基于叶片光谱特性的图像营养检测的基础研究

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通过黄瓜(CucumissativusL.,北京102)的基质栽培进行不同氮素水平的营养液供给处理,利用便携式叶绿素仪对不同生长期的冠层叶片进行相对叶绿素浓度SPAD值检测,随后分别采用CCD数码相机/扫描仪及分光光度计采集离体叶片的数字图像和相对反射率的分光光谱,将叶片干燥粉碎消煮后使用凯氏定氮法精密地测量其全氮含量。通过对黄瓜叶片的光谱/图像特征参数与叶绿素SPAD值和含氮量的相关统计分析得出如下结论:(1)红色、绿色波段的光谱/图像特征参数与叶绿素SPAD值和含氮量之间的相关性较好,但由于图像信息中的红色和绿色灰度值之间的显著线形关系造成了红色和绿色波段的信息重复,因此,相关文献中常用的G/R、(R-G)/(R+G)并不适合用于植物图像营养诊断,R/(G+B)、R/(R+G+B)、R2/(R2+G2+B2)、G2/(R2+G2+B2)的光谱和图像特征参数表达的不一致也限制了其在植物图像营养诊断的直接应用; (2)蓝色波段的光谱/图像特征参数尽管与叶绿素SPAD值和含氮量的相关性不高,但是其相对值B/(R+G)、B/(R+G+B)、B2/(R2+G2+B2)与叶绿素SPAD值和含氮量的相关性却很高,这些蓝色波段的相对值可作为特征参数用于植物图像营养诊断; (3)黄瓜叶片的叶绿素SPAD值与实测的叶绿素浓度和含氮量之间存在者显著的线形关系,因此,可以直接利用该叶绿素SPAD值作为衡量黄瓜叶片的不同营养水平的评价指标; (4)光谱特征参数R、G、R/B、G/B、(R-B)/(R+B)、(G-B)/(G+B)、G/(R+B)、B/(R+G)、R+G+B、(R2+G2+B2)1/2、G/(R+G+B)、B/(R+G+B)、B2/(R2+G2+B2),及其对应的图像特征参数与叶绿素SPAD值和含氮量之间的多元线形回归结果表明,这些光谱/图像特征参数可以直接用于植物图像的营养检测; (5)主成分分析筛选出的光谱特征参数主成分F1、F2和图像特征参数主成分F3、F4与叶绿素SPAD值和含氮量的主成分回归处理尽管可在理论上消除重复信息的影响,却没有改善回归效果。
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