菊花中反射率检测方案(高光谱仪)

浅谈高光谱花卉应用--国家花卉工程技术研究中心进行菊花花色表型和色素成分分析 言 对花色表型和色素成分相关性进行测定可以为花色形成机理的研究提供重要依据。传统的色素成分及含量测定方法一般是化学分析法，虽测定结果直观可靠，但对植物具破坏性，也无法对同一植物材料进行长期的动态监测，且费工费时，成本较高。因此，寻找无损伤、快速、高效的色素测定方法非常重要和必要。近年来，高光谱成像技术快速发展，其可以在光谱维上直接对物体表面进行微弱光谱差异的定量分析，在农业生产中展现了良好的应用前景。高光谱成像技术以其快速、无损和大面积探测等特点，正逐步成为植物色素含量有效估测的重要工具。 菊花是我国的传统名花，也是世界花卉产业中产值和产量均位居前列的著名花卉。对其花色表型分析发现，菊花具有除蓝色系以外的7个色系：白色系、黄色系、橙色系、粉色系、红色系、紫色系和绿色系，以及各种奇异的花色类型，比如双色花、间色花、染瓣花和变色花等。这些多样性的花色表型为我们研究花朵高光谱特征和色素成分及含量的相关性提供了丰富的实验材料。这一研究不仅可以为观赏植物花瓣片中色素种类和含量测定提供一种新的方法，还可以为花卉品种分类和花色改良提供依据。 1 材料与方法 1.|1样品采集 本实验所采用的植物材料来自于北京林业大学菊花品种资源圃。在前期对811个菊花品种进行花色表型分析的基础上，随机选择了9个色系共计160个 菊花纯色品种，其中80个品种为建模数据集，另外80个品种为验证数据集。在2014年11月中旬对处于盛花期的花朵进行采摘。将菊花的整个花头连带约10cm 的花茎一起折下，用脱脂棉对花茎的折断处进行包裹，皮筋包实，立即用水浸湿，轻轻放入充有空气的保鲜袋内，系紧，保证袋内空气形成小空间以防止花头被挤压变形，带回实验室进行花色表型鉴定、高光谱反射值测定和色素成分分析。 1.2测定项目与方法 1.2.1光谱测定 光谱测定采用美国 SOC 公司生产的便携式高光谱成像光谱仪 SOC710VP，光谱范围为400~1000nm。采用230W高光专专用卤素光源(北京安洲科技有限公司)，在一个能控制光照条件的暗室内进行光谱测定。为消除外界干扰以保证精度，每个品种观测记录3个采样光谱，以其平均值作为该品种舌状花的光谱反射值。测定过程中及时进行标准白板校正。 1.2.2花色表型测定 使用色差仪(NF333，Nippon Denshoku IndustriesCo. Ltd. ，Japan)在光源C/2 毅条件下测量舌状花的颜色。每个品种取5个不同的单株，每个单株测量5次，取平均值代表头状花序颜色。参照洪艳等的方法，根据花色表型测定数据划分菊花品种的不同色系。 1.2.3舌状花色素种类和含量测定 利用紫外--可见分光光度计分别测定舌状花总花青素、总类胡萝卜素、总叶绿素含量。 1.2.4色素成分相关的高光谱反射指数 选择已报道用于植物色素成分和含量估算的高光谱反射指数中常用的9种进行测定(表1)。 表1 估算菊花舌状花色素含量的高光谱反射指数 Tab. 1 Hyperspectral reflection indices used for estimating pigment content of chrysanthemum 色素 高光谱反射指数 表达式 参考文献 Pigment Hyperspectral reflection index Equation Reference 红光与绿光波段比值 Red/green ratio index RR/RCreen =5um(R6co to Rago)/ Sum(R5o) to R590) [I5] 花青素 花青素反射指数 ARI=(I/R550-I/R700) [37] Anthocyanin Anthocyanin reflection index 改良花青素反射指数 Modified anthocyanin reflection index mARI=Rgoo(L/R550-L/Rxo) [20] 色素归一化指数 Pigment-specific normalized difference P5NDc=(Rg0o-Ramo)/(R00+Raro) [10] 类胡萝卜素 类胡萝卜素反射指数 RNIR·CRIxo=Rg00(I/R520-I/R700) [20] Carotenoid