高光譜成像技術在煙草行業的應用

高光譜成像技術在煙草行業的應用

0. 引言

高光譜遙感是指在紫外
、可見光
、近(jin)紅(hong)外(wai)等(deng)電(dian)磁(ci)波(bo)譜(pu)範(fan)圍(wei)內(nei)，從(cong)探(tan)測(ce)目(mu)標(biao)上(shang)獲(huo)取(qu)若(ruo)幹(gan)非(fei)常(chang)窄(zhai)且(qie)光(guang)譜(pu)連(lian)續(xu)數(shu)據(ju)的(de)技(ji)術(shu)。所(suo)獲(huo)得(de)的(de)光(guang)譜(pu)數(shu)據(ju)其(qi)中(zhong)包(bao)含(han)了(le)大(da)量(liang)的(de)光(guang)譜(pu)反(fan)射(she)率(lv)原(yuan)始(shi)數(shu)據(ju)信(xin)息(xi)，如(ru)果(guo)加(jia)上(shang)原(yuan)始(shi)光(guang)譜(pu)反(fan)射(she)率(lv)的(de)導(dao)數(shu)（一階導數 
、二階導數）、對數變換、高光譜特征參數等
，信息量就可以增加更多，因此，高光譜技術得到了廣泛的應用和快速的發展。前人已經對高光譜遙感技術在水稻、大豆、xiaomaidengnongzuowuzhongdeyingyongyoulejiaoweishenrudeyanjiu。jinjinianlai，yuelaiyueduodeyancaoyanjiuzhemenjiangmuguangzhuanxianglegaoguangpujishu

，tamenliyonggaoguangpujishudechulebutongyinsuyingxiangyancaoguangputezhengdebianhuaguilv
，tongshishaixuanchuyixiejiancecanshu，bingjianlilexiangyingdegusuanmoxing。yancaoshenghuacanshuzhuyaobaokuoyou：水分、色素、糖
、N、P、K
、煙堿和微量元素。在農業遙感信息模型研究、作物冠層光譜、葉片光譜、生物物理參數的提取與反演、作物長勢監測等方麵 
，高光譜技術都得到了較快發展。近年來 ，高光譜技術在煙草上的研究和應用也進入了快速發展的階段，並且得到了較多的應用，其中也包括了在生化參數方麵的研究。Tomasdengdeyanjiufaxianyancaozaiquedanshikejianguangboduandefanshelvhuizengjia
，tongshiguangpufanshelvhuisuizheyelvsuheleihuluobusuhanliangdezengjiaerjiangdi。jianlilesesuhanlianggucemoxing。liudashuangdengduiganranbutongchengduhuayebingdekaoyanguangpujinxingxianxinghefeixianxingnihegucekaoyanyelvsuhanliang。suyongshidengfenxilebutongshidanshuipingxiayancaoguancengguangputezheng。bingtanjiuleguangpuyuyemianjizhishu、葉綠素含量間的相關性。研究表明，利用所建立的估測模型快速監測煙草的生長狀況 ，及時指導煙草田間管理是可行的。王建偉等將煙草葉片的高光譜反射率、冠層光譜反射率、烘(hong)烤(kao)後(hou)葉(ye)片(pian)的(de)光(guang)譜(pu)反(fan)射(she)率(lv)與(yu)化(hua)學(xue)指(zhi)標(biao)以(yi)及(ji)香(xiang)氣(qi)指(zhi)標(biao)進(jin)行(xing)了(le)相(xiang)關(guan)分(fen)析(xi)
，建(jian)立(li)了(le)相(xiang)應(ying)的(de)光(guang)譜(pu)估(gu)測(ce)模(mo)型(xing)。筆(bi)者(zhe)著(zhe)重(zhong)討(tao)論(lun)近(jin)年(nian)來(lai)利(li)用(yong)高(gao)光(guang)譜(pu)遙(yao)感(gan)技(ji)術(shu)手(shou)段(duan)監(jian)測(ce)煙(yan)草(cao)生(sheng)化(hua)參(can)數(shu)的(de)成(cheng)果(guo)與(yu)方(fang)法(fa)的(de)研(yan)究(jiu)進(jin)展(zhan)，同(tong)時(shi)展(zhan)望(wang)未(wei)來(lai)高(gao)光(guang)譜(pu)遙(yao)感(gan)在(zai)煙(yan)草(cao)方(fang)麵(mian)的(de)發(fa)展(zhan)趨(qu)勢(shi)。

