基于光谱的烟草生长与品质监测研究

论文摘要

利用光谱无损技术进行作物生长状况的实时监测和快速诊断是遥感和信息农学的一个重要课题，具有重要的理论和实践意义。本研究将高光谱手段应用到烟草，在中国主产烟区河南郑州和云南保山进行了烤烟、香料烟两种类型的不同氮肥供应田间试验，使用ASD Fieldspec FR2500光谱仪从田间鲜烟叶单叶水平和冠层两个尺度获取光谱数据，并对成熟鲜烟叶进行了室内光谱测定。分析了烟草光谱与生物物理化学指标之间的关系，旨在筛选烟草光谱与其生化组分之间最佳预测方法，为利用定量遥感技术监测烟草叶片生化组分、遥感品质监测等提供理论依据，为烟叶品质快速无损监测的应用奠定基础。 首先系统分析了烟草的光谱特性及其影响因素。烟草具有典型的植物反射特征。烟草叶片光谱因施氮因素、烟草类型、测定时期、叶位、叶面、干鲜叶等因素而异。烤烟烟叶室外反射光谱在可见和近红外等波段范围内的变异系数为32.8～58.7％。叶片的反射率，白肋烟类型在可见光、近红外波段都大于香料烟和烤烟。烤烟叶片反射率表现为上部叶＞中部叶＞下部叶。烤烟同一叶片的8个部位反射率光谱有差异、烤烟烟叶正反面反射率不同、烘烤过的烟叶光谱反射率大于鲜烟叶。随施氮水平的增加，烤烟叶片及香料烟冠层反射光谱均表现为可见光区的反射率逐渐降低，而近红外波段的反射率逐渐升高的趋势。光谱信息包含了许多因素及其相互影响，这些结果为烟草光谱监测的进一步研究提供了理论基础。 系统分析了田间不离体条件下烟叶光谱与烟叶化学品质指标之间的相关关系，筛选出一些与烟叶氮、烟碱、总糖、钾含量的显著相关的光谱参量，建立了相应的光谱诊断模型。其中氮反射指数NRI与叶片氮含量在各个测定时期都稳定一致的达到显著相关，两者决定系数(R~2)达0.703。由于总糖、还原糖、烟碱、钾各个测定时期的变化较大，分时期建立了总糖，烟碱、钾的估算模型，但是没有适合的还原糖估算模型。田间不离体条件下光谱方法诊断氮、钾含量品质指标最好，其次是烟碱和总糖。总体上田间不离体光谱方法模型的决定系数中等，可以满足一定精度要求下的需要。 在明确香料烟叶面积指数、叶片产量、生化品质指标变化的基础上，通过大量光谱参量的相关分析，建立了香料烟生长指标和主要化学品质指标的冠层光谱预测模型。各个测定时期各种生长和化学品质指标与冠层反射率的相关性变化较大。采用选用的光谱参量及综合性群体指标，光谱与生物物理化学参量的相关关系得到加强。结构性指标和功能性指标各个阶段均有稳定一致性的显著相关的光谱指数，而成分性指

论文目录

• 原创性声明
• 学位论文版权使用授权书
• 目录
• 摘要
• 第一章 引言
• 1 国内外研究进展
• 1.1 烟叶质量研究进展
• 1.2 氮素营养与烟草品质研究进展
• 1.3 烟草养分状况的诊断方法研究进展
• 1.3.1 烟草组织成分诊断方法及指标
• 1.3.2 烟叶成熟度判断
• 1.4 基于光谱的作物养分无损测试技术
• 1.4.1 近红外分析在烟草品质分析上的应用进展
• 1.4.2 便携式叶绿素仪
• 1.5 遥感光谱诊断植物组分及作物品质进展
• 1.5.1 植物养分光谱诊断原理
• 1.5.2 作物品质遥感预测进展
• 1.6 遥感技术在烟草上的应用进展
• 2 本研究的目的与意义
• 第二章 技术路线与研究方法
• 1 研究思路与技术路线
• 2 材料与方法
• 2.1 试验设计
• 2.2 数据获取方法
• 2.2.1 光谱数据测定
