基于低成本RGB相機(jī)和近紅外相機(jī)的作物葉片葉綠素含量估測(cè)方法比較研究

1、    基于低成本rgb相機(jī)和近紅外相機(jī)的作物葉片葉綠素含量估測(cè)方法比較研究    王志超 王建軍 戴曉宇 戴琪星 葛皓 孫全摘要：水稻、小麥等作物的葉片葉綠素含量與其最終產(chǎn)量密切相關(guān)。本文綜述了幾種常用的葉綠素含量測(cè)定方法，分析了化學(xué)分析法、spad-502葉綠素儀、高光譜分析法等方法的利弊，并重點(diǎn)介紹和探討了近年來(lái)日益獲得關(guān)注的通過(guò)低成本rgb相機(jī)和近紅外相機(jī)估測(cè)作物葉片葉綠素含量的新方法。rgb相機(jī)和近紅外相機(jī)估測(cè)葉綠素含量的精度與spad-502葉綠素儀和高光譜儀等專業(yè)設(shè)備相當(dāng)，而且具有低成本、操作簡(jiǎn)單且便于攜帶的優(yōu)勢(shì)，具有良好的應(yīng)用前景。關(guān)鍵詞

2、：rgb相機(jī)；近紅外相機(jī)；作物葉片；葉綠素含量： s511 ： a doi編號(hào)： 10.14025/ki.jlny.2018.24.031葉綠素含量能反映作物體內(nèi)的氮素營(yíng)養(yǎng)水平，兩者密切相關(guān)。氮素營(yíng)養(yǎng)水平對(duì)作物生長(zhǎng)發(fā)育進(jìn)程影響顯著，能夠直接反映植被營(yíng)養(yǎng)狀況及代謝，進(jìn)而直接影響作物最終產(chǎn)量。化學(xué)分析法是傳統(tǒng)的葉綠素含量測(cè)定方法。例如，王得賢、陳福明等通過(guò)arnon法和混合液法，以試驗(yàn)田采樣、實(shí)驗(yàn)室分析的方式測(cè)定葉綠素（chl）含量。但是該方法要求剪取葉片樣本，具有破壞性，而且實(shí)踐表明化學(xué)分析法存在效率低及操作難度大等缺點(diǎn)，不適宜大范圍使用。一些非破壞性葉綠素含量測(cè)定方法得到了應(yīng)用。葉綠素測(cè)定儀（

3、spad-502）可以測(cè)量葉綠素相對(duì)含量，能夠減少對(duì)植物葉片的傷害并且實(shí)際操作方便快捷，但其測(cè)量結(jié)果具有局限性，只能代表特定測(cè)量位點(diǎn)，無(wú)法得知葉片整體葉綠素分布情況。高光譜分析法近年來(lái)在作物葉綠素含量測(cè)定上發(fā)揮越來(lái)越重要的作用，研究者可采用fieldspecpro3 光譜儀等儀器，通過(guò)分析高光譜參數(shù)和作物葉片葉綠素含量關(guān)系，建立多個(gè)模型，并從中篩選出最優(yōu)模型作為葉片葉綠素含量估測(cè)模型。但是，高光譜儀不便于攜帶，且成本高昂，不適用于大田試驗(yàn)。因此，探索易操作、低成本、高效率的作物葉片葉綠素含量測(cè)定方法是當(dāng)前的研究趨勢(shì)。近年來(lái)，低成本并便于攜帶的rgb相機(jī)和近紅外相機(jī)開(kāi)始被用于估測(cè)作物葉片葉綠素含

4、量。1 葉綠素含量rgb相機(jī)估測(cè)葉片顏色常用于判斷作物的生長(zhǎng)狀況。隨著低成本rgb數(shù)碼相機(jī)的日益普及，利用rgb相機(jī)成像來(lái)評(píng)價(jià)葉片葉綠素含量更為高效。kawashima等通過(guò)拍攝作物葉片圖像，提?。╮-b）/（r+b）等參數(shù)估算葉綠素含量。jia 等發(fā)現(xiàn)，冬小麥在孕穗期和開(kāi)花期，葉片圖像處理后所得的綠光強(qiáng)度與spad值的相關(guān)關(guān)系極顯著。pagola 等12利用主成分分析法構(gòu)建的顏色參數(shù)ipca ，應(yīng)用于大麥葉片后可估測(cè)其spad讀數(shù)?；谇叭搜芯浚踹h(yuǎn)等改進(jìn)分析方法，提出對(duì)拍攝的圖像采取分割的方式，根據(jù)g、b兩通道差值大小設(shè)定閾值，再?gòu)慕Y(jié)果中獲取特征參數(shù)。通過(guò)這種方法可以更為簡(jiǎn)便地獲得高精度的