1.　煙草的光譜特征以及不同因素對其的影響

煙草具有綠色植被的典型光譜特征，這是由其細胞結構、化學成分和形態學特征決定的。煙草的光譜特征受光照
、水分、肥料
、品種類型、生育時期
、煙葉部位
、病蟲害等因素的影響。

1.1 光照對煙草光譜特征的影響

guangzhaoshizhiwushengchangfayudebixutiaojianzhiyi
，weizhiwujinxingguanghezuoyongtigongnengliang。guangzhaoqiangduheguangzhitiaojiandouhuiduiyancaodeguangputezhengchanshengmingxianyingxiang。jiafangfangyiyunyan87為實驗材料進行研究發現：在不同遮陰條件下，葉片的光譜反射率隨著遮陰程度增加而逐漸降低，在可見光（350-700nm）和近紅外光（750-1000nm）範fan圍wei表biao現xian更geng為wei明ming顯xian。趙zhao文wen在zai對dui中zhong部bu葉ye的de研yan究jiu中zhong也ye得de出chu了le類lei似si結jie論lun。邢xing雪xue霞xia研yan究jiu發fa現xian不bu同tong光guang質zhi條tiao件jian對dui烤kao煙yan光guang譜pu曲qu線xian的de影ying響xiang不bu大da
，但dan顯xian著zhu影ying響xiang了le烤kao煙yan的de光guang譜pu反fan射she率lv
，葉ye片pian光guang譜pu與yu冠guan層ceng光guang譜pu的de反fan射she率lv均jun以yi白bai膜mo表biao現xian最zui優you。

1.2　水分對煙草光譜特征的影響

水shui分fen對dui烤kao煙yan的de生sheng長chang發fa育yu及ji品pin質zhi都dou有you重zhong要yao的de影ying響xiang，水shui分fen因yin素su對dui烤kao煙yan內nei外wai部bu理li化hua性xing狀zhuang產chan生sheng直zhi接jie影ying響xiang
，這zhe間jian接jie影ying響xiang了le烤kao煙yan的de光guang譜pu特te征zheng。煙yan草cao葉ye片pian的de紅hong邊bian特te征zheng受shou水shui分fen影ying響xiang明ming顯xian，在zai整zheng個ge生sheng育yu期qi內nei
，隨sui著zhe土tu壤rang水shui分fen減jian少shao，烤kao煙yan葉ye片pian紅hong邊bian位wei 置 向 長波方向移動，紅移現象顯著；zaishengenqihewangchangqi
，yepianhongbianfuzhihehongbianmianjisuiturangshuifenzengjiafashenghongyixianxiang，chengshuqizesuiturangshuifenzengjiafashenglanyixianxiang。yanjiubiaoming
，butongshuifentiaojianxiadekaoyanyepianheguancengguangpufanshelvjiancunzaixianzhuchayi
，suizheturanghanshuiliangdezengjiaguancenghongbianyijieweifenguangpude“雙峰”現象愈加顯著。

1.3　肥料對煙草光譜特征的影響

氮磷鉀被稱為煙草生長發育的3要yao素su
，它ta們men是shi煙yan草cao中zhong眾zhong多duo化hua合he物wu的de組zu成cheng成cheng分fen
，與yu煙yan草cao體ti內nei的de多duo種zhong生sheng理li生sheng化hua過guo程cheng密mi切qie相xiang關guan，直zhi接jie影ying響xiang煙yan草cao葉ye片pian內nei外wai部bu的de理li化hua性xing狀zhuang。研yan究jiu發fa現xian，在zai可ke見jian光guang範fan圍wei內nei

，烤kao煙yan葉ye片pian和he冠guan層ceng的de光guang譜pu反fan射she隨sui施shi氮dan量liang的de增zeng加jia而er降jiang低di，這zhe是shi由you於yu隨sui著zhe施shi氮dan量liang的de增zeng加jia葉ye片pian色se素su含han量liang增zeng加jia，導dao致zhi葉ye片pian對dui光guang的de吸xi收shou增zeng強qiang；在(zai)近(jin)紅(hong)外(wai)光(guang)範(fan)圍(wei)內(nei)
，烤(kao)煙(yan)葉(ye)片(pian)和(he)冠(guan)層(ceng)的(de)光(guang)譜(pu)反(fan)射(she)隨(sui)施(shi)氮(dan)量(liang)的(de)增(zeng)加(jia)而(er)增(zeng)加(jia)，這(zhe)是(shi)由(you)於(yu)隨(sui)著(zhe)施(shi)氮(dan)量(liang)增(zeng)加(jia)葉(ye)片(pian)細(xi)胞(bao)變(bian)大(da)
，細(xi)胞(bao)間(jian)隙(xi)變(bian)大(da)

