基于可見光與近紅外反射光譜的植物葉片的測定研究

王啟

摘 要：農(nóng)田除草作為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)快速發(fā)展所面臨的問題之一，一直受到廣泛關(guān)注?；瘜W(xué)除草在現(xiàn)今的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中被廣泛應(yīng)用，但是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中對于雜草無法實現(xiàn)精確的定位，粗放式的大面積噴灑除草劑不僅浪費藥劑還會對生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生不利影響，因此精確的雜草識別是實現(xiàn)精確除草的前提。一旦確定可精確識別的技術(shù)手段，對于農(nóng)業(yè)、林業(yè)、園林設(shè)計等多方面的統(tǒng)計和除雜都有著革新的科研價值與意義。要實現(xiàn)精確除草，首先需要識別出特定的植物，而植物具有特定的光譜，本次課題闡述以光譜特征來識別植物葉片，進而對于植物的特定識別與植物物種間的區(qū)分有重要幫助。

關(guān)鍵詞：植物葉片；測定

現(xiàn)如今的農(nóng)業(yè)手段來說，農(nóng)田除草的主要方法有人工除草、機械除草、雜草檢疫、生物防除和化學(xué)除草等。其中，化學(xué)除草方法高效、方便，被廣泛應(yīng)用。粗放式的大面積噴灑除草劑不僅浪費藥劑，而且會對生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生影響，為此國內(nèi)外都在開展精確除草方法的研究：

美國伊利諾大學(xué)在分析雜草整體分布特性的基礎(chǔ)上，研制出可進行施用量決策并控制噴頭工作的智能噴霧機，美國加利福尼亞大學(xué)戴維斯分校研制出了基于視覺導(dǎo)航的精確噴霧系統(tǒng)，該系統(tǒng)可識別出番茄以及生菜田中的雜草，并對雜草進行定點施藥。在國內(nèi)，浙江大學(xué)、中國農(nóng)業(yè)大學(xué)、江蘇大學(xué)等開展了雜草識別與精確除草相關(guān)的研究。南京林業(yè)大學(xué)研究了基于施藥方法的玉米苗期除草機器人。

目前，雜草識別通常采用機器視覺的方法來采集和處理圖像。利用顏色特征的識別手段可以區(qū)分植物和土壤，但是很難精確區(qū)分雜草和作物。近年來，光譜特征技術(shù)被用于識別雜草。

要實現(xiàn)精確除草，首先需要識別出特定的植物，而植物具有特定的光譜，本次課題闡述識別植物葉片的光譜特征，進而對于植物的識別與植物間的定向區(qū)分有重要幫助。

一、植物葉片測定實驗

本次實驗采用USB2000光纖光譜儀，光譜量程在390nm到1000nm之間，分辨率在1.5nm。實驗光源選取鎢燈與LED燈。

本次實驗選擇冬青衛(wèi)矛作為實驗材料，選擇反枝莧作為實驗中雜草進行實驗。分別采集同一衛(wèi)青的數(shù)片形狀大小顏色無明顯差異的葉片、采集同一衛(wèi)青不同生長期的葉片、采集濕潤新鮮的衛(wèi)青葉片，在同一株衛(wèi)青下，采集少量干枯葉片。將采集到的植物保存于實驗室中，實驗室溫度為17.4℃，濕度為11.2%。

室外一天的輻射度為正午最高、日出其次、日落最低，故實驗室調(diào)整數(shù)據(jù)為正午在30000lux左右，日出為10000lux左右，日落低于8000lux左右。

連接電腦與USB2000光纖光譜儀，取鎢燈，將光源投射于白板，將光譜儀的探頭固定于升降臺上，使探頭對準(zhǔn)白板，打開spectrasuite軟件，將所測得的光源光譜保存；將待測冬青葉片放置在白板，測量并保存葉片光譜數(shù)據(jù)。調(diào)整光源輻射度三次，測量不同的輻射度下所對應(yīng)的冬青葉片的反射光譜，使用MATLAB軟件導(dǎo)入數(shù)據(jù)并計算反射率。取多組葉片重復(fù)完成多次實驗測量。

