红富士苹果叶片全钾含量高光谱预测研究

一、高光谱遥感技术理论

近年来快速发展的高光谱遥感技术已经具备了高时效、光谱波段多、光谱分辨率高等优势。与一般遥感技术相比，高光谱遥感技术的成像光谱仪可以分离成几十甚至数百个很窄的波段来接收信息，每个波段宽度小于10nm，所以波段排在一起能形成一条连续的完整的光谱曲线，光谱的覆盖范围从可见光到热红外的全部电磁辐射波普范围。而且利用光谱技术对植物、矿物中的化学元素含量的估测已经得到了广泛应用。钾能调节细胞的渗透压，调节植物生长和经济用水，增强植物的抗不良因素(旱、寒、病害、盐碱、倒伏)的能力，钾还可以改善农产品品质。因此对叶片中钾含量的估测研究对实际应用具有重要意义。由于高光谱对植物中水分含量，叶绿素等含量极其敏感，故叶片中钾的含量的变化必定会对反射光谱信息产生影响，可根据叶片的光谱信息来估测叶片中钾的含量。

1.1  理论基础

1.2   实验材料与方法

1、样品采集

供试苹果品种为处于盛果期的红富士，在秋梢停止生长期进行样品采集，依据研究区土地利用现状图和果园分布布设采样点。选取试验区3个镇的6个果园86棵苹果树为采样对象，随机取样，并尽量涵盖不同树势的叶片。每棵苹果树按东、西、南、北4个方位，在冠层外围各取1-2片充分展开、无损、无病虫害的健康功能叶片。将采集的叶片迅速装入保鲜袋、封口、编号，放盛有冰块的保鲜箱中，尽快带回实验室。

• 光谱测定

光谱测定采用地物光谱仪，波段值为350~2500nm，其中350~1000nm光谱采样间隔为1.4nm，光谱分辨率为3nm；1000~2500nm 光谱采样间隔为2nm，光谱分辨率为10nm。在一个能控制光照条件的暗室内进行光谱测定。测定前，对测定光谱的叶片，用脱脂棉擦拭干净。测定时，叶片单层平整置于反射率近似为零的黑色橡胶上，光谱仪视场角为25°，探头垂直向下正对待测叶片中部，距样品表面距离0.10 m；光源用光谱仪自带的50W 卤化灯，光源距样品表面距离0.50m，方位角60°。为消除外界干扰以保证精度，每片叶观测记录10个采样光谱，以其平均值作为该叶片的光谱反射值。测定过程中，及时进行标准白板校正。

1.3   结果与分析

对苹果叶片原始光谱反射率及其8种变换数据与钾素含量进行了相关分析。结果显示，苹果叶片钾素含量与原始光谱反射率、对数、二阶微分光谱、光谱的一阶微分相关性较弱，与光谱倒数、光谱倒数的一阶导数、光谱的对数、光谱的对数的一阶导数相关性较强。并且在光谱倒数的一阶导数和光谱对数的一阶导数的相关系数中，能取得明显的极值，绝对值大于0.6，峰（谷）极值分别出现在波长417nm、487nm、973nm、1081nm、381nm、417nm、487nm、928nm、973nm、983nm、1081nm处（图1、图2）。 

对苹果叶片钾素含量与相关性较强的光谱变换数据分别进行了逐步回归分析，获取了估测苹果叶片钾素含量的敏感波长。经过多次调试，最后得到光谱对数的一阶导数，光谱倒数的一阶导数，敏感波长分别为928nm、1081nm。然后以敏感波长构建的光谱参数为自变量，分别建立了钾素含量估测模型。

1.4   结论

苹果叶片钾素含量与原始光谱反射率对数的一阶导数的相关性最好，其相关系数绝对值最大的峰（谷）分别是928nm、973nm、983nm、1081nm波长处。通过逐步回归分析方法筛选出的敏感波长为928nm、1081nm；以928nm对数的一阶导数与 1081nm对数的一阶导数为自变量建立的估测模型具有较好的线性趋势，相关系数为 0.7127。经检测样本的检验，其拟合方程的R2为0.5070，总均方根（RMSE）为 0.00046。