偏振光譜在棗葉無損檢測中的應(yīng)用

徐嘉翊 ，羅華平 ※，索玉婷 ，陳 沖 ，李 偉，王長旭

（1.塔里木大學(xué)機(jī)械電氣化工程學(xué)院，新疆阿拉爾843300；2.新疆維吾爾自治區(qū)普通高等學(xué)校現(xiàn)代農(nóng)業(yè)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室）

0 引言

中國紅棗產(chǎn)量居世界首位，新疆紅棗產(chǎn)量又居全國首位，但南疆紅棗發(fā)展歷史較短，農(nóng)業(yè)機(jī)械化、信息化等技術(shù)落后，對棗樹生長狀況的研究大都停留在憑經(jīng)驗(yàn)?zāi)繙y階段，其人工勞動(dòng)量大、分選精度不穩(wěn)定，因此急需開發(fā)快速無損的檢測技術(shù)，推動(dòng)棗樹生長狀態(tài)檢測向快速、自動(dòng)化方向發(fā)展。

植物葉片作為植物重要的組織器官，其與光線之間的相互作用一直以來都受到農(nóng)業(yè)遙感相關(guān)領(lǐng)域研究人員的關(guān)注。研究表面，植物葉片對光線的反射具有明顯的方向性特征[1,2]。20 世紀(jì)80 年代開始，Vanderbilt 等對這種方向性特征進(jìn)行了大量研究[3,4]，研究發(fā)現(xiàn)，入射光線經(jīng)過葉片反射后可以分為兩部分，一部分是由葉片內(nèi)部的多次散射產(chǎn)生的，主要受葉片內(nèi)部結(jié)構(gòu)及色素、水分等含量影響；另一部分則來自于葉片表面的單次鏡面反射，它與葉片表面結(jié)構(gòu)及光照和觀測的幾何條件有關(guān)，這一部分在葉片的方向性反射中做出了主要貢獻(xiàn)。與第一部分所表現(xiàn)出的無偏特性不同，葉片的類鏡面反射具有明顯的偏振特性[5-8]，再加上光譜無損檢測技術(shù)可以快速、準(zhǔn)確預(yù)測紅棗的水分、糖分等參量，因此可以使用偏振光譜無損檢測技術(shù)檢測棗樹葉片的水分、葉綠素等參量，進(jìn)而預(yù)測棗樹的生長狀態(tài)。

1 材料與儀器

1.1 材料

棗葉為駿棗棗葉，采于塔里木大學(xué)水建院實(shí)驗(yàn)基地，株間距為1.5 m×1.5 m，樹高為2 m，樹齡5 年。

1.2 儀器設(shè)備

北京卓立漢光儀器有限公司生產(chǎn)的Image-λ-N7-N3 型增強(qiáng)型近紅外高光譜相機(jī)；GaiaSorter 高光譜分選儀；漢普型色差儀；標(biāo)準(zhǔn)漫反射白板；SL502N 型高精度分析天平；烘箱等。

2 試驗(yàn)方法

2.1 戶外光譜采集

光譜采集前，先測得溫度18~22 ℃，相對濕度25%~30%，風(fēng)速微風(fēng)2 級(jí)，光譜儀仰角10°，光譜儀距采集樣本40 cm，白板距樣本20 cm，白板高度120 cm，白板與樣本樹在同一水平面上以提高定標(biāo)精度。

對SpectraVIEW 軟件進(jìn)調(diào)節(jié)設(shè)置。先進(jìn)行調(diào)焦，后調(diào)節(jié)參數(shù)：起點(diǎn)位置10cm，前進(jìn)速度1.5cm/s，距離30cm，回退速度2 cm/s，調(diào)整高光譜相機(jī)鏡頭使FocusPreview panel 界面的圖像出現(xiàn)明顯尖頭波峰，再進(jìn)行采集。

光譜采集過程，對樣本向陽方向掃描2 次，分為無偏振片條件（以下簡稱‘wp’）和 0°、45°、90°、135°偏振條件（以下簡稱‘0p’、‘45p’、‘90p’、‘135p’），邊采集邊儲(chǔ)存。

光譜采集后，將掃描范圍內(nèi)的葉片（共60 片）按照從左到右、從上到下的順序放入標(biāo)有序號(hào)的保鮮袋中以保持水分，便于試驗(yàn)后續(xù)含水量的測量。

