基于高光譜的烤煙煙堿含量估測模型研究

邢雪霞 張童 劉冰洋 劉國順

摘要：為實現(xiàn)快速、準(zhǔn)確估測烤煙煙堿含量，推動現(xiàn)代煙草農(nóng)業(yè)進程，利用美國ASD公司生產(chǎn)的FieldSpec3野外光譜測定儀按不同生育期測定不同光質(zhì)條件下光譜值，并同步測定烤煙葉片中煙堿含量。在提取相關(guān)植被指數(shù)的基礎(chǔ)上，采用主成分回歸和逐步回歸等分析方法，建立烤煙煙堿含量的定量估測模型。結(jié)果顯示，不同植被指數(shù)和煙堿含量相關(guān)性差異較大，紅邊面積/藍(lán)邊面積指數(shù)SDr/SDb與煙堿含量相關(guān)性最大，達(dá)到0.97；對于不同的建模方法，以主成分回歸的建模效果最好，模型的測試決定系數(shù)和均方根誤差分別為0.924、0.29。因此，主成分回歸法是建立不同光質(zhì)條件下烤煙煙堿含量估測模型的最優(yōu)方法。

關(guān)鍵詞：高光譜；煙堿；植被指數(shù)；逐步回歸；主成分回歸

中圖分類號：S572.01文獻標(biāo)識號：A文章編號：1001-4942（2016）06-0142-05

煙堿是一種存在于生物體中含有氮雜環(huán)的有機化合物，也是煙草特有的化學(xué)組分。煙堿含量高低直接影響到煙葉色澤、吃味、刺激性和生理強度[1]。烤煙作為中國種植面積較大的一種經(jīng)濟作物，實時、準(zhǔn)確、快速和動態(tài)監(jiān)測煙葉中的煙堿含量，對合理指導(dǎo)田間施肥技術(shù)，提高葉片的工農(nóng)業(yè)可用性具有重要意義。近年來，高光譜技術(shù)作為一種農(nóng)作物含氮率信息的非損傷性獲取方法備受關(guān)注[2]。該技術(shù)擁有測量目標(biāo)連續(xù)波譜和分析目標(biāo)物質(zhì)成分的優(yōu)勢，可用來精準(zhǔn)監(jiān)測農(nóng)作物長勢和反演農(nóng)作物理化參數(shù)[3]。因此，建立煙堿含量的高光譜預(yù)測模型可以為烤煙煙堿含量的遙感監(jiān)測提供理論依據(jù)。

國內(nèi)外關(guān)于利用植物光譜反射率進行營養(yǎng)狀況診斷、作物生物量估測進行了大量研究。石吉勇等[4]利用近紅外技術(shù)對黃瓜氮、鎂營養(yǎng)狀況進行了快速無損診斷；朱艷等[5]對小麥頂部葉片葉綠素?zé)晒鈪?shù)和反射光譜特征的變化規(guī)律及其相互關(guān)系進行了分析，結(jié)果顯示小麥葉片葉綠素?zé)晒鈪?shù)Fv/Fm和Fv/Fo隨施氮水平提高呈上升趨勢；陳鵬飛等[6]利用主成分回歸法構(gòu)建了冬小麥籽粒蛋白質(zhì)含量的遙感預(yù)測模型；Curran等[7]對干松針葉的12種生化組分（葉綠素a、葉綠素b、葉綠素a+b、木質(zhì)素、氮、纖維素、水分、磷、蛋白質(zhì)、氨基酸、糖和淀粉）含量進行了高光譜預(yù)測。前人雖然對植物的生化指標(biāo)研究較多，但對高光譜在烤煙煙堿含量預(yù)測方面鮮有報道。

本文利用高光譜技術(shù)，在大田試驗數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，選擇反映含氮化合物的氮素營養(yǎng)參數(shù)，并與不同光質(zhì)條件下煙堿含量進行植被指數(shù)的線性和非線性擬合、逐步回歸分析和主成分回歸分析，篩選出煙堿含量的最優(yōu)高光譜監(jiān)測模型，旨在快速、準(zhǔn)確預(yù)測烤煙品質(zhì)和工農(nóng)業(yè)的可用性。

1材料與方法

1.1田間試驗設(shè)置

2012年在南陽金葉園進行試驗。該試驗地的基礎(chǔ)肥力：速效氮含量為56.1 mg/kg，速效磷含量為18.0 mg/kg，速效鉀含量為135.0 mg/kg，pH為7.47，有機質(zhì)含量為11.45 mg/kg。每個試驗施氮量為46 kg/hm2，氮磷鉀配比為1∶1∶3.5，且條施70%，穴施30%。