Carotenoid reflection index 类胡萝卜素反射指数 Carotenoid reflection index CRIsso =(I/R5I5)-(I/R55o) [17] 归一化植被指牧 Normalized difference vegetation index NDVI=(R30-Rg)/(R300+Rg7o) [38] 叶绿素 改良简单比值指数 m5R705=(RzS0-Raas)/(R705-Raas) [39] Chlorophyll Modified simple ratio 改良叶绿素吸收反射指数 Transformed TCARI=3[(RT-R6)-0.2(R70o -R550)(R70o/ [40-41] chlorophyll absorption in reflectance index R67)] 2结果与分析 2.1同一菊花品种舌状花不同部位的高光谱反射特征 随机选取9个色系各一个品种，对舌状花不同部位即后部(靠近着生点)、中部、前部(靠近先端)的高光谱反射特征进行测定和分析发现，每个色系舌状花不同部位的反射光谱反射曲线特征十分相似，只是在反射值大小方面存在差异(图1)。通过方差分析发现，除了墨色系品种'墨蟹爷以外，在450~1 000 nm 波段内，各品种高光谱反射值在舌状花前、中、后部差异明显，且舌状花后部最低，前部最高，中部位于两者之间。方差分析表明：在 400~620 nm 波段内，舌状花后部、中部与前部反射值差异显著；白色品种白粉狮子爷、黄色品种‘光辉爷、绿色品种'绿朝云爷和紫色品种立春爷在621~760 nm 红光波段，舌状花后部、中部与前部反射值差异显著；除'光辉爷外，其他色系品种在760~1000 nm近红外波段，差异不明显；反射值都是前部>中部>后部。因此，在进行舌状花高光谱反射值测定时，选择在舌状花的中部或偏后部位置最为适宜。 图1 白色品种‘白粉狮子'舌状花不同部位高光谱曲线 2.2不同花轮之间的高光谱特征 各色系舌状花不同花轮(外轮、中轮、内轮)间的反射光谱曲线特征十分相似(图2)。方差分析表 nm 内轮、中轮与外轮反射值差异显著；在粉色品种太真含笑爷、紫色品种'立春爷中，在400~620 nm 波段内，内轮、中轮、外轮光谱反射值差异显著，且反射值外轮>中轮>内轮；在761~1 000 nm 近红外波段，部分品种差异不明显。因此，在进行舌状花光谱测定时，宜选择在舌状花的中轮位置。 图2 白色品种‘白粉狮子'舌状花不同花轮高光谱曲线 2.3不同色系菊花品种舌状花的高光谱反射值 菊花不同品种高光谱反射特征明显的主要波长范围为400~470 nm、500~560 nm 和620~680 nm，覆盖紫、蓝、绿、红光波区。可见光区的“蓝边冶(蓝过渡到绿，470 nm 左右)、绿峰(550 nm 左右)、红光低谷、红峰及红光过渡到近红外的“红边冶(650 nm 左右)是描述植被色素状态和健康状况的重要指示波段。白色和黄色品种没有红峰，含有花青素的品种和含有叶绿素的品种相比，表现出一定的'蓝移爷。类胡萝卜素仅在蓝紫光波段有吸收谷，花青素吸收波段在 540 nm附近。对80个不同色系的菊花品种舌状花的高光谱反射值进行分析，可以看出同一色系的品种具有相似的特征，因此可以利用高光谱反射值进行菊花品种色系的划分。白色系无明显的吸收峰和吸收谷，只有绿色系在680 nm 附近有吸收谷，由叶绿素的强烈吸收引起，且在 550 nm 和700nm 有2个反射峰。黄色系仅在430~470 nm 有吸收谷，由类胡萝卜素吸收引起。粉色系、紫色系仅在540 nm附近有吸收谷，由花青素吸收引起。粉色系在540nm 的平均反射值高于紫色系，说明粉色系品种舌状花花青素含量低于紫色系。红色系、橙色系、棕色系在430~470nm 和540nm附近有吸收峰，分别由类胡萝卜素和花青素吸收引起。红色系在430~470 nm 和540 nm 反射值低于橙色系，和棕色系，说明红色系品种舌状花类胡萝卜素和花青素含量都高于橙色系和棕色系。墨色系400~600 nm 波段反射值一直很低由类胡萝卜素和花青素吸收引起且含量很高。除了绿色系以外的其他色系都只在700 nm 左右有一个反射峰。 