2.2 室內(nèi)光譜采集

光譜采集前，把近紅外高光譜相機(jī)安裝到高光譜分選儀上，開機(jī)準(zhǔn)備，開機(jī)前檢查核實(shí)實(shí)驗(yàn)室電源、溫度和濕度環(huán)境條件，當(dāng)電壓穩(wěn)定才能開機(jī)。光譜采集過程，通過采集分析軟件調(diào)整光譜儀聚焦。放置采集光譜樣品，通過采集軟件采集光譜信息并保存。

2.3 葉綠素測量

測量前先把所采集的葉片用干凈的無塵布將葉片表面的塵土擦干凈，并用0.5 cm 的黑色記號(hào)筆在葉片邊緣處寫上相對應(yīng)的數(shù)字，并把60 個(gè)樣品分成5 組，每組12 個(gè)樣品進(jìn)行測量。

測量時(shí)將色差儀檢測頭放在葉片的邊緣，沿著葉片邊緣轉(zhuǎn)圈按10 次取平均值并按順序記錄葉綠素含量，避免在同一位置按10 次，這樣會(huì)破壞葉片表面，從而影響接下來含水量的檢測。

檢測后按照順序把葉片放入提前準(zhǔn)備好的保鮮袋中保存，便于繼續(xù)接下來的試驗(yàn)，且數(shù)據(jù)是一一對應(yīng)的關(guān)系。

2.4 含水量的檢測

按編號(hào)順序稱取葉片鮮重并記錄，在恒溫80 ℃的烘箱中進(jìn)行12 h 的烘干處理，再分別測量葉片干重并記錄。葉片質(zhì)量采用高精度分析天平稱取，精度為0.1mg。

3 數(shù)據(jù)處理

近紅外光譜儀所獲得的光譜為連續(xù)光譜，此光譜為原始吸收光譜。用SpectraVIEW 軟件對光譜進(jìn)行區(qū)域校正和黑白校正，再用ENVI 軟件選取24 nm、116 nm、168 nm 三個(gè)波段進(jìn)行彩色圖像融合，再逐一選取感興趣區(qū)域，感興趣區(qū)域的面積形狀以及位置要基本相同，并且去除包絡(luò)線，提取感興趣區(qū)域所對應(yīng)的光譜數(shù)據(jù)。最后用TQ-Analyst 軟件對光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，預(yù)處理方法使用一階導(dǎo)和平滑；然后，用主成分回歸法（PCR）和偏最小二乘法（PLS）對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行多元統(tǒng)計(jì)分析，如表1、2 所示。

3.1 校正標(biāo)準(zhǔn)偏差（SEC&RMSEC）

式中yi,actual為第i樣品參考方法的測定值；yi,predicted為用所建模型對校正集中第i樣品的預(yù)測值；n為校正集的樣品數(shù)。且校正標(biāo)準(zhǔn)偏差越小，表面回歸得越好。

3.2 預(yù)測標(biāo)準(zhǔn)偏差（SEP&RMSEP）

式中yi,actual為第i樣品參考方法的測定值；yi,predicted為驗(yàn)證集預(yù)測過程中第i 樣品的光譜方法預(yù)測值，m為驗(yàn)證集的樣品數(shù)。且預(yù)測標(biāo)準(zhǔn)偏差越小，結(jié)果越準(zhǔn)確。

3.3 相關(guān)系數(shù)（R）

式中yi,actual為第i樣品參考方法的測定值；yi,predicted為校正集或者驗(yàn)證預(yù)測過程中第i樣品的預(yù)測值；n為校正集的樣品數(shù)。相關(guān)系數(shù)（R）近似決定系數(shù)（R2），且數(shù)值越接近1，回歸或預(yù)測結(jié)果應(yīng)越好。

表1 采用不同分析方法的校正和預(yù)測結(jié)果（含水率）

表2 采用不同分析方法的校正和預(yù)測結(jié)果（葉綠素）

3.4 含水量的分析

由于葉片鮮重遠(yuǎn)大于干重，為了突顯含水率，故在計(jì)算含水率W時(shí)，分母采用樣本的干重m2。南疆棗葉含水率計(jì)算如式（4）。

3.5 分析方法

在主成分回歸（包括PLS 方法）中，確定參與回歸的最佳主成分?jǐn)?shù)（也稱最佳主因子數(shù)）尤為重要。若選取的主因子太少，將會(huì)丟失原始光譜較多有用信息，擬合不充分，稱欠擬合；若主因子太多，會(huì)將測量噪聲過多地包括進(jìn)來，會(huì)出現(xiàn)過度擬合現(xiàn)象，所建模型的預(yù)測誤差會(huì)顯著增大，稱為過擬合。