供試品種為云煙87，移栽時間為4月25日，種植密度為666.7m2 1 100株。試驗于移栽后30 d進行，以太陽光透過白色、綠色、藍(lán)色、紅色和黃色的濾光膜（生產(chǎn)廠商為上海偉康有色薄膜廠）獲取不同的光質(zhì)條件，并將其搭建在6 m×6 m×2.8 m的南北走向的拱形支架上。根據(jù)優(yōu)質(zhì)生產(chǎn)技術(shù)規(guī)范進行田間管理。

1.2光譜的采集及煙堿含量的測定

采用美國ASD公司生產(chǎn)的FieldSpec3野外光譜儀進行葉片光譜的測定。光譜儀的參數(shù)和測定方法見參考文獻[8]。葉片光譜的測定時期為：煙株打頂之后5（下部葉采收）、10、15、20、25、30（中部葉采收）、35、40、45、50天（上部葉采收）。將測定完葉片光譜的煙葉于105℃條件下殺青15 min，60℃烘干至恒重后過60目篩，帶回實驗室，采用AAⅢ型連續(xù)流動化學(xué)分析儀（德國BRAN+LUEBBE公司生產(chǎn)）測定煙堿含量。

1.3植被指數(shù)的構(gòu)建

從已有的研究中總結(jié)得出對植物氮素營養(yǎng)潛在敏感的10個植被指數(shù)（表1）。

1.4數(shù)據(jù)分析軟件

數(shù)據(jù)分析軟件主要包括ViewSpecPro、Microsoft Excel 2007和DPS v 7.05。樣本總量為85個，其中建模樣本60個，檢驗樣本25個。

1.5煙堿含量高光譜遙感模型的精度檢驗

選擇決定系數(shù)（R2）和均方根誤差（RMSE）評價模型的擬合效果。

2結(jié)果與分析

2.1煙堿含量與植被指數(shù)之間的相關(guān)性

通過分析烤煙煙堿含量與植被指數(shù)之間的相關(guān)性（表2）可知：煙堿含量與10種植被指數(shù)之間的相關(guān)性均達(dá)到了極顯著水平，其中紅邊比值指數(shù)ZM和歸一化差異指數(shù)ND705分別與煙堿含量呈極顯著負(fù)相關(guān)，其它呈極顯著正相關(guān)。紅邊面積/藍(lán)邊面積指數(shù)SDr/SDb與煙堿含量相關(guān)性最大，達(dá)到0.97，這可能是因為紅邊和藍(lán)邊面積包含較多氮營養(yǎng)敏感波段；最優(yōu)土壤調(diào)節(jié)植被指數(shù)OSAVI和紅邊敏感點參數(shù)REIP與煙堿含量相關(guān)性較大，達(dá)到0.90以上，但是紅邊敏感點參數(shù)REIP較最優(yōu)土壤調(diào)節(jié)植被指數(shù)OSAVI小。紅邊比值指數(shù)ZM和歸一化差異指數(shù)ND705與煙堿含量相關(guān)系數(shù)較小，這可能與植被指數(shù)包含的波段單一有關(guān)。易秋香等[15]研究表明，相同自變量不同擬合模型，擬合效果差別較大。提取與煙堿含量相關(guān)性較大的五個植被指數(shù)（mND705、SR、REIP、OSAVI、SDr/SDb）進行線性與非線性擬合、主成分回歸和逐步回歸，建立煙堿含量的最優(yōu)高光譜監(jiān)測模型。

2.2煙堿含量與植被指數(shù)之間的線性和非線性方程擬合

煙堿含量與植被指數(shù)之間的線性和非線性方程擬合結(jié)果（表2）顯示，煙堿含量與植被指數(shù)紅邊面積/藍(lán)邊面積指數(shù)SDr/SDb相關(guān)性最好。利用建模數(shù)據(jù)，對其進行以下線性和非線性函數(shù)的擬合：簡單線性函數(shù)y=a+bx；冪函數(shù)y=axb；指數(shù)函數(shù)：y=aebx；拋物線函數(shù)y=a+bx+cx2（y為煙堿含量的擬合值；x為植被指數(shù)；a、b、c均為常數(shù)）。由表3可知，煙堿含量與SDr/SDb之間以拋物線函數(shù)的擬合R2最大，達(dá)到0.94；指數(shù)函數(shù)擬合程度最差，擬合度僅為0.69。由此可知，煙堿含量與植被指數(shù)SDr/SDb之間的最優(yōu)非線性擬合回歸方程為：y=-0.79+0.42（SDr/SDb）-0.01（SDr/SDb）2。

