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、小(xiao)麥(mai)等(deng)農(nong)作(zuo)物(wu)中(zhong)的(de)應(ying)用(yong)有(you)了(le)較(jiao)為(wei)深(shen)入(ru)的(de)研(yan)究(jiu)。近(jin)幾(ji)年(nian)來(lai)，越(yue)來(lai)越(yue)多(duo)的(de)煙(yan)草(cao)研(yan)究(jiu)者(zhe)們(men)將(jiang)目(mu)光(guang)轉(zhuan)向(xiang)了(le)高(gao)光(guang)譜(pu)技(ji)術(shu)，他(ta)們(men)利(li)用(yong)高(gao)光(guang)譜(pu)技(ji)術(shu)得(de)出(chu)了(le)不(bu)同(tong)因(yin)素(su)影(ying)響(xiang)煙(yan)草(cao)光(guang)譜(pu)特(te)征(zheng)的(de)變(bian)化(hua)規(gui)律(lv)，同(tong)時(shi)篩(shai)選(xuan)出(chu)一(yi)些(xie)監(jian)測(ce)參(can)數(shu)，並(bing)建(jian)立(li)了(le)相(xiang)應(ying)的(de)估(gu)算(suan)模(mo)型(xing)。煙(yan)草(cao)生(sheng)化(hua)參(can)數(shu)主(zhu)要(yao)包(bao)括(kuo)有(you)：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

光guang照zhao是shi植zhi物wu生sheng長chang發fa育yu的de必bi需xu條tiao件jian之zhi一yi，為wei植zhi物wu進jin行xing光guang合he作zuo用yong提ti供gong能neng量liang。光guang照zhao強qiang度du和he光guang質zhi條tiao件jian都dou會hui對dui煙yan草cao的de光guang譜pu特te征zheng產chan生sheng明ming顯xian影ying響xiang。賈jia方fang方fang以yi雲yun煙yan87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）fanweibiaoxiangengweimingxian。zhaowenzaiduizhongbuyedeyanjiuzhongyedechuleleisijielun。xingxuexiayanjiufaxianbutongguangzhitiaojianduikaoyanguangpuquxiandeyingxiangbuda，danxianzhuyingxianglekaoyandeguangpufanshelv
，yepianguangpuyuguancengguangpudefanshelvjunyibaimobiaoxianzuiyou。

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
；在zai伸shen根gen期qi和he旺wang長chang期qi，葉ye片pian紅hong邊bian幅fu值zhi和he紅hong邊bian麵mian積ji隨sui土tu壤rang水shui分fen增zeng加jia發fa生sheng紅hong移yi現xian象xiang，成cheng熟shu期qi則ze隨sui土tu壤rang水shui分fen增zeng加jia發fa生sheng藍lan移yi現xian象xiang。研yan究jiu表biao明ming
，不bu同tong水shui分fen條tiao件jian下xia的de烤kao煙yan葉ye片pian和he冠guan層ceng光guang譜pu反fan射she率lv間jian存cun在zai顯xian著zhu差cha異yi，隨sui著zhe土tu壤rang含han水shui量liang的de增zeng加jia冠guan層ceng紅hong邊bian一yi階jie微wei分fen光guang譜pu的de“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3yaosu，tamenshiyancaozhongzhongduohuahewudezuchengchengfen，yuyancaotineideduozhongshenglishenghuaguochengmiqiexiangguan，zhijieyingxiangyancaoyepianneiwaibudelihuaxingzhuang。yanjiufaxian，zaikejianguangfanweinei，kaoyanyepianheguancengdeguangpufanshesuishidanliangdezengjiaerjiangdi
，zheshiyouyusuizheshidanliangdezengjiayepiansesuhanliangzengjia
，daozhiyepianduiguangdexishouzengqiang；zaijinhongwaiguangfanweinei，kaoyanyepianheguancengdeguangpufanshesuishidanliangdezengjiaerzengjia，zheshiyouyusuizheshidanliangzengjiayepianxibaobianda
，xibaojianxibianda，xibaobishuihuadu 增zeng高gao
，導dao致zhi光guang在zai葉ye片pian組zu織zhi細xi胞bao內nei進jin行xing了le多duo次ci反fan射she。施shi氮dan量liang同tong時shi會hui對dui烤kao煙yan葉ye片pian的de紅hong邊bian位wei置zhi產chan生sheng影ying響xiang。隨sui著zhe施shi氮dan量liang的de增zeng加jia，同tong一yi生sheng育yu時shi期qi內nei各ge部bu位wei葉ye片pian的de紅hong邊bian位wei置zhi均jun發fa生sheng“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3zhongyancaodeguancengguangputezhengfaxian，zailvguangboduanhejinhongwaifanweinei
，baileiyandeguancengfanshelvzuida
，kaoyancizhi，xiangliaoyanzuixiao。lixiangyangtongguoyanjiuduicijinxinglejieshi
，zailvguangfanweineifanshelvzhuyaoshouyelvsuhanliangdeyingxiang，baileiyanyepianchengqianlvse，yemaifabai

，yelvsuhanliangdi
，yincifanshelvzuida
；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>上(shang)部(bu)葉(ye)，在(zai)近(jin)紅(hong)外(wai)光(guang)波(bo)段(duan)內(nei)則(ze)相(xiang)反(fan)。這(zhe)是(shi)由(you)於(yu)在(zai)可(ke)見(jian)光(guang)波(bo)段(duan)內(nei)處(chu)於(yu)植(zhi)株(zhu)上(shang)部(bu)的(de)煙(yan)葉(ye)積(ji)累(lei)的(de)葉(ye)綠(lv)素(su)較(jiao)少(shao)的(de)緣(yuan)故(gu)，而(er)近(jin)紅(hong)外(wai)波(bo)段(duan)內(nei)的(de)差(cha)異(yi)主(zhu)要(yao)是(shi)由(you)於(yu)不(bu)同(tong)部(bu)位(wei)煙(yan)葉(ye)的(de)細(xi)胞(bao)結(jie)構(gou)不(bu)同(tong)造(zao)成(cheng)的(de)，越(yue)上(shang)部(bu)的(de)煙(yan)葉(ye)細(xi)胞(bao)結(jie)構(gou)組(zu)織(zhi)越(yue)致(zhi)密(mi)，而(er)細(xi)胞(bao)排(pai)列(lie)越(yue)緊(jin)密(mi)則(ze)光(guang)譜(pu)反(fan)射(she)率(lv)越(yue)高(gao)。另(ling)外(wai)，同(tong)一(yi)葉(ye)片(pian)的(de)不(bu)同(tong)部(bu)位(wei)的(de)光(guang)譜(pu)反(fan)射(she)率(lv)也(ye)存(cun)在(zai)差(cha)異(yi)。李(li)佛(fo)琳(lin)研(yan)究(jiu)表(biao)明(ming)，在(zai)綠(lv)光(guang)波(bo)段(duan)內(nei)，葉(ye)片(pian)的(de)光(guang)譜(pu)反(fan)射(she)率(lv)從(cong)葉(ye)基(ji)到(dao)葉(ye)尖(jian)、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、shengtaitiaojianhezaipeiguanlidechayi。jinhouyancaogaoguangpujishudeyanjiuyaozhezhongwanshanhekuochongyancaoguangpushujuku，jiaqianggaoguangpuxiangguanshujudecaijihewajue
，bingjiaqiangyuGIS
、GPS技術的結合應用，推動高光譜技術在煙草中的應用。