1 Предыстория эксперимента

Концентрация хлорофилла часто является хорошим индикатором трофического давления на растения, способности к фотосинтезу и развития различных стадий старения, а обнаружение концентрации хлорофилла с помощью геоспектральных и дистанционного зондирования часто привлекает большое внимание в таких областях исследований, как сельское хозяйство и естественные растительные сообщества. Большинство исследований были сосредоточены на соотношении спектрального альбедо и общей концентрации хлорофилла a или хлорофилла, в то время как другие изучали соотношение между концентрацией хлорофилла b или хлорофилла a и хлорофилла b, а другие - на концентрациях каротиноидов или соотношении между каротиноидами и хлорофиллами.

Многие исследования показывают, что спектр растительности « красная сторона » чувствительна к отражению состояния роста растительности, точка красного края растительности является точкой большого наклона в спектральной кривой отражения растений, расположенной между длинами волн 690 - 720 нм, лабораторные эксперименты подтвердили положительную корреляцию между положением длины волны точки красного края перегиба и концентрацией хлорофилла в образцах листьев.

В этой статье дополнительно исследуется корреляция между коэффициентом отражения листьев риса и их концентрацией хлорофилла, а также связь между спектральным расположением длины волны красного края листьев риса и их концентрацией хлорофилла с помощью измерения и расчета альбедо листьев риса с различными концентрациями хлорофилла и красного края дифференциальной кривой первого порядка альбедо.

2 Основные принципы работы спектрометра

Кроме того, геофизический спектрометр широко используется, включая идентификацию полезных ископаемых и оценку ресурсов в разведке полезных ископаемых, а также классификацию поверхности и мониторинг стихийных бедствий в области дистанционного зондирования. Например, при разведке полезных ископаемых различные минералы обладают уникальными спектральными характеристиками, и спектральный анализ позволяет идентифицировать виды и распределение полезных ископаемых. • В области применения дистанционного зондирования классификация поверхности осуществляется с помощью спектрометров, установленных на борту спутников или беспилотных летательных аппаратов; классификация и мониторинг поверхности; например, леса, сельскохозяйственные угодья, города и т.д. Мониторинг стихийных бедствий обеспечивает быструю оценку масштабов и масштабов стихийных бедствий на основе спектрального анализа.

3 Лабораторный дизайн

Предварительная подготовка

Эксперимент выбрал сорт гибридного терьера риса Changyou № 1 (Changyou 99 - 1) в качестве объекта исследования, девять районов, где выращивается рис, были оплодотворены в разных точках, и их плюсы и минусы роста значительно различались.

Выберите 10 репрезентативных функциональных лопастей для нормального риса в девяти различных районах обработки удобрениями, измерьте концентрацию хлорофилла в каждом листе с помощью хлорофилла, измерьте концентрацию хлорофилла в каждом листе четыре раза в разных местах листа, а затем снимите листья и измерьте спектральное отражение на солнечном свете с помощью портативного наземного спектрометра ATP9100F. Десять лопастей накладываются вверх и вниз в разных порядках. Спектральные измерения каждой лопатки проводятся быстро с использованием зонда поля зрения 25° на высоте около 5 см от лопатки, спектральные измерения варьируются от 300 до 1100 нм, а спектральное разрешение находится в пределах 2 нм.

Анализ и обработка данных

Между 400 ~ 500 нм и 600 ~ 700 нм, из - за синего и красного диапазонов светового излучения, готового к полному поглощению хлорофилла, фотосинтез II образует две области нижнего отражения, с более низким коэффициентом отражения, как правило, менее 10%; В то время как поглощение листьев от 500 нм уменьшается, как правило, на 550 нм, то есть в зеленой части диапазона, где образуется небольшой пик отражения, отражающий около 20%, что также является причиной того, что листья растений зеленые; Затем отражательная способность на 700 нм внезапно растет, кривая после входа в ближний инфракрасный диапазон сглаживается, становится областью платформы с высоким отражением, как правило, достигает 50% ~ 60%, а некоторые выше. Здесь альбедо изменяется от нижней точки зоны поглощения хлорофилла в красном диапазоне до переходной области ближнего инфракрасного спектра с высоким альбедом из - за рассеяния лопасти, называемой « красной границей», обычно расположенной между длиной волны 690 - 720 нм, « красная сторона » важна в дифференциальной кривой первого порядка альбедо, и некоторые исследователи подтвердили связь между красной стороной лопасти и концентрацией хлорофилла; А « Красная сторона» - это точка с большим наклоном в спектральной кривой отражения растений в зоне « Красная сторона», то есть точка с быстрым изменением альбедо.

