基于高光譜技術(shù)的大葉女貞葉綠素含量估算研究

河南大學(xué)美術(shù)學(xué)院 郭建慧

大葉女貞是一種常綠闊葉喬木，抗污能力強(qiáng)，可吸收、抵抗多種有害氣體，是園林綠化、景觀營(yíng)造中常用的樹種，其種植面積和數(shù)量在逐年增加。與此同時(shí)，如何準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)其生長(zhǎng)狀況，進(jìn)行精準(zhǔn)、高效的養(yǎng)護(hù)也日漸成為一個(gè)亟需解決的重要問題。葉片色素是描述植物生長(zhǎng)狀態(tài)的重要指標(biāo)之一，其含量對(duì)植物的光合作用有著重要影響，能夠據(jù)此來(lái)評(píng)估植物的光合能力和初級(jí)生產(chǎn)力。而傳統(tǒng)的植物葉片色素含量測(cè)定多采用基于破壞性取樣的實(shí)驗(yàn)室理化方法，費(fèi)時(shí)費(fèi)力且對(duì)植物具有破壞性。高光譜技術(shù)能夠快速無(wú)損地獲取植物葉片的反射光譜信息，為高效、實(shí)時(shí)、無(wú)損估算葉片色素提供了一種有效的技術(shù)途徑。因此，利用高光譜技術(shù)估算葉片色素含量具有重要的實(shí)踐意義。

在以往的研究中，學(xué)者們多通過葉片的高光譜反射率構(gòu)建植被指數(shù)，進(jìn)而估算葉片中色素含量。Rouse發(fā)現(xiàn)歸一化植被指數(shù)（NDVI）與葉片中葉綠素的含量密切相關(guān)。王福民等通過研究所有光譜波段的兩兩組合構(gòu)建了歸一化色素指數(shù)，并以此建立了估算葉片色素含量的統(tǒng)計(jì)模型。Sims 等提出了綠色歸一化植被指數(shù)（Green NDVI），可以提高對(duì)高葉綠素含量葉片的估算精度。Gitelson 和Merzlyak 提出的綠色歸一化植被指數(shù)（Green NDVI）有效地避免了675 nm 附近葉綠素光譜吸收的影響，提高了NDVI 對(duì)高葉綠素含量葉片的估算精度。Chappelle 等基于大豆葉片提出了反射光譜的比值分析指數(shù)（RARS）估測(cè)葉片的葉綠素和類胡蘿卜素的含量。Gamon 等在研究中建立了生理反射指數(shù)（PRI）用以估測(cè)葉片中類胡蘿卜素（Car）和葉綠素的比值（Chl），之后PRI 廣泛應(yīng)用于植物生理狀態(tài)的光譜監(jiān)測(cè)中。許改平等通過測(cè)定不同條件下盆栽毛竹實(shí)生苗的色素含量和反射光譜發(fā)現(xiàn)，色素含量與光譜反射率在可見光的綠光和紅光區(qū)有顯著或極顯著的相關(guān)關(guān)系，為利用光譜反射率估測(cè)植物葉片色素含量提供了理論依據(jù)。

基于此，本研究以高光譜遙感為主要手段，通過對(duì)大葉女貞葉片反射光譜和葉片色素含量之間的相關(guān)性進(jìn)行分析，探討葉片尺度上利用高光譜技術(shù)獲取葉片色素含量的可行性，進(jìn)而建立大葉女貞葉片色素含量的定量估算模型，以期為大葉女貞生長(zhǎng)狀況的實(shí)時(shí)、快速、無(wú)損監(jiān)測(cè)提供理論依據(jù)和技術(shù)參考。

一、材料與方法

（一）取樣及反射光譜獲取

本研究在河南農(nóng)業(yè)大學(xué)文化路校區(qū)進(jìn)行，在樣地中隨機(jī)選取生長(zhǎng)狀況良好的大葉女貞，使用自制取葉器將樹葉完整采下，隨后立即將樹葉放入美國(guó)ASD 公司生產(chǎn)的FieldSpec 4 地物光譜輻射儀自帶的葉片夾中進(jìn)行測(cè)量，光譜測(cè)量范圍為350～2500 nm。光譜測(cè)量完成后，將葉片取下標(biāo)記并放入帶有冰袋的保溫箱中，帶回實(shí)驗(yàn)室，以液氮冷凍保存。

（二）葉片色素含量測(cè)定

采用分光光度計(jì)法測(cè)定每組葉片樣本的葉綠素（Chl）含量和類胡蘿卜素（Car）含量。

（三）數(shù)據(jù)分析

本研究將60 個(gè)實(shí)驗(yàn)樣品按照2：1 比例隨機(jī)分成建模集和檢驗(yàn)集，然后利用建模集數(shù)據(jù)構(gòu)建基于光譜反射率的大葉女貞葉片色素的偏最小二乘回歸模型，利用檢驗(yàn)集數(shù)據(jù)對(duì)所構(gòu)建的回歸估測(cè)模型的精度進(jìn)行檢驗(yàn)，采用決定系數(shù)（R2）和均方根誤差（RMSE）作為評(píng)價(jià)指標(biāo)。