5、spad估測(cè)值，具有較好的普適性和應(yīng)用價(jià)值。2 葉綠素含量近紅外相機(jī)估測(cè)使用低成本消費(fèi)級(jí)近紅外相機(jī)可以獲得作物葉片的可見(jiàn)光圖像及近紅外圖像，張建等通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，760nm（近紅外波段）反射率對(duì)水稻葉片spad值的預(yù)測(cè)效果最好。這與武倩雯等在研究玉米葉片葉綠素含量時(shí)所得結(jié)果基本一致。孟晉等通過(guò)對(duì)單反相機(jī)加載近紅外濾波片，獲取水稻多波段三個(gè)通道（r、g、b）光譜信息，發(fā)現(xiàn)r通道與葉綠素含量（spad）值的相關(guān)性最高，以此建立預(yù)測(cè)模型可高精度估測(cè)水稻葉綠素含量。實(shí)驗(yàn)表明，在估測(cè)作物葉片葉綠素含量方面，低成本消費(fèi)級(jí)近紅外相機(jī)與高成本高光譜儀的估測(cè)精度基本相同7。但近紅外相機(jī)操作簡(jiǎn)單、成本低廉的特點(diǎn)使其

6、更具應(yīng)用前景。3結(jié)語(yǔ)通過(guò)對(duì)目前幾種常用的作物葉片葉綠素含量測(cè)量方法的比較，可以看出rgb相機(jī)和近紅外相機(jī)估測(cè)精度與spad-502葉綠素儀和高光譜儀等專業(yè)設(shè)備相當(dāng)，而且具有低成本、操作簡(jiǎn)單且便于攜帶的優(yōu)勢(shì)。隨著數(shù)碼技術(shù)與成像技術(shù)的快速更新?lián)Q代，其應(yīng)用價(jià)值將會(huì)得到更大的提升。參考文獻(xiàn)1程萌，張俊逸，李民贊，等.用于微小型光譜儀的冬小麥抽穗期葉綠素含量診斷模型j.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2017，33（s1）：157-163.2李俊霞，楊俐蘋(píng)，白由路，等.不同品種玉米氮含量與葉片光譜反射率及spad值的相關(guān)性j.中國(guó)土壤與肥料，2015（03）：34-39.3張瀟元，張立福，張霞，王樹(shù)東，田靜國(guó)，翟涌光.不

7、同光譜植被指數(shù)反演冬小麥葉氮含量的敏感性研究j.中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)，2017，50（03）：474-485.4王得賢，李有忠，祁如虎，等.混合液法和arnon法提取葉綠素的比較研究j.青海畜牧獸醫(yī)學(xué)院學(xué)報(bào)，1994，11（02）：24-28.5陳福明，陳順偉.混合液法定葉綠素含量的研究j.林業(yè)科技通訊，1984，（02）：4-8.6趙黎明，解保勝，那永光，等.簡(jiǎn)述spad-502 在水稻及其它作物上應(yīng)用的研究進(jìn)展j.北方水稻，2015，45（01）：72-80.7張建，孟晉，趙必權(quán)，等.消費(fèi)級(jí)近紅外相機(jī)的水稻葉片葉綠素（spad）分布預(yù)測(cè)j.光譜學(xué)與光譜分析，2018，38（03）：737-744.8武倩雯，熊黑鋼，靳彥華，等.基于多個(gè)高光譜參數(shù)的玉米葉片葉綠素含量估測(cè)模型j.干旱地區(qū)業(yè)研究，2016，34（01）： 201-205.9于艷.基于數(shù)碼圖像處理的彩色樣品質(zhì)量評(píng)價(jià)方法研究d.重慶大學(xué)，2012.10武倩雯，熊黑鋼，靳彥華，等.基于近紅外波段玉米葉綠素含量最佳預(yù)測(cè)模型研究j.中國(guó)農(nóng)學(xué)通報(bào)，2015，31（15）：260-264.11孟晉.基于消費(fèi)級(jí)近紅外相機(jī)的水稻葉片葉綠素（spad）分布問(wèn)題研究d.華中農(nóng)業(yè)大學(xué)，2017.12kawashima s， nakatani m. an