Применение технологии гиперспектральной съемки в выращивании табака
Гиперспектральная съемка относится к технологии получения ряда очень узких и непрерывных спектральных данных объекта в ультрафиолетовом, видимом и ближнем инфракрасном диапазонах электромагнитного спектра. Полученные спектральные данные содержат большой объем исходной информации о спектральном отражении. Если добавить первую, вторую производные исходного спектрального отражения, логарифмическое преобразование, параметры гиперспектральных характеристик и т.д., то объем информации может быть увеличен еще больше. Поэтому гиперспектральная съемка получила широкое применение и быстро развивается. Предшественниками были проведены углубленные исследования по применению гиперспектральной съемки риса, сои, пшеницы и других культур. В последние годы все больше исследователей табака обращают свое внимание на гиперспектральную съемку. Они используют гиперспектральные технологии для вывода законов изменения различных факторов, влияющих на спектральные характеристики табака. При этом были выбраны некоторые параметры мониторинга и созданы соответствующие модели оценки. К биохимическим показателям в основном относятся: влажность, пигмент, сахар, N, P, K, никотиновая кислота и микроэлементы. Гиперспектральная съемка быстро развивается в исследованиях информационных моделей дистанционного зондирования сельского хозяйства, спектроскопии полога сельскохозяйственных культур, спектроскопии листьев, экстракции и инверсии биофизических параметров, а также мониторинга роста сельскохозяйственных культур. В последние годы исследования и применение гиперспектральных технологий в выращивании табака также вступили в стадию быстрого развития и получили широкое применение, в том числе исследования биохимических параметров. Исследования Томаса и др. показали, что отражательная способность табака в полосе видимого света увеличивается при недостатке азота и уменьшается при увеличении содержания хлорофилла и каротиноидов. Была создана модель оценки содержания пигмента. Лю Дашуан и другие провели линейную и нелинейную подгонку спектров табака, зараженного мозаичной болезнью в различной степени, для оценки содержания хлорофилла. Су Юнши и другие проанализировали спектральные характеристики полога табака при различных уровнях внесения азота. Также была изучена корреляция между спектром, индексом площади листьев и содержанием хлорофилла. Исследования показали, что можно использовать установленную модель оценки для быстрого мониторинга состояния роста табака и своевременного управления табачными полями. Ван Цзяньвэй и др. проанализировали корреляцию между гиперспектральной отражательной способностью листьев табака, спектральной отражательной способностью листьев и спектральной отражательной способностью листьев после отверждения с помощью химических индикаторов и ароматических индикаторов и создали соответствующую модель спектральной оценки. Автор акцентирует внимание на ходе исследований результатов и методов использования технологии гиперспектральной съемки для мониторинга биохимических параметров табака в последние годы и прогнозирует дальнейшую тенденцию развития гиперспектральной съемки для табачной промышленности.
1. Спектральные характеристики табака и влияние на него различных факторов
Табак обладает типичными спектральными характеристиками зеленой растительности, которые определяются его клеточным строением, химическим составом и морфологическими особенностями. На спектральные характеристики табака влияют такие факторы, как свет, влажность, удобрения, тип сорта, период роста, участок табачного листа, вредители и болезни.
1.1 Влияние света на спектральные характеристики табака
Свет является одним из необходимых условий роста и развития растений, который обеспечивает энергию растениям для осуществления фотосинтеза. Как интенсивность света, так и условия качества света оказывают значительное влияние на спектральные характеристики табака. Цзя Фанфан обнаружил, что при различных условиях затенения спектральное отражение листьев постепенно уменьшалось по мере увеличения степени затенения, и это было более очевидно в диапазоне видимого (350-700 нм) и ближнего инфракрасного диапазонов спектра (750-1000 нм). Исследования Син Сюэся показали, что различные условия качества света мало влияют на спектральную кривую табака, но они значительно влияют на его спектральное отражение.