，細(xi)胞(bao)壁(bi)水(shui)化(hua)度(du) zenggao

，daozhiguangzaiyepianzuzhixibaoneijinxingleduocifanshe。shidanliangtongshihuiduikaoyanyepiandehongbianweizhichanshengyingxiang。suizheshidanliangdezengjia，tongyishengyushiqineigebuweiyepiandehongbianweizhijunfasheng“紅移”現象。呂小娜研究認為，隨著施氮量的增加，烤煙冠層一階導數光譜呈現向長波方向移動的趨勢
，“雙峰”現象愈加顯著
，烤煙冠層紅邊位置變化不明顯，但紅邊麵積與紅邊幅值呈增加趨勢。李向陽等研究表明，隨著 供鉀水平的增加
，烤煙葉片光譜反射率呈降低趨勢
，在綠光波段尤其明顯。國內關於磷素對煙草光譜特征影響的研究較少，李向陽以NC89為研究材料發現 在可見光範圍內冠層反射率隨施磷量的增加而降低。在其他作物如冬小麥、春玉米中磷對光譜特征的影響已經得一定的研究成果，我們可以借鑒這些研究成 果，彌補煙草這一方麵研究的欠缺。

1.4　不同類型和品種煙草光譜特征的差異 

不bu同tong類lei型xing和he品pin種zhong的de煙yan草cao具ju有you不bu同tong的de遺yi傳chuan特te征zheng
，這zhe決jue定ding了le生sheng長chang過guo程cheng中zhong煙yan草cao葉ye片pian的de生sheng理li生sheng化hua特te征zheng和he化hua學xue物wu質zhi含han量liang等deng方fang麵mian會hui有you所suo差cha異yi，導dao致zhi煙yan草cao的de光guang譜pu特te征zheng不bu同tong。劉liu國guo順shun等deng通tong過guo研yan究jiu白bai肋lei煙yan、烤煙、香料煙3種(zhong)煙(yan)草(cao)的(de)冠(guan)層(ceng)光(guang)譜(pu)特(te)征(zheng)發(fa)現(xian)，在(zai)綠(lv)光(guang)波(bo)段(duan)和(he)近(jin)紅(hong)外(wai)範(fan)圍(wei)內(nei)，白(bai)肋(lei)煙(yan)的(de)冠(guan)層(ceng)反(fan)射(she)率(lv)最(zui)大(da)，烤(kao)煙(yan)次(ci)之(zhi)
，香(xiang)料(liao)煙(yan)最(zui)小(xiao)。李(li)向(xiang)陽(yang)通(tong)過(guo)研(yan)究(jiu)對(dui)此(ci)進(jin)行(xing)了(le)解(jie)釋(shi)，在(zai)綠(lv)光(guang)範(fan)圍(wei)內(nei)反(fan)射(she)率(lv)主(zhu)要(yao)受(shou)葉(ye)綠(lv)素(su)含(han)量(liang)的(de)影(ying)響(xiang)
，白(bai)肋(lei)煙(yan)葉(ye)片(pian)呈(cheng)淺(qian)綠(lv)色(se)，葉(ye)脈(mai)發(fa)白(bai)，葉(ye)綠(lv)素(su)含(han)量(liang)低(di)，因(yin)此(ci)反(fan)射(she)率(lv)最(zui)大(da)
；烤煙和香料煙葉片均呈綠色
，但由於香料植株矮小、種植密度大造成儀器視場範圍內葉綠素含量高，故而烤煙反射率大於香料煙。李佛琳研究這3種煙草的葉片反射率發現，在可見光波段和近紅外波段，白肋煙葉反射率均大於另外兩種類型的煙草；zaikejianguangboduannei，xiangliaoyanyepianfanshelvdayukaoyan，erzaijinhongwaiboduanneizeshikaoyandayuxiangliaoyan。butongpinzhongyancaodeguangputezhengyecunzaichayi