2.3煙堿含量與植被指數(shù)之間的主成分回歸分析

主成分回歸分析可以有效避免在多元線性回歸分析中因自變量之間的多重共線性造成的誤差[16]。由表4可知，60個建模樣本中，植被指數(shù)之間存在極顯著相關(guān)關(guān)系，共線性現(xiàn)象嚴(yán)重。為充分合理利用各個植被指數(shù)，避免共線性造成的預(yù)測模型精度降低，在主成分分析之前，首先進行數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化處理。

表5為主成分回歸分析的結(jié)果，提取前4個能代表原變量99%變異的主成分，建立標(biāo)準(zhǔn)化煙堿含量預(yù)測模型，然后進一步去標(biāo)準(zhǔn)化，獲得基于植被指數(shù)估測煙堿含量的高光譜預(yù)測模型。主成分回歸分析獲得的煙堿含量高光譜預(yù)測模型的表達(dá)式為：煙堿含量=-7.63+0.13SDr/SDb+1.11OSAVI+0.89mND705+0.01SR+0.01REIP，決定系數(shù)R2為0.98。

2.4煙堿含量與植被指數(shù)之間的逐步回歸分析

利用DPS數(shù)據(jù)統(tǒng)計軟件進行逐步回歸分析，根據(jù)引入變量之后的顯著性進行變量的引入或者剔除，最終確定引入的變量為SDr/SDb、OSAVI和mNR705。逐步回歸分析最終獲得的預(yù)測模型為：煙堿含量=-1.69+0.12 SDr/SDb+2.55 OSAVI+0.7 mND705，決定系數(shù)為0.67。

為進一步研究煙堿含量與SDr/SDb、OSAVI和mNR705三個植被指數(shù)之間的數(shù)量關(guān)系，在逐步回歸分析的基礎(chǔ)上進行通徑分析（表6）。結(jié)果顯示：SDr/SDb與OSAVI和煙堿含量的通徑系數(shù)分別為0.5677、0.4716，即正相關(guān)；mND705與煙堿含量的通徑系數(shù)為-0.0231，即負(fù)相關(guān)。這與梁惠平等[3]的研究結(jié)果相反，可能和試驗處理以及試驗材料不同等有關(guān)。

2.5烤煙煙堿含量高光譜反演模型的精度檢驗

利用25組檢驗樣本，對線性和非線性最優(yōu)擬合方程、主成分回歸以及逐步回歸模型進行精度檢驗，確定最優(yōu)的煙堿含量高光譜預(yù)測模型。由圖1可以看出，主成分回歸和逐步回歸模型的預(yù)測效果較好，預(yù)測值和實測值之間的擬合決定系數(shù)R2達(dá)到0.9以上，但是逐步回歸模型的均方根誤差最高，達(dá)到0.49；拋物線模型的擬合度較低，決定系數(shù)僅為0.463，均方根誤差較高，預(yù)測效果差，可能與其參數(shù)比較單一有關(guān)。主成分回歸模型建模決定系數(shù)和預(yù)測效果最好，為最優(yōu)的預(yù)測模型，預(yù)測烤煙煙堿含量可行性強，預(yù)測較準(zhǔn)確。

3討論與結(jié)論

本研究采用大田試驗，利用葉片光譜反演不同光質(zhì)條件下的烤煙煙堿含量，比較分析植被指數(shù)法、主成分回歸法和逐步回歸法對煙堿含量預(yù)測的精度，得出以下結(jié)論：煙堿含量與植被指數(shù)之間存在極顯著相關(guān)性，其中與植被指數(shù)紅邊面積/藍(lán)邊面積指數(shù)SDr/SDb相關(guān)性最好。 主成分回歸分析能有效降低共線性對預(yù)測模型造成的不穩(wěn)定性，大大提高模型的穩(wěn)定性和普適性；主成分分析得到的煙堿含量預(yù)測模型最優(yōu)。

本研究所建立的模型是基于烤煙單一品種、單一年份的試驗數(shù)據(jù)，今后仍需要通過不同烤煙品種類型、不同生產(chǎn)力水平多年的田間試驗數(shù)據(jù)進行進一步的驗證與完善，從而達(dá)到快速檢測烤煙品質(zhì)，實現(xiàn)煙葉生產(chǎn)的信息化和規(guī)模化管理。

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