• 2.2.2 烟草生理生化指标测定
• 2.2.2.1便携式叶绿素计值
• 2.2.2.2叶绿素和类胡萝卜素测定
• 2.2.2.3比叶重
• 2.2.2.4 烟草化学成分测定
• 2.3 数据分析
• 2.3.1 光谱数据的预处理
• 2.3.2 光谱数据的选用
• 2.3.2.1 基于红边、蓝边、黄边、绿峰反射率特征和红光吸收谷参数光谱指数
• 2.3.2.2高光谱数据的导数变换
• 2.3.2.3光谱反射和吸收特征参数
• 2.3.2.4归一化光谱指数
• 2.3.2.5典型植被指数
• 2.3.3 相关和回归分析
• 第三章 烟草光谱特征
• 1 材料与方法
• 2 结果与分析
• 2.1 烟草冠层与田间背景的光谱特征比较
• 2.2 烟叶的光谱特性
• 2.2.1 烤烟鲜烟叶反射率的总体描述
• 2.2.1 烤烟鲜烟叶光谱吸收特征
• 2.2 烟草类型、叶位、部位、叶面等几个因素的光谱响应
• 2.2.1 烟草类型的光谱变化
• 2.2.2 烤烟叶片部位的光谱变化
• 2.2.3 叶位对反射率光谱的影响
• 2.2.4 烤烟茎的光谱特征
• 2.2.5 烟草叶片正反面光谱反射特征
• 2.2.6 鲜、干烟叶的光谱比较
• 2.3 烟草反射光谱对不同氮素水平的响应
• 2.3.1 烤烟叶片反射光谱对不同氮素水平的响应
• 2.3.2 香料烟冠层反射光谱对不同氮素水平的响应
• 2.4 不同时相的烟草反射光谱
• 2.4.1 不同时相的烤烟叶片反射光谱特征
• 2.4.2 不同时相的香料烟冠层反射光谱特征
• 3 小结与讨论
• 第四章 田间单叶水平的烤烟鲜叶品质光谱诊断
• 1 材料与方法
• 1.1 田间试验设计
• 1.2 取样和测定项目
• 1.2.1 田间叶片光谱测定
• 1.2.2 烟叶主要化学成分的测定
• 1.3 数据分析
• 2 结果与分析
• 2.1 烟叶化学品质指标之间的相关性
• 2.2 叶片中氮含量的光谱诊断
• 2.2.1 叶片中氮含量的状况
• 2.2.2 叶片氮含量与反射率
• 2.2.3 叶片氮含量与反射率衍生光谱参数
• 2.2.4 叶片氮含量的估算模型
• 2.3 叶片总糖、还原糖含量的光谱诊断
• 2.3.1 叶片总糖、还原糖含量的状况
• 2.3.2 叶片总糖、还原糖含量与反射率
• 2.3.3 叶片总糖、还原糖含量与衍生反射率光谱参数
• 2.3.4 叶片总糖、还原糖含量的估算模型
• 2.4 叶片中烟碱含量的光谱诊断
• 2.4.1 叶片烟碱含量的状况
• 2.4.2 叶片烟碱含量与反射率
• 2.4.3 叶片烟碱与衍生反射率光谱参数
• 2.4.4 叶片烟碱的估算模型
• 2.5 叶片钾含量的光谱诊断
• 2.5.1 叶片钾含量的状况
• 2.5.2 叶片钾含量与反射率
• 2.5.3 叶片钾含量与衍生反射率光谱
• 2.5.4 叶片钾含量的估算模型
• 3 小结与讨论
• 第五章 基于冠层反射光谱的香料烟生长与品质监测
• 1 材料与方法
• 1.1 试验设计
• 1.2 测定项目和方法
• 1.3 数据分析方法
• 2 结果与分析
• 2.1 香料烟生物物理化学参量总体状况及指标之间的相关性
• 2.1.1 香料烟生物物理参数的总体描述
• 2.1.2 香料烟生物物理参数及其相关性
• 2.2 叶面积指数与冠层反射率光谱特征的关系
• 2.2.1 不同氮素水平下叶面积指数随生育期的变化