圖1 wp —含水率

圖2 0p —含水率

圖3 90p —含水率

圖4 wp —葉綠素

含水率PLS 方法真實(shí)值與預(yù)測值對比以及誤差分布如圖1、2、3，其中○為校正集、＋為預(yù)測集。葉綠素PCR 方法真實(shí)值與預(yù)測值對比以及誤差分布如圖4、5、6?？梢钥闯?p 時(shí)的擬合效果最好，離散程度也最小，因此戶外無損檢測時(shí)可以選用0p。

圖5 0p —葉綠素

圖6 90p —葉綠素

4 結(jié)果分析

4.1 葉綠素含量的影響

葉綠素通過影響葉片反射中的無偏部分影響其偏振度，葉綠素含量Cab 和近紅外（NIR）波段鏡反射方向上偏振度進(jìn)行一元線性回歸。對于紅棗葉片，由于實(shí)驗(yàn)過程中未能獲得葉綠素含量存在充分差異的樣本，因此得到的回歸分析并不準(zhǔn)確。

4.2 偏振因素的影響

由紅棗葉片光譜圖的分析，得在0 度偏振的時(shí)候，相關(guān)系數(shù)最大。

4.3 TQ-Analyst 分析方法的影響

通過分別選用偏最小二乘法（PLS）和主成分回歸分析法（PCR）的化學(xué)計(jì)量學(xué)方法建立紅棗葉片校正模型，光譜數(shù)據(jù)預(yù)處理選擇原始光譜、一階導(dǎo)數(shù)光譜、平滑等，大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，發(fā)現(xiàn)在最簡單的比爾定律、經(jīng)典的最小二乘法（CLS）、逐步多元線性回歸法（SMLR）、近紅外定量最常用的偏最小二乘法（PLS）和主成分回歸法（PCR）等定量校正算法中，分析含水率的最佳方法是偏最小二乘法（PLS），而分析葉綠素含量的最佳方法是主成分回歸法（PCR）。

在選擇光程類型的時(shí)候，由于紅棗葉片尺寸、均勻性等的影響，進(jìn)行的是NIR 漫反射光譜采集，因光程無法保持恒定，此時(shí)需要對紅棗葉片光譜進(jìn)行處理，以消除這些因素的干擾，便于紅棗葉片建模時(shí)有用信息的提取。經(jīng)過大量數(shù)據(jù)分析，最終發(fā)現(xiàn)用標(biāo)準(zhǔn)正則變換（SNV）來對紅棗葉片光譜進(jìn)行處理最適合。

光譜預(yù)處理在紅棗葉片NIR 漫反射光譜分析中通常是有效和必要的。對紅棗葉片光譜進(jìn)行導(dǎo)數(shù)、濾噪（平滑）和基線校正等預(yù)處理時(shí)，發(fā)現(xiàn)一階導(dǎo)數(shù)光譜的實(shí)用性最高，相關(guān)系數(shù)最好；二階導(dǎo)數(shù)光譜的相關(guān)系數(shù)最差，由此可以判斷對于紅棗葉片NIR 漫反射光譜分析中最適合選用一階導(dǎo)數(shù)光譜。

5 結(jié)論與展望

試驗(yàn)使用近紅外偏振光譜技術(shù)對南疆棗葉的含水量和葉綠素含量進(jìn)行分析，分別選擇PLS 和PCR來建立含水量以及葉綠素含量校正模型。試驗(yàn)結(jié)果表明，分析含水率時(shí)PLS 更好一些，分析葉綠素含量時(shí)PCR 更好一些；偏振片0 度時(shí)預(yù)測效果比不加偏振片和加其他度數(shù)偏振片的效果更好；含水率模型有很好的精度和預(yù)測能力。

通過近紅外偏振光譜技術(shù)可以快速準(zhǔn)確地對南疆棗葉的水分進(jìn)行預(yù)測，進(jìn)而定量化描述棗樹的生長狀態(tài)，大大縮短了人工檢測的時(shí)間和精度，為南疆棗樹品質(zhì)檢測提供了新思路。