1.2 Влияние влаги на спектральные характеристики табака
Влага оказывает важное влияние на рост, развитие и качество табака. Факторы влажности оказывают прямое влияние на внутренние и внешние физико-химические свойства табака, что косвенно влияет на его спектральные характеристики. На характеристики отражения табачных листьев в ближнем инфракрасном диапазоне (положение «красного края»), очевидно, влияет влажность. В течение всего вегетационного периода, когда влажность почвы уменьшается, положение «красного края» табачных листьев смещается в длинноволновом направлении, и это явление значительно. В период расширения корней и долгосрочного периода цветения амплитуда и площадь «красных краев» листьев претерпевают явление красного смещения с увеличением влажности почвы, а явление «синих краев» происходит с увеличением влажности почвы в период созревания. Исследования показали, что существуют существенные различия в спектральном отражении листьев табака и полога при различных условиях увлажнения. С увеличением влажности почвы бимодальное явление «красного края» дифференциального спектра первого порядка полога становится все более значительным.
1.3 Влияние удобрения на спектральные характеристики табака
Азот, фосфор и калий называются 3 элементами роста и развития табака. Они являются компонентами многих соединений в табаке и тесно связаны с различными физиологическими и биохимическими процессами, которые непосредственно влияют на физико-химические свойства табачных листьев внутри и снаружи. В результате исследования установлено, что в видимом диапазоне спектральное отражение табачных листьев и полога уменьшается с увеличением внесения азота. Это связано с увеличением содержания пигмента в листьях с увеличением внесения азота, что приводит к увеличению поглощения света листьями; в ближнем инфракрасном диапазоне спектральное отражение табачных листьев и полога увеличивается с увеличением внесения азота. Это связано с увеличением клеток листа с увеличением внесения азота, увеличением клеточного зазора и повышением степени гидратации клеточной стенки, что приводит к многократным отражениям света в клетках ткани листа. Количество применяемого азота также будет влиять на положение «красных краев» табачных листьев. С увеличением внесения азота возникало явление «красного смещения» в положении «красных краев» листьев в течение одного и того же вегетационного периода. Исследования Лу Сяона показывают, что с увеличением применения азота спектр первой производной табачного полога имеет тенденцию смещаться в направлении длинных волн, и явление «бимодальности» становится все более значительным. Положение красного края табачного полога существенно не меняется, но площадь и амплитуда «красного края» демонстрируют тенденцию к увеличению. Исследования Ли Сянъяна и других показали, что с увеличением уровня поступления калия спектральная отражательная способность табачных листьев имеет тенденцию к снижению, особенно в зеленой части спектра. Ли Сянъян установил, что коэффициент отражения полога в видимом диапазоне уменьшается с увеличением количества применяемого фосфора. Получены определенные результаты исследований влияния фосфора на спектральные характеристики других культур, таких как озимая пшеница и яровая кукуруза.
1.4 Различия в спектральных характеристиках различных видов и сортов табака
Разные виды и сорта табака имеют разные генетические характеристики, которые определяют, что будут существовать различия в физиологических и биохимических характеристиках и содержании химических веществ в листьях табака в процессе роста, что приведет к различным спектральным характеристикам табака. Изучая спектральные характеристики полога табака Берли, табака дымовой сушки и восточного табака, Лю Гошунь и другие обнаружили, что табак Берли имеет самый большой коэффициент отражения полога в зеленом и ближнем инфракрасном диапазонах спектра, за ним следуют табак дымовой сушки и восточный табак. На отражение в зеленом диапазоне в основном влияет содержание хлорофилла. Листовые пластинки табака Берли светло-зеленые, с беловатыми прожилками и низким содержанием хлорофилла, поэтому коэффициент отражения самый большой; листовые пластинки табака дымовой сушки и восточного зеленые, но из-за малой высоты растений и высокой плотности посадки в поле зрения камеры попадает высокое содержание хлорофилла, поэтому коэффициент отражения табака дымовой сушки больше, чем восточного. Ли Фулинь изучил отражательную способность листьев этих трех видов табака и обнаружил, что в видимом и ближнем инфракрасном диапазонах отражательная способность листьев табака Берли больше, чем у двух других видов; в видимом диапазоне отражательная способность листьев восточного табака больше, чем у табака дымовой сушки, в то время как в ближнем инфракрасном диапазоне у табака дымовой сушки больше, чем у восточного. Существуют также различия в спектральных характеристиках разных сортов табака. Предшественники в основном изучали различия в спектральных характеристиках разных сортов табака дымовой сушки.