图3 不含花青素的菊花白色系、黄色系和绿色系 2.4高光谱反射指数与菊花舌状花色素含量的监测模型 用与植物色素含量相关性较好的5个高光谱反射指数与建模数据集的80个菊花品种实际色素含量进行回归分析，建立高光谱反射指数与菊花舌状花色素含量的监测模型。以决定系数R2 最大的优选原则，筛选对花青素、类胡萝卜素、叶绿素监测效果最佳的模型。 表5 高光谱反射指数和菊花舌状花色素含量的监测模型(n=80) Tab.5 色素 高光谱反射指数 监测模型 决定系数 Pigment Hyperspectral reflection index Monitoring models Correlation coefficient(R) RRed/Rcreen y=0.116lx-0.0912 0.9398^^ 花青素 Anthocyanin ARI y=0.035 8x+0.0398 0.9398 mARI y=0.040 4x+0.0500 0.9304^^ 类胡萝卜Carotenoid mCRI y=1.1140x+4.0979 0.8731^ 叶绿素 Chlorophyll TCARI y=0.0386x+0.0127 0.7806 3结论与讨论 3.11菊花舌状花高光谱反射值测定的部位 前人利用高光谱估测色素含量的研究主要集中在森林植被和作物的叶片色素上，而菊花的花朵实际是一个头状花序。花序包括了筒状花和舌状花。这种花的结构组成和花色表现方式不同于其他单花统一测定部位，以保证模型的统一性和稳定性。本研究明确了菊花舌状花高光谱反射值测定的准确部位，即菊花头状花序的中轮舌状花正面的中部或偏后部，这与朱西存等对苹果叶片高光谱测定部位的结果相似。其研究结果表明，在进行苹果叶片光谱测定时，宜选择在叶片的中部或稍偏向叶前部的位置。 3.2不同花色菊花品种舌状花高光谱反射特征 典型绿色植物的叶片主要含有叶绿素和少量的类胡萝卜素，在500 nm 蓝光处和680 nm 的红光处有两个低谷，主要由叶绿素吸收引起，550 nm 附近是叶绿素的强吸收峰。而菊花舌状花主要含有花青素和类胡萝卜素，含有少量的叶绿素，因此其高光谱曲线特征与叶片有很大不同。由于花青素和类胡萝卜素的强烈吸收，主要分别在540 nm 和430~470nm 有低谷。760~1300 nm 内反射值相对平坦，主要受植物细胞结构影响。不同花色的菊花品种其高反射光谱反射值不同，各自表现特有光谱特征，这些特征可以反映出色素种类；同一菊花品种舌状花不同部位、不同花轮、舌状花正反两面的高光谱反射值特征相似，只表现出反射值大小的不同。推测造成反射值差异的原因主要是色素含量的差异以及含水量的不同。含水率降低，色素部分分解，吸收减弱，舌状花对可见光的反射增强。 3.3高光谱反射指数与色素成分和含量的相关性 本研究选取的高光谱反射指数 RRed /RGreen、ARI、mARI、和 TCARI 与菊花舌状花花青素和叶绿素含量之间有较好的相关性，均达到了0.8以上，并分别建立了色素含量监测模型。经均方根误差 RMSE 指标测试表明，模型能较好地监 测菊花舌状花花青素和叶绿素含量。本研究结果与 Merzlyak 等对苹果果皮、Gamon 等和 Sims 等对叶片色素监测模型的研究结果相似。然而，目前对类胡萝卜素估测的高光谱反射指数几乎都是使用植物叶片为样本，且基本不含有花青素。菊花具有丰富的花色，许多品种都含有花青素。由于花青素的影响，使用现有的高光谱反射指数很难实现对其中类胡萝卜素含量的估测。因此，本文作者根据Gitelson 等的色素三波段模型构建了一个新的类胡萝卜素高光谱反射指数mCRI =(1/R470 - 1/R550)R800，该指数减弱了花青素吸收的影响，与实际类胡萝卜素含量之间进行分析发现相关性明显提高，相关系数达到了 0.9，实现了对同时含有花青素和类胡萝卜素的菊花品种中类胡萝卜素含量的估测。本研究引入了一种新的测定植物组织色素含量的方法，即利用高光谱成像技术对植物色素进行测定，这种技术与传统的化学分析方法相比不仅快速、无损，而且可以对不同时期的色素含量变化进行动态监测，具有很大的潜力。但是由于样本量较小，建立的色素监测模型的可靠性和普适性还需进一步评价和验证。本技术首次在观赏植物中应用，只采用了相对简单且精确度较高的高光谱反射指数法来无损估测色素含量，且只限定在了菊花舌状花尺度上。对于其他方法，如小波分析、辐射传输模型等以及在冠层尺度上的测定分析仍待探究。