，qianrenzhuyaoyanjiulebutongpinzhongkaoyandeguangputezhengchayi。yinquanyudengyanjiubaodao，zaikejianguangfanweinei，zhongyan101葉片的光譜反射率大於雲煙87
，而在近紅外範圍內則反之。李向陽對NC89
、K326、雲煙85、慶勝2號4個烤煙品種進行研究發現，在可見光範圍內
，４個品種的冠層光譜反射率間差異不大；在近紅外範圍內，NC89>K326>雲煙85>慶勝2號。

1.5　不同生育時期煙草光譜特征的差異

隨sui著zhe煙yan草cao生sheng育yu期qi的de推tui移yi，煙yan草cao冠guan層ceng和he葉ye片pian的de反fan射she率lv存cun在zai顯xian著zhu差cha異yi。隨sui著zhe生sheng育yu期qi的de推tui移yi
，在zai可ke見jian光guang波bo段duan葉ye片pian光guang譜pu反fan射she率lv增zeng加jia，主zhu要yao是shi由you葉ye片pian葉ye綠lv素su含han量liang以yi及ji水shui分fen含han量liang減jian少shao引yin起qi的de。移yi栽zai後hou，煙yan株zhu根gen係xi迅xun速su生sheng長chang、葉片伸展，葉片單位麵 積內葉綠素含量減少
；進入旺長期
，葉片內葉綠素含量進一步降低，水分含量 減少；進入成熟期，大量的葉綠素在此時被分解破壞；這(zhe)一(yi)係(xi)列(lie)的(de)變(bian)化(hua)導(dao)致(zhi)葉(ye)片(pian)在(zai)可(ke)見(jian)光(guang)波(bo)段(duan)紅(hong)區(qu)和(he)藍(lan)區(qu)的(de)吸(xi)收(shou)不(bu)斷(duan)減(jian)少(shao)，最(zui)終(zhong)造(zao)成(cheng)反(fan)射(she)率(lv)增(zeng)加(jia)。而(er)在(zai)近(jin)紅(hong)外(wai)光(guang)波(bo)段(duan)葉(ye)片(pian)光(guang)譜(pu)反(fan)射(she)率(lv)的(de)增(zeng)加(jia)則(ze)主(zhu)要(yao)是(shi)由(you)葉(ye)片(pian)細(xi)胞(bao)結(jie)構(gou)的(de)變(bian)化(hua)引(yin)起(qi)的(de)，隨(sui)著(zhe)生(sheng)育(yu)時(shi)期(qi)的(de)推(tui)移(yi)，煙(yan)葉(ye)生(sheng)長(chang)葉(ye)片(pian)組(zu)織(zhi)細(xi)胞(bao)結(jie)構(gou)逐(zhu)漸(jian)充(chong)實(shi)，葉(ye)肉(rou)細(xi)胞(bao)之(zhi)間(jian)的(de)間(jian)隙(xi)擴(kuo)大(da)

，折(zhe)射(she)率(lv)的(de)急(ji)劇(ju)變(bian)化(hua)導(dao)致(zhi)反(fan)射(she)麵(mian)數(shu)目(mu)增(zeng)加(jia)，最(zui)終(zhong)導(dao)致(zhi)近(jin)紅(hong)外(wai)波(bo)段(duan)反(fan)射(she)率(lv)增(zeng)加(jia)。

1.6　煙草葉位的光譜特征差異

同一植株煙草不同部位葉片的光譜反射率存在較大的差異。在可見光內，煙葉的光譜反射率為下部葉>中部葉>shangbuye，zaijinhongwaiguangboduanneizexiangfan。zheshiyouyuzaikejianguangboduanneichuyuzhizhushangbudeyanyejileideyelvsujiaoshaodeyuangu
，erjinhongwaiboduanneidechayizhuyaoshiyouyubutongbuweiyanyedexibaojiegoubutongzaochengde，yueshangbudeyanyexibaojiegouzuzhiyuezhimi，erxibaopailieyuejinmizeguangpufanshelvyuegao。lingwai，tongyiyepiandebutongbuweideguangpufanshelvyecunzaichayi。lifolinyanjiubiaoming，zailvguangboduannei，yepiandeguangpufanshelvcongyejidaoyejian、從中心到邊緣逐漸增加。

1.7　病蟲害對煙草光譜特征的影響

病蟲害對煙草的危害主要有兩種形式：外部形態上的變化和內部生理效應 的(de)改(gai)變(bian)。這(zhe)些(xie)變(bian)化(hua)都(dou)勢(shi)必(bi)會(hui)引(yin)起(qi)煙(yan)草(cao)光(guang)譜(pu)特(te)征(zheng)的(de)變(bian)化(hua)