Однополосный корреляционный анализ

Спектральное отражение длин волн и концентрация хлорофилла в листьях риса с различными уровнями азота (девять образцов) анализируются на основе одной корреляции. На диаграмме 5 показана диаграмма коэффициентов корреляции между ними, как видно из диаграммы 5:

(1) От 420 нм до 720 нм, оба показывают отрицательную корреляцию, с увеличением длины волны, отрицательный коэффициент корреляции резко увеличивается, до 460 нм, коэффициент корреляции достигает - 0,6, до 560 нм, коэффициент корреляции достигает - 0,8, затем до 686 нм, коэффициент корреляции до - 0,95;

От 686 нм до 726 нм, оба из которых тщетно переходят от отрицательно корреляционных больших значений к нулю, а затем продолжают увеличиваться до положительных значений в 745 нм, коэффициент корреляции составляет около 0,92;

От 726 нм до 1000 нм, за исключением небольшого снижения коэффициента корреляции вблизи 940 нм, коэффициенты корреляции между ними поддерживали хорошую положительную корреляцию, коэффициент корреляции достигает около 0,9.

Эти изменения корреляции в основном связаны с тем, что спектр отражения растений в видимом диапазоне сильно зависит от хлорофилла, в процессе роста листьев риса, с увеличением содержания хлорофилла, количество разрывов между клетками листьев увеличивается, что приводит к снижению отражательной способности видимого света и повышению альбедо в ближнем инфракрасном диапазоне, что приводит к сильной отрицательной корреляции между ними в видимом диапазоне и сильной положительной корреляции в ближнем инфракрасном диапазоне. Между 686 нм и 745 нм они напрасно переходят от отрицательно корреляционных значений к положительным, а коэффициент корреляции близок к нулю на 726 нм, главным образом потому, что хлорофилл в листьях риса оказывает большое влияние на альбедо видимого спектра, в то время как структура листьев риса оказывает большее влияние на ближнеинфракрасный спектр, и их связь на стыке невелика.

Положение длины волны на красном краю листа риса

Связь с концентрацией хлорофилла

Поскольку портативный геофизический спектрометр ATP9100F собирает дискретные данные, расчеты производной первого порядка спектральных данных могут быть приближены к формуле (1).

Из них: R (Лямбда)_иДля длины волны i (λ)_испектр дифференциального отражения первого порядка, λ_и+ 1, Лямбда_иЛямбда_и- Для соседних длин волн.

Используйте формулу (1), чтобы получить первую производную спектра отражения листьев риса, выбранного для девяти регионов с концентрацией непроветриваемого хлорофилла, чтобы получить положение длины волны в точке перегиба красного края

Концентрация хлорофилла в качестве самостоятельной переменной x, положение длины волны красного края лопасти риса в качестве зависимой переменной y, линейный регрессионный анализ

Существует хорошая корреляция между точкой красного поворота, отражающей листья риса, и концентрацией хлорофилла, коэффициент комплексной корреляции (R)²Достижение 0,88 согласуется с теорией положительной корреляции между положением длины волны в точке красного поворота и концентрацией хлорофилла в образцах лопастей, которая была подтверждена лабораторными экспериментами, что позволяет количественно оценить и проанализировать концентрацию хлорофилла в листьях риса с использованием данных полевого спектрометра.

4 Заключение

На основе анализа спектральных характеристик отражения листьев риса в ходе эксперимента были изучены и проанализированы их спектральные альбедо и корреляция между положением отражающего красного края и концентрацией хлорофилла в листьях. Результаты исследования свидетельствуют о том, что:

(1) корреляция между альбедом листьев риса и концентрацией хлорофилла тесно связана с спектральным диапазоном длин волн, показывая отрицательную корреляцию между 420 - 726 нм и положительную корреляцию между 726 - 1000 нм; Между 450 - 686 нм и 750 - 770 нм сохраняется высокая корреляция, а на 686 нм они достигают высокой корреляции, коэффициент корреляции превышает 0,95, а на 726 нм корреляция равна 0. Таким образом результаты этого эксперимента свидетельствуют о возможности обнаружения концентрации хлорофилла в рисе с помощью геоспектральных методов и о необходимости выбора оптимального диапазона.

2) Существует хорошая линейная корреляция между содержанием хлорофилла в листьях риса и положением красного края спектра отражения, что обеспечивает технические методы и способы количественной оценки концентрации хлорофилла в листьях риса с помощью гиперспектральных измерений.