的缺點(diǎn)，彌

8、補(bǔ)了光譜診斷法重現(xiàn)性差、準(zhǔn)確度低及信息獲取不全面的不足。
　　 (5)基于近紅外高光譜圖像的P元素虧缺診斷。采集了對照組葉片、P元素虧缺葉片的近紅外高光譜圖像，分別采用PCA和ICA提取了近紅外高光譜圖像的特征圖像；結(jié)果表明第1獨(dú)立分量圖像能夠有效的表征P元素虧缺引起的缺素癥狀，同時(shí)近紅外高光譜圖像結(jié)合ICA能夠提取肉眼不可見的輕微P元素虧缺癥狀。采用該方法對30片P元素虧缺葉片和30片對照組葉片進(jìn)行了診斷，診斷率為98％。