基于高光譜技術(shù)的大葉女貞葉綠素含量估算研究

郭建慧

大葉女貞是一種常綠闊葉喬木，抗污能力強，可吸收、抵抗多種有害氣體，是園林綠化、景觀營造中常用的樹種，其種植面積和數(shù)量在逐年增加。與此同時，如何準(zhǔn)確地監(jiān)測其生長狀況，進行精準(zhǔn)、高效的養(yǎng)護也日漸成為一個亟需解決的重要問題。葉片色素是描述植物生長狀態(tài)的重要指標(biāo)之一，其含量對植物的光合作用有著重要影響，能夠據(jù)此來評估植物的光合能力和初級生產(chǎn)力。而傳統(tǒng)的植物葉片色素含量測定多采用基于破壞性取樣的實驗室理化方法，費時費力且對植物具有破壞性。高光譜技術(shù)能夠快速無損地獲取植物葉片的反射光譜信息，為高效、實時、無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)計模型。Sims等提出了綠色歸一化植被指數(shù)（Green NDVI），可以提高對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)測中。許改平等通過測定不同條件下盆栽毛竹實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狀況的實時、快速、無損監(jiān)測提供理論依據(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)進行，在樣地中隨機選取生長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ASD公司生產(chǎn)的FieldSpec 4地物光譜輻射儀自帶的葉片夾中進行測量，光譜測量范圍為350～2500 nm。光譜測量完成后，將葉片取下標(biāo)記并放入帶有冰袋的保溫箱中，帶回實驗室，以液氮冷凍保存。

（二）葉片色素含量測定

采用分光光度計法測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個實驗樣品按照2：1比例隨機分成建模集和檢驗集，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，利用檢驗集數(shù)據(jù)對所構(gòu)建的回歸估測模型的精度進行檢驗，采用決定系數(shù)（R2）和均方根誤差（RMSE）作為評價指標(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

將實驗中大葉女貞葉片色素含量與葉片光譜反射率進行相關(guān)性分析（下頁圖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)性趨勢基本一致，即在可見光波段（350～780 nm）呈負相關(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，存在兩個波谷和兩個波峰。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)絕對值均在0.4以上，能夠以光譜反射率為輸入值建立估測葉片色素含量的偏最小二乘回歸模型。

（二）基于偏最小二乘回歸的大葉女貞葉片色素遙感估測模型的構(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立的主成分，然后按照計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的變量進行多元線性回歸。因為用來作線性回歸的這些主成分是獨立的，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，主成分個數(shù)是影響模型性能的關(guān)鍵參數(shù)，多通過交叉驗證選擇。在本研究中，利用十折交叉驗證的方法，以均方根誤差（RMSE）為評價指標(biāo)，所選取的估測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，具有良好的估測精度。

（三） 模型檢驗

利用獨立于建模集樣本外的檢驗集數(shù)據(jù)對上一節(jié)中所建立的偏最小二乘回歸模型進行檢驗（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模型檢驗結(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行較為準(zhǔn)確的監(jiān)測，具有一定的利用潛力。

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)，其含量對植物的光合能力有著重要影響。利用遙感技術(shù)估測葉面積指數(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模型具有較好的精度和穩(wěn)定性，其預(yù)測決定系數(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)護中，可以利用高光譜遙感技術(shù)實時無損地估測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的研究較少。本研究通過對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)建了估測精度較高的偏最小二乘回歸模型，促進了大葉女貞葉片色素含量的實時無損監(jiān)測技術(shù)研究進展。