基于低成本RGB相機和近紅外相機的作物葉片葉綠素含量估測方法比較研究

王志超 王建軍 戴曉宇 戴琪星 葛皓 孫全

摘要：水稻、小麥等作物的葉片葉綠素含量與其最終產(chǎn)量密切相關(guān)。本文綜述了幾種常用的葉綠素含量測定方法，分析了化學(xué)分析法、SPAD-502葉綠素儀、高光譜分析法等方法的利弊，并重點介紹和探討了近年來日益獲得關(guān)注的通過低成本RGB相機和近紅外相機估測作物葉片葉綠素含量的新方法。RGB相機和近紅外相機估測葉綠素含量的精度與SPAD-502葉綠素儀和高光譜儀等專業(yè)設(shè)備相當(dāng)，而且具有低成本、操作簡單且便于攜帶的優(yōu)勢，具有良好的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：RGB相機；近紅外相機；作物葉片；葉綠素含量

中圖分類號： S511 文獻標識碼： A DOI編號： 10.14025/j.cnki.jlny.2018.24.031

葉綠素含量能反映作物體內(nèi)的氮素營養(yǎng)水平，兩者密切相關(guān)。氮素營養(yǎng)水平對作物生長發(fā)育進程影響顯著，能夠直接反映植被營養(yǎng)狀況及代謝，進而直接影響作物最終產(chǎn)量。化學(xué)分析法是傳統(tǒng)的葉綠素含量測定方法。例如，王得賢、陳福明等通過Arnon法和混合液法，以試驗田采樣、實驗室分析的方式測定葉綠素（Chl）含量。但是該方法要求剪取葉片樣本，具有破壞性，而且實踐表明化學(xué)分析法存在效率低及操作難度大等缺點，不適宜大范圍使用。

一些非破壞性葉綠素含量測定方法得到了應(yīng)用。葉綠素測定儀（SPAD-502）可以測量葉綠素相對含量，能夠減少對植物葉片的傷害并且實際操作方便快捷，但其測量結(jié)果具有局限性，只能代表特定測量位點，無法得知葉片整體葉綠素分布情況。

高光譜分析法近年來在作物葉綠素含量測定上發(fā)揮越來越重要的作用，研究者可采用FieldSpecPro3 光譜儀等儀器，通過分析高光譜參數(shù)和作物葉片葉綠素含量關(guān)系，建立多個模型，并從中篩選出最優(yōu)模型作為葉片葉綠素含量估測模型。但是，高光譜儀不便于攜帶，且成本高昂，不適用于大田試驗。

因此，探索易操作、低成本、高效率的作物葉片葉綠素含量測定方法是當(dāng)前的研究趨勢。近年來，低成本并便于攜帶的RGB相機和近紅外相機開始被用于估測作物葉片葉綠素含量。

1 葉綠素含量RGB相機估測

葉片顏色常用于判斷作物的生長狀況。隨著低成本RGB數(shù)碼相機的日益普及，利用RGB相機成像來評價葉片葉綠素含量更為高效。

Kawashima等通過拍攝作物葉片圖像，提取（R-B）/（R+B）等參數(shù)估算葉綠素含量。Jia 等發(fā)現(xiàn)，冬小麥在孕穗期和開花期，葉片圖像處理后所得的綠光強度與SPAD值的相關(guān)關(guān)系極顯著。Pagola 等[12]利用主成分分析法構(gòu)建的顏色參數(shù)IPCA ，應(yīng)用于大麥葉片后可估測其SPAD讀數(shù)。

基于前人研究，王遠等改進分析方法，提出對拍攝的圖像采取分割的方式，根據(jù)G、B兩通道差值大小設(shè)定閾值，再從結(jié)果中獲取特征參數(shù)。通過這種方法可以更為簡便地獲得高精度的SPAD估測值，具有較好的普適性和應(yīng)用價值。

2 葉綠素含量近紅外相機估測

使用低成本消費級近紅外相機可以獲得作物葉片的可見光圖像及近紅外圖像，張建等通過實驗發(fā)現(xiàn)，760nm（近紅外波段）反射率對水稻葉片SPAD值的預(yù)測效果最好。這與武倩雯等在研究玉米葉片葉綠素含量時所得結(jié)果基本一致。孟晉等通過對單反相機加載近紅外濾波片，獲取水稻多波段三個通道（R、G、B）光譜信息，發(fā)現(xiàn)R通道與葉綠素含量（SPAD）值的相關(guān)性最高，以此建立預(yù)測模型可高精度估測水稻葉綠素含量。

實驗表明，在估測作物葉片葉綠素含量方面，低成本消費級近紅外相機與高成本高光譜儀的估測精度基本相同[7]。但近紅外相機操作簡單、成本低廉的特點使其更具應(yīng)用前景。

3結(jié)語

通過對目前幾種常用的作物葉片葉綠素含量測量方法的比較，可以看出RGB相機和近紅外相機估測精度與SPAD-502葉綠素儀和高光譜儀等專業(yè)設(shè)備相當(dāng)，而且具有低成本、操作簡單且便于攜帶的優(yōu)勢。隨著數(shù)碼技術(shù)與成像技術(shù)的快速更新?lián)Q代，其應(yīng)用價值將會得到更大的提升。

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作者簡介：王志超，在讀本科生，研究方向：農(nóng)業(yè)信息技術(shù)。