二、結(jié)果與分析

（一）大葉女貞葉片色素含量與光譜反射率的相關(guān)性分析

將實(shí)驗(yàn)中大葉女貞葉片色素含量與葉片光譜反射率進(jìn)行相關(guān)性分析（下頁(yè)圖1）。由圖1 中可看出，葉綠素（Chl）和類胡蘿卜素（Car）與光譜反射率的相關(guān)性趨勢(shì)基本一致，即在可見光波段（350～780 nm）呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，在近紅外區(qū)域（800～1300 nm）呈正相關(guān)關(guān)系，在1300 nm 以后的波段里，由于水分吸收的影響，存在兩個(gè)波谷和兩個(gè)波峰。葉綠素（Chl）和類胡蘿卜素（Car）與光譜反射率的相關(guān)性整體較好，大部分波段與葉片色素的相關(guān)系數(shù)絕對(duì)值均在0.4 以上，能夠以光譜反射率為輸入值建立估測(cè)葉片色素含量的偏最小二乘回歸模型。

圖1 大葉女貞葉片色素與光譜反射率的相關(guān)性

（二）基于偏最小二乘回歸的大葉女貞葉片色素遙感估測(cè)模型的構(gòu)建

偏最小二乘回歸是一種新的多元回歸方法，它是在自變量和因變量中各自找到一些相互獨(dú)立的主成分，然后按照計(jì)算主成分得到的特征值的大小選取部分主成分，用這些主成分代替原來(lái)的變量進(jìn)行多元線性回歸。因?yàn)橛脕?lái)作線性回歸的這些主成分是獨(dú)立的，所以它能夠較好地解決自變量的共線性問題，故偏最小二乘回歸廣泛應(yīng)用于光譜數(shù)據(jù)分析中。在偏最小二乘回歸模型參數(shù)中，主成分個(gè)數(shù)是影響模型性能的關(guān)鍵參數(shù)，多通過交叉驗(yàn)證選擇。在本研究中，利用十折交叉驗(yàn)證的方法，以均方根誤差（RMSE）為評(píng)價(jià)指標(biāo)，所選取的估測(cè)大葉女貞葉綠素和類胡蘿卜素的偏最小二乘回歸模型的主成分個(gè)數(shù)分別為5 和4。

圖2 展示了基于葉片反射光譜的大葉女貞葉綠素（Chl）和類胡蘿卜素（Car）的偏最小二乘回歸遙感估測(cè)模型的性能表現(xiàn)。從圖2 可以看出葉片反射光譜的大葉女貞葉綠素（Chl）和類胡蘿卜素（Car）的偏最小二乘回歸的決定系數(shù)（R2）分別為0.877 和0.814，均方根誤差（RMSE）分別為4.665 和2.85，具有良好的估測(cè)精度。

圖2 基于葉片反射光譜的大葉女貞葉綠素（Chl）和類胡蘿卜素（Car）的偏最小二乘回歸遙感估測(cè)模型

（三）模型檢驗(yàn)

利用獨(dú)立于建模集樣本外的檢驗(yàn)集數(shù)據(jù)對(duì)上一節(jié)中所建立的偏最小二乘回歸模型進(jìn)行檢驗(yàn)（圖3）。由圖3 可看出，基于葉片反射光譜的大葉女貞葉綠素（Chl）和類胡蘿卜素（Car）的偏最小二乘回歸遙感估測(cè)模型檢驗(yàn)結(jié)果較好，其決定系數(shù)（R2）分別為0.804 和0.736，均方根誤差（RMSE）分別為8.332 和3.29，這說明偏最小二乘回歸模型能夠?qū)Υ笕~女貞的葉片色素含量進(jìn)行較為準(zhǔn)確的監(jiān)測(cè)，具有一定的利用潛力。

圖3 基于葉片反射光譜的大葉女貞葉綠素（Chl）和類胡蘿卜素（Car）的偏最小二乘回歸遙感估測(cè)模型檢驗(yàn)結(jié)果

三、結(jié)論與討論

葉片色素與植物葉片的生理功能密切相關(guān)，其含量對(duì)植物的光合能力有著重要影響。利用遙感技術(shù)估測(cè)葉面積指數(shù)的研究也有較多的建模方法應(yīng)用于葉片色素估測(cè)模型中。但是由于不同植物葉片的特異性，使得葉片色素的光譜估測(cè)模型的移植性較低，如果想要得到特定植物較高的葉片色素的光譜估測(cè)精度，就需要獲取特定植物的生理參數(shù)和光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行建模分析。本研究基于大葉女貞的葉片色素含量和葉片反射光譜數(shù)據(jù)，系統(tǒng)分析大葉女貞葉綠素含量和類胡蘿卜素含量與光譜反射率的相關(guān)性，并構(gòu)建和檢驗(yàn)了基于光譜反射率的大葉女貞葉綠素含量和類胡蘿卜素含量的偏最小二乘回歸遙感估測(cè)模型。結(jié)果表明，基于光譜反射率所建立大葉女貞葉綠素含量和類胡蘿卜素含量的偏最小二乘回歸遙感估測(cè)模型具有較好的精度和穩(wěn)定性，其預(yù)測(cè)決定系數(shù)（R2）分別為0.804 和0.736，均方根誤差（RMSE）分別為8.332 和3.29，能夠較好地估測(cè)大葉女貞的葉片色素含量。因此，在日常的綠化生產(chǎn)和養(yǎng)護(hù)中，可以利用高光譜遙感技術(shù)實(shí)時(shí)無(wú)損地估測(cè)大葉女貞的葉片色素含量。

此外，大葉女貞雖然為重要綠化樹種，但有關(guān)葉片色素的遙感光譜估測(cè)的研究較少。本研究通過對(duì)大葉女貞的葉片色素含量和葉片反射光譜數(shù)據(jù)的建模分析，構(gòu)建了估測(cè)精度較高的偏最小二乘回歸模型，促進(jìn)了大葉女貞葉片色素含量的實(shí)時(shí)無(wú)損監(jiān)測(cè)技術(shù)研究進(jìn)展。