植物的室外光源主要來自于太陽光、月光、人造燈光等，實驗中以鎢燈（模擬太陽光）、LED燈為實驗條件進行測定。

將鎢燈換上LED燈，在相同條件下測量冬青葉片的反射光譜并保存葉片光譜數(shù)據(jù)。

使用MATLAB軟件導(dǎo)入鎢燈與LED燈數(shù)據(jù)并計算反射率。取多組葉片重復(fù)完成多次實驗測量。

植物生長期不同葉片主要表現(xiàn)在葉綠素含量差異較大，實驗中選取不同生長期的葉片（嫩綠色葉片、深綠色葉片、黃綠色葉片、淡黃色葉片）作為實驗條件進行測定。

連接電腦與USB2000光纖光譜儀，取鎢燈，保持其他設(shè)備不做改變，在相同條件下?lián)Q置其他顏色的葉片測量冬青葉片的反射光譜并保存葉片光譜數(shù)據(jù)。使用MATLAB軟件導(dǎo)入嫩綠色葉片、深綠色葉片、黃綠色葉片、淡黃色葉片的數(shù)據(jù)并計算反射率。取多組葉片重復(fù)完成多次實驗測量。

將收集到的成熟的未經(jīng)處理的冬青葉片與雜草放置于一起，且在實驗之前盡量保持有著相同的條件。

連接電腦與USB2000光纖光譜儀，取鎢燈，保持其他設(shè)備不做改變，在相同條件下?lián)Q置雜草測量反射光譜并保存雜草光譜數(shù)據(jù)。使用MATLAB軟件導(dǎo)入冬青葉片、雜草的數(shù)據(jù)并計算反射率。

二、實驗結(jié)果

植物光譜是由植被化學(xué)和形態(tài)學(xué)特征決定的，而這種特征與植被的發(fā)育、生長環(huán)境條件密切相關(guān)。植被具有獨特的葉面結(jié)構(gòu)，光子與葉片的互相作用包括葉片正面光譜反射、漫反射、和來自葉片背面的透射光和散射光，還有植被光合作用下的光能吸收，本實驗在實驗室環(huán)境中測量，根據(jù)實驗環(huán)境將其他影響極小因素忽略，只考慮植物的正面光譜的反射。

根據(jù)圖1與圖2實驗得到，在可見光譜范圍內(nèi)， 550nm附近有一個波峰，兩側(cè)（470nm和670nm）處有吸收帶，并且隨著植被光譜吸收深度的減少，伴隨著輻

射度的增強。可見光波段反射率隨輻射度增強而減小。

實驗測得冬青在近紅外波段（760-1000）的光譜特征幾乎不受輻射度變化影像。

根據(jù)圖3與圖4實驗得到，以鎢燈作為光源的冬青葉片光譜，在550nm附近有一個波峰，兩側(cè)（450nm和670nm）處有吸收帶，以LED燈作為光源的冬青葉片光譜，在470nm和550附近各有一個波峰， 450nm處有明顯吸收帶。可以認(rèn)為這是由于光源不同導(dǎo)致，鎢燈的光譜呈現(xiàn)連續(xù)性而LED燈光譜不連續(xù)（有兩個特征波峰）引起的。

實驗測得冬青在近紅外波段（760-1000）的光譜特征沒有受光源因素影響。

根據(jù)圖5實驗得到，從葉面反射的光，在550nm附近有一個波峰，兩側(cè)（450nm和670nm）處有吸收帶，并且隨著植被光譜吸收深度的減少，伴隨著葉綠素含量的降低?？梢哉J(rèn)為這是由于葉綠素對綠光的反射和對藍(lán)光、紅光的吸收引起的。