• 2.2.2 叶面积指数与冠层高光谱反射率的统计相关系数
• 2.2.3 叶面积指数与冠层光谱特征的相关分析
• 2.2.4 叶面积指数与冠层光谱参量的估算模型
• 2.3 香料烟烟叶重与冠层反射光谱特征的关系
• 2.3.1 不同氮素水平下香料烟叶干重随生育期的变化规律
• 2.3.2 叶片干重与冠层高光谱反射率的关系
• 2.3.3 叶产量积累量与冠层高光谱指数的关系
• 2.3.4 叶产量积累量的冠层高光谱指数估算方程
• 2.4 基于冠层反射光谱的香料烟氮素状况监测
• 2.4.1 不同施氮水平下的叶片氮素状况
• 2.4.2 叶片氮与冠层反射光谱的关系
• 2.4.3 叶片氮与光谱参量的相关关系
• 2.4.4 叶片氮的光谱估算模型
• 2.5 基于冠层光谱的总糖监测
• 2.5.1 不同施氮水平下的叶片总糖状况
• 2.5.2 总糖与光谱反射率的统计相关系数
• 2.5.3 总糖与光谱特征的统计相关分析
• 2.5.4 总糖密度的光谱估算模型
• 2.6 基于冠层光谱的烟碱监测
• 2.6.1 不同施氮水平下的叶片烟碱状况
• 2.6.2 烟碱与光谱反射率的统计相关系数
• 2.6.3 烟碱与光谱特征的统计相关分析
• 2.7 基于冠层光谱的钾监测
• 2.7.1 不同施氮水平下的叶片钾状况
• 2.7.2 钾与光谱反射率的统计相关系数
• 2.7.3 钾与光谱特征的统计相关分析
• 2.7.4 钾的光谱估算模型
• 3 小结与讨论
• 第六章 烤烟成熟鲜烟叶生化组分高光谱估算
• 1 材料与方法
• 1.1 试验设计
• 1.2 取样方法
• 1.3 测定方法
• 1.3.1 烟叶光谱数据测定
• 1.3.2 烟叶生理生化指标的测定
• 1.4 数据分析方法
• 2 结果与分析
• 2.1 成熟期鲜烟叶生化组分与反射率光谱总体描述
• 2.2 与生化组分最强相关性单波段的确定
• 2.3 与生化组分最强相关性光谱指数的确定
• 小结与讨论
• 第七章 基于光谱的烤烟鲜烟叶成熟度判别
• 1 材料与方法
• 1.1 田间试验设计与数据获取
• 1.1.1 不同成熟度烤烟鲜烟叶的光谱特性及其判别分析
• 1.1.2 基于SPAD值的烤烟鲜烟叶成熟度量化试验设计
• 1.2 测定项目与方法
• 1.2.1 烟叶光谱数据测定
• 1.2.2 烟叶SPAD值测定
• 1.2.3 生化成分测定
• 1.3 数据分析
• 1.3.1 方差分析ANOVA、F测验和多重比较
• 1.3.2 判别分析
• 2 结果与分析
• 2.1 不同成熟度烤烟鲜烟叶的光谱特性及其判别分析
• 2.1.1 不同成熟度鲜烟叶生化组分
• 2.1.2 不同成熟度鲜烟叶的光谱特性
• 2.1.3 基于光谱反射率的不同成熟度烤烟鲜烟叶的判别分析
• 2.2 基于SPAD值的烤烟鲜烟叶成熟度量化
• 2.2.1 不同成熟度鲜烟叶的叶绿体色素含量
• 2.2.2 SPAD读数与烟叶叶绿素含量的关系
• 2.2.3 叶绿素计读数与烟叶不同成熟度关系模型TMDSPADV的描述
• 2.2.4 TMDSPADV烟叶成熟度模型的检验
• 3 小结与讨论
• 第八章 讨论与结论
• 1 讨论
• 1.1 高光谱分析技术
• 1.2 烟草冠层光谱生长与品质监测
• 1.3 生物试验的特点
• 1.4 生物物理参量之间的相关性
• 1.5 今后的研究设想
• 2 结论
• ABSTRACT
• 附录
• 致谢