1.5 Различия спектральных характеристик табака в разные вегетационные периоды
По мере роста наблюдаются значительные различия в отражательной способности полога и листьев табака. По мере вегетационного периода спектральная отражательная способность листьев в диапазоне видимого света увеличивается, что в основном обусловлено снижением содержания хлорофилла и влажности листьев. После пересадки корневая система растений табака быстро растет, листья вытягиваются, а содержание хлорофилла на единицу площади листьев уменьшается; при вступлении в благополучный период содержание хлорофилла в листьях снижается, также снижается содержание влаги; при вступлении в зрелый период в это время разрушается большое количество хлорофилла; эта серия изменений приводит к непрерывному снижению поглощения листьев в красном и синем диапазонах спектра, что в конечном итоге приводит к увеличению коэффициента отражения. Увеличение коэффициента спектрального отражения листьев в ближнем инфракрасном диапазоне в основном обусловлено изменениями клеточной структуры листьев. По мере вегетационного периода зазор между клетками листа расширяется. Резкое изменение показателя преломления приводит к увеличению количества отражающих поверхностей, что в конечном итоге приводит к увеличению коэффициента отражения в ближнем инфракрасном диапазоне.
1.6 Различия в спектральных характеристиках положений табачного листа
Существуют большие различия в спектральном отражении листьев в разных частях одного и того же растения. В видимом свете спектральная отражательная способность табачных листьев выглядит следующим образом: нижний лист > средний лист > верхний лист, а в ближнем инфракрасном диапазоне верно обратное. Это связано с тем, что листья табака в верхней части растения накапливают меньше хлорофилла в полосе видимого света, в то время как различия в ближнем инфракрасном диапазоне обусловлены главным образом различной клеточной структурой листьев табака в разных частях. Чем плотнее клеточная структура и расположение листьев табака в верхней части и чем плотнее расположение клеток, тем выше спектральный коэффициент отражения. Кроме того существуют также различия в спектральном отражении различных частей одного и того же листа. Исследования Ли Фулиня показывают, что в зеленом диапазоне спектральное отражение листьев постепенно увеличивается от основания листа к кончику и от центра к краю.
1.7 Влияние вредителей и болезней на спектральные характеристики табака
Различают две основные формы поражения табака вредителями и болезнями: изменение внешней морфологии и изменение внутренних физиологических эффектов. Эти изменения неизбежно вызывают изменения спектральных характеристик табака, которые особенно очевидны в красном и ближнем инфракрасном диапазонах. Когда Ван Мэй изучала гиперспектральные характеристики больного табака, она обнаружила, что спектральное отражение больных листьев и полога зараженного болезнью табака было значительно ниже, чем у здорового. С увеличением степени заболевания явление «синего смещения» происходило на «красном крае» спектра болезни табачного листа в течение всего вегетационного периода, в то время как явление «красного смещения» происходило для полога. Лю Дашуан и другие сообщили, что после заражения NC89 вирусом табачной мозаики табак дымовой сушки потерял свой зеленый цвет под воздействием стресса, положение «зеленого пика» сместилось в сторону красного света, а положение «красного края» – в сторону синего света. После инокуляции вирусом табачной мозаики, когда больные листья не могли наблюдаться невооруженным глазом, характерная спектральная кривая листьев изменилась, и для диагностики можно было использовать гиперспектрометрию. Когда Цяо Хунбо и другие исследовали влияние разного количества табачной тли на спектральные характеристики, они обнаружили, что, по сравнению со здоровыми листьями, спектральная отражательная способность слабо, умеренно и сильно поврежденных листьев снизилась на 12%, 27% и 52% в зеленой части спектра и на 15%, 20% и 38% в ближней инфракрасной соответственно.