，在(zai)紅(hong)區(qu)和(he)近(jin)紅(hong)外(wai)區(qu)表(biao)現(xian)尤(you)為(wei)明(ming)顯(xian)。王(wang)梅(mei)研(yan)究(jiu)發(fa)病(bing)煙(yan)草(cao)的(de)高(gao)光(guang)譜(pu)特(te)征(zheng)時(shi)發(fa)現(xian)
，感(gan)染(ran)病(bing)害(hai)煙(yan)草(cao)的(de)病(bing)葉(ye)和(he)冠(guan)層(ceng)光(guang)譜(pu)反(fan)射(she)率(lv)均(jun)明(ming)顯(xian)低(di)於(yu)健(jian)康(kang)煙(yan)草(cao)，隨(sui)著(zhe)病(bing)害(hai)程(cheng)度(du)的(de)增(zeng)加(jia)，在(zai)整(zheng)個(ge)生(sheng)育(yu)期(qi)內(nei)煙(yan)草(cao)病(bing)葉(ye)光(guang)譜(pu)的(de)紅(hong)邊(bian)位(wei)置(zhi)發(fa)生(sheng)了(le)“藍移”現象，而煙草冠層的光譜位置則發生了“紅移”現象。劉大雙等報道稱NC89被煙草花葉病毒侵染後，烤煙受脅迫失綠，綠峰位置向紅光方向偏移而紅邊位置向藍光偏移
，且接種TMV病毒後在 肉眼觀察不到病害葉片明顯症狀時

，葉片的光譜特征曲線已發生改變
，可用高光譜進行診斷。喬紅波等研究不同數量煙蚜對中煙101光譜特征的影響時發現，同健康葉片相比
，輕度、中度和重度受害葉片的光譜反射率在綠光波段分別下降了12%、27%、52%，在近紅外波段分別下降了15%
、20%

、38%。

研究展望

    研究表明，光照、水肥因素、品種類型、生育時期等都對煙草光譜特征存在一定的影響，利用高光譜技術可以對煙草的長勢
、養分狀況
、煙葉的產量和品質進行較為準確的診斷和監測
，具有廣闊的應用前景。目(mu)前(qian)，高(gao)光(guang)譜(pu)技(ji)術(shu)在(zai)煙(yan)草(cao)中(zhong)開(kai)展(zhan)了(le)更(geng)加(jia)廣(guang)泛(fan)的(de)研(yan)究(jiu)，提(ti)出(chu)了(le)一(yi)係(xi)列(lie)的(de)監(jian)測(ce)和(he)估(gu)算(suan)模(mo)型(xing)，但(dan)是(shi)由(you)於(yu)每(mei)種(zhong)模(mo)型(xing)都(dou)有(you)特(te)定(ding)的(de)研(yan)究(jiu)方(fang)法(fa)和(he)適(shi)用(yong)條(tiao)件(jian)，很(hen)難(nan)找(zhao)到(dao)通(tong)用(yong)的(de)模(mo)型(xing)，因(yin)此(ci)還(hai)需(xu)要(yao)建(jian)立(li)更(geng)加(jia)全(quan)麵(mian)和(he)更(geng)大(da)規(gui)模(mo)的(de)樣(yang)本(ben)參(can)數(shu)進(jin)行(xing)修(xiu)正(zheng)，以(yi)降(jiang)低(di)實(shi)際(ji)生(sheng)產(chan)中(zhong)的(de)等(deng)級(ji)分(fen)類(lei)

、品種類型、生(sheng)態(tai)條(tiao)件(jian)和(he)栽(zai)培(pei)管(guan)理(li)的(de)差(cha)異(yi)。今(jin)後(hou)煙(yan)草(cao)高(gao)光(guang)譜(pu)技(ji)術(shu)的(de)研(yan)究(jiu)要(yao)著(zhe)重(zhong)完(wan)善(shan)和(he)擴(kuo)充(chong)煙(yan)草(cao)光(guang)譜(pu)數(shu)據(ju)庫(ku)，加(jia)強(qiang)高(gao)光(guang)譜(pu)相(xiang)關(guan)數(shu)據(ju)的(de)采(cai)集(ji)和(he)挖(wa)掘(jue)
，並(bing)加(jia)強(qiang)與(yu)GIS、GPS技術的結合應用，推動高光譜技術在煙草中的應用。