實驗測得冬青在近紅外波段（760-1000）的光譜特征為反射率急劇升高。對于同一株植物如冬青，可見光光譜特征隨著葉片的新老而發(fā)生變化。

圖6植物葉片與雜草反射光譜的比較

圖6通過冬青與雜草葉片反射光譜的對比可得，在可見光區(qū)還沒有什么變化，但在近紅外光波段已經(jīng)出現(xiàn)了較明顯的不同上升趨勢。

三、實驗誤差分析

實驗中使用光纖光譜儀于地下實驗室進行實驗，可以人為排除各種光源的干擾，且溫度與濕度得到控制。

但是在光譜儀中光學(xué)影像轉(zhuǎn)化為電信號時，來自CCD（電荷耦合原件）的噪聲成為數(shù)據(jù)制圖方面的最大干擾。一方面，當(dāng)CCD在低光照、條件下應(yīng)用時，由于采取了一切可能的措施降噪（比如地下實驗室密閉環(huán)境），光子散粒噪聲成為主要的噪聲源。另一方面，源于構(gòu)成CCD傳感器關(guān)鍵結(jié)構(gòu)材料硅的內(nèi)部由于發(fā)熱導(dǎo)致的電荷數(shù)量統(tǒng)計波動，在給定的CCD傳感器溫度條件下，熱電荷的生成速率通常被稱之為暗電流，這種信號與CCD傳感器的溫度高度相關(guān)，溫度每增加5℃～6℃，暗電流將增加到原來的兩倍。在弱信號條件下，CCD采用長時間積分的方法進行觀測，暗電流將是主要的影響因素。

針對以上兩種噪聲干擾，采用調(diào)整實驗光源輻射度盡量降低弱信號測繪的可能，以及在使用儀器時，每使用一段時間，間隔使用使得CCD冷卻至室溫。

四、結(jié)論和討論

實驗得到不同輻射度對植物葉片反射率的影響表現(xiàn)為：隨著輻射度的增大反射率呈現(xiàn)線性減小關(guān)系。

實驗得到不同光源對植物葉片反射率的的影響表現(xiàn)為：以鎢燈為光源所得的植物反射率與LED燈相比，反射率曲線特征更加明顯，表現(xiàn)為有突出的550nm的反射峰與450nm和670nm的兩個吸收帶。

實驗得到不同生長期對植物葉片反射率的的影響表現(xiàn)為：植物隨著衰老其葉綠素含量逐漸減少，反射率曲線特征逐漸減弱，550nm的反射峰降低且450nm和670nm的兩個吸收帶深度減小。

實驗得到植物葉片反射率與雜草反射率的對比關(guān)系：在可見光區(qū)還沒有較為明顯的變化特征，只表現(xiàn)為550nm特征峰的波段，這與植物和雜草本身含有的葉綠素含量有關(guān)，對物種間的光譜鑒別影響可以忽略。在近紅外光波段，可以發(fā)現(xiàn)兩者反射率均有極大的提升，但是提升的趨勢有明顯的不同，所以推斷在近紅外波段反射光譜對于不同植物的鑒別有幫助。

根據(jù)實驗得到，冬青葉面反射的光譜，在550nm附近有一個波峰，兩側(cè)（450nm和670nm）處有吸收帶，并且隨著植被光譜吸收深度的減少，伴隨著葉綠素含量的降低?？梢哉J(rèn)為這是由于葉綠素對綠光的反射和對藍(lán)光、紅光的吸收引起的。

實驗測得冬青在近紅外波段（760-1000）的光譜特征為反射率高。且于同一株植物的葉片其光光譜特征隨著葉片的新老而發(fā)生變化。通過冬青與雜草葉片反射光譜的對比可得，在可見光區(qū)還沒有什么變化，但在近紅外光波段已經(jīng)出現(xiàn)了較明顯的不同上升趨勢。

綜上得出結(jié)論：通過對可見光波段反射光譜的研究，可以根據(jù)550nm的特征峰與450nm及670nm的吸收帶作為光譜特征研究植物葉片的成熟度的依據(jù)。

通過對近紅外光波段反射光譜的研究，對于利用光譜特征來進行植物種間區(qū)分有幫助。

參考文獻：

[1] 金小俊，陳勇，孫艷霞 農(nóng)田雜草識別方法研究進展 農(nóng)機化研究2011.7.