Перспективы исследований
Исследования показали, что факторы света, воды и удобрений, типы сортов и периоды вегетации оказывают определенное влияние на спектральные характеристики табака. Использование гиперспектральной съемки позволяет более точно диагностировать и контролировать рост табака, состояние питательных веществ, урожайность и качество табачных листьев, что имеет широкие перспективы применения. В настоящее время с использованием гиперспектральной съемки были проведены более обширные исследования табака и предложен ряд моделей мониторинга и оценки. Однако, поскольку каждая модель имеет специфические методы исследования и условия, трудно найти общую модель, поэтому необходимо установить более полные и более крупные параметры выборки для коррекции, чтобы уменьшить различия в классификации сортов, типах сортов, экологических условиях и управлении выращиванием в реальном производстве. В будущем исследования в области гиперспектральной съемки табака должны быть сосредоточены на совершенствовании и расширении базы данных спектра табака, улучшении сбора и обработки гиперспектральных данных, а также усилении комбинированного применения технологий ГИС и GPS для продвижения применения гиперспектральной съемки в его выращивании.
1. Спектральные характеристики табака и влияние на него различных факторов
Табак обладает типичными спектральными характеристиками зеленой растительности, которые определяются его клеточным строением, химическим составом и морфологическими особенностями. На спектральные характеристики табака влияют такие факторы, как свет, влажность, удобрения, тип сорта, период роста, участок табачного листа, вредители и болезни.
1.1 Влияние света на спектральные характеристики табака
Свет является одним из необходимых условий роста и развития растений, который обеспечивает энергию растениям для осуществления фотосинтеза. Как интенсивность света, так и условия качества света оказывают значительное влияние на спектральные характеристики табака. Цзя Фанфан обнаружил, что при различных условиях затенения спектральное отражение листьев постепенно уменьшалось по мере увеличения степени затенения, и это было более очевидно в диапазоне видимого (350-700 нм) и ближнего инфракрасного диапазонов спектра (750-1000 нм). Исследования Син Сюэся показали, что различные условия качества света мало влияют на спектральную кривую табака, но они значительно влияют на его спектральное отражение.
1.2 Влияние влаги на спектральные характеристики табака
Влага оказывает важное влияние на рост, развитие и качество табака. Факторы влажности оказывают прямое влияние на внутренние и внешние физико-химические свойства табака, что косвенно влияет на его спектральные характеристики. На характеристики отражения табачных листьев в ближнем инфракрасном диапазоне (положение «красного края»), очевидно, влияет влажность. В течение всего вегетационного периода, когда влажность почвы уменьшается, положение «красного края» табачных листьев смещается в длинноволновом направлении, и это явление значительно. В период расширения корней и долгосрочного периода цветения амплитуда и площадь «красных краев» листьев претерпевают явление красного смещения с увеличением влажности почвы, а явление «синих краев» происходит с увеличением влажности почвы в период созревания. Исследования показали, что существуют существенные различия в спектральном отражении листьев табака и полога при различных условиях увлажнения. С увеличением влажности почвы бимодальное явление «красного края» дифференциального спектра первого порядка полога становится все более значительным.
1.3 Влияние удобрения на спектральные характеристики табака
Азот, фосфор и калий называются 3 элементами роста и развития табака. Они являются компонентами многих соединений в табаке и тесно связаны с различными физиологическими и биохимическими процессами, которые непосредственно влияют на физико-химические свойства табачных листьев внутри и снаружи. В результате исследования установлено, что в видимом диапазоне спектральное отражение табачных листьев и полога уменьшается с увеличением внесения азота. Это связано с увеличением содержания пигмента в листьях с увеличением внесения азота, что приводит к увеличению поглощения света листьями; в ближнем инфракрасном диапазоне спектральное отражение табачных листьев и полога увеличивается с увеличением внесения азота. Это связано с увеличением клеток листа с увеличением внесения азота, увеличением клеточного зазора и повышением степени гидратации клеточной стенки, что приводит к многократным отражениям света в клетках ткани листа. Количество применяемого азота также будет влиять на положение «красных краев» табачных листьев. С увеличением внесения азота возникало явление «красного смещения» в положении «красных краев» листьев в течение одного и того же вегетационного периода. Исследования Лу Сяона показывают, что с увеличением применения азота спектр первой производной табачного полога имеет тенденцию смещаться в направлении длинных волн, и явление «бимодальности» становится все более значительным. Положение красного края табачного полога существенно не меняется, но площадь и амплитуда «красного края» демонстрируют тенденцию к увеличению. Исследования Ли Сянъяна и других показали, что с увеличением уровня поступления калия спектральная отражательная способность табачных листьев имеет тенденцию к снижению, особенно в зеленой части спектра. Ли Сянъян установил, что коэффициент отражения полога в видимом диапазоне уменьшается с увеличением количества применяемого фосфора. Получены определенные результаты исследований влияния фосфора на спектральные характеристики других культур, таких как озимая пшеница и яровая кукуруза.
1.4 Различия в спектральных характеристиках различных видов и сортов табака
Разные виды и сорта табака имеют разные генетические характеристики, которые определяют, что будут существовать различия в физиологических и биохимических характеристиках и содержании химических веществ в листьях табака в процессе роста, что приведет к различным спектральным характеристикам табака. Изучая спектральные характеристики полога табака Берли, табака дымовой сушки и восточного табака, Лю Гошунь и другие обнаружили, что табак Берли имеет самый большой коэффициент отражения полога в зеленом и ближнем инфракрасном диапазонах спектра, за ним следуют табак дымовой сушки и восточный табак. На отражение в зеленом диапазоне в основном влияет содержание хлорофилла. Листовые пластинки табака Берли светло-зеленые, с беловатыми прожилками и низким содержанием хлорофилла, поэтому коэффициент отражения самый большой; листовые пластинки табака дымовой сушки и восточного зеленые, но из-за малой высоты растений и высокой плотности посадки в поле зрения камеры попадает высокое содержание хлорофилла, поэтому коэффициент отражения табака дымовой сушки больше, чем восточного. Ли Фулинь изучил отражательную способность листьев этих трех видов табака и обнаружил, что в видимом и ближнем инфракрасном диапазонах отражательная способность листьев табака Берли больше, чем у двух других видов; в видимом диапазоне отражательная способность листьев восточного табака больше, чем у табака дымовой сушки, в то время как в ближнем инфракрасном диапазоне у табака дымовой сушки больше, чем у восточного. Существуют также различия в спектральных характеристиках разных сортов табака. Предшественники в основном изучали различия в спектральных характеристиках разных сортов табака дымовой сушки.
1.5 Различия спектральных характеристик табака в разные вегетационные периоды
По мере роста наблюдаются значительные различия в отражательной способности полога и листьев табака. По мере вегетационного периода спектральная отражательная способность листьев в диапазоне видимого света увеличивается, что в основном обусловлено снижением содержания хлорофилла и влажности листьев. После пересадки корневая система растений табака быстро растет, листья вытягиваются, а содержание хлорофилла на единицу площади листьев уменьшается; при вступлении в благополучный период содержание хлорофилла в листьях снижается, также снижается содержание влаги; при вступлении в зрелый период в это время разрушается большое количество хлорофилла; эта серия изменений приводит к непрерывному снижению поглощения листьев в красном и синем диапазонах спектра, что в конечном итоге приводит к увеличению коэффициента отражения. Увеличение коэффициента спектрального отражения листьев в ближнем инфракрасном диапазоне в основном обусловлено изменениями клеточной структуры листьев. По мере вегетационного периода зазор между клетками листа расширяется. Резкое изменение показателя преломления приводит к увеличению количества отражающих поверхностей, что в конечном итоге приводит к увеличению коэффициента отражения в ближнем инфракрасном диапазоне.
1.6 Различия в спектральных характеристиках положений табачного листа
Существуют большие различия в спектральном отражении листьев в разных частях одного и того же растения. В видимом свете спектральная отражательная способность табачных листьев выглядит следующим образом: нижний лист > средний лист > верхний лист, а в ближнем инфракрасном диапазоне верно обратное. Это связано с тем, что листья табака в верхней части растения накапливают меньше хлорофилла в полосе видимого света, в то время как различия в ближнем инфракрасном диапазоне обусловлены главным образом различной клеточной структурой листьев табака в разных частях. Чем плотнее клеточная структура и расположение листьев табака в верхней части и чем плотнее расположение клеток, тем выше спектральный коэффициент отражения. Кроме того существуют также различия в спектральном отражении различных частей одного и того же листа. Исследования Ли Фулиня показывают, что в зеленом диапазоне спектральное отражение листьев постепенно увеличивается от основания листа к кончику и от центра к краю.
1.7 Влияние вредителей и болезней на спектральные характеристики табака
Различают две основные формы поражения табака вредителями и болезнями: изменение внешней морфологии и изменение внутренних физиологических эффектов. Эти изменения неизбежно вызывают изменения спектральных характеристик табака, которые особенно очевидны в красном и ближнем инфракрасном диапазонах. Когда Ван Мэй изучала гиперспектральные характеристики больного табака, она обнаружила, что спектральное отражение больных листьев и полога зараженного болезнью табака было значительно ниже, чем у здорового. С увеличением степени заболевания явление «синего смещения» происходило на «красном крае» спектра болезни табачного листа в течение всего вегетационного периода, в то время как явление «красного смещения» происходило для полога. Лю Дашуан и другие сообщили, что после заражения NC89 вирусом табачной мозаики табак дымовой сушки потерял свой зеленый цвет под воздействием стресса, положение «зеленого пика» сместилось в сторону красного света, а положение «красного края» – в сторону синего света. После инокуляции вирусом табачной мозаики, когда больные листья не могли наблюдаться невооруженным глазом, характерная спектральная кривая листьев изменилась, и для диагностики можно было использовать гиперспектрометрию. Когда Цяо Хунбо и другие исследовали влияние разного количества табачной тли на спектральные характеристики, они обнаружили, что, по сравнению со здоровыми листьями, спектральная отражательная способность слабо, умеренно и сильно поврежденных листьев снизилась на 12%, 27% и 52% в зеленой части спектра и на 15%, 20% и 38% в ближней инфракрасной соответственно.
Перспективы исследований
Исследования показали, что факторы света, воды и удобрений, типы сортов и периоды вегетации оказывают определенное влияние на спектральные характеристики табака. Использование гиперспектральной съемки позволяет более точно диагностировать и контролировать рост табака, состояние питательных веществ, урожайность и качество табачных листьев, что имеет широкие перспективы применения. В настоящее время с использованием гиперспектральной съемки были проведены более обширные исследования табака и предложен ряд моделей мониторинга и оценки. Однако, поскольку каждая модель имеет специфические методы исследования и условия, трудно найти общую модель, поэтому необходимо установить более полные и более крупные параметры выборки для коррекции, чтобы уменьшить различия в классификации сортов, типах сортов, экологических условиях и управлении выращиванием в реальном производстве. В будущем исследования в области гиперспектральной съемки табака должны быть сосредоточены на совершенствовании и расширении базы данных спектра табака, улучшении сбора и обработки гиперспектральных данных, а также усилении комбинированного применения технологий ГИС и GPS для продвижения применения гиперспектральной съемки в его выращивании.
23 марта / 2022
