基于光譜分析技術的農作物長勢研究

朱澤瀟

摘要：當今世界人口約為70億，而現今中國的人口約為14億，占世界人口比重約1/5，糧食的產量問題便成為了我國的頭號潛在威脅。中國普遍為傳統農業，其弊端為“精耕細作”，農業部門結構較單一，生產規模較小、科技含量較低等，很大程度上減少了糧食產量和糧食質量。“精確農業”這一概念在中國目前尚處于孕育的階段，有很大的發展前景，其本質是利用數字化的手段對農作物的狀態作出監控與調整，以達到提高農作物質量；增加農作物產量的目的[1]。本次課題主要就內容為利用微型光譜儀測定植物（葉片）的一些重要指標，主要包括含水量變化，生長的狀態，農作物與雜草的區別。希望通過此次研究能夠證實此項技術應用于精準農業的廣闊前景，或可對加快實現第一屆全國人民代表大會“四個現代化中”中“農業現代化”的目標起到一定的幫助。

關鍵詞：光譜技術；光譜分析技術；植物長勢；精準農業

1.緒論

1.1 研究背景與意義

隨著當今科技的不斷發展，我國“四個現代化”的目標不斷推進，科學技術現代化、工業現代化、國防現代化取得了顯著成就，而農業的生產方式總體尚處于粗放狀態[2]。長期以來我國一直面臨著糧食問題的潛在威脅。光譜曲線具有“物質指紋”的特性。利用這一特性監測農作物的各種參數（如含水量，生長狀況等）目的，便可以實現真正意義上的“精確農業”在現實中應用。

1.1.1研究現狀

中國農業基礎薄弱，與發達國家相比，我國的傳統農業存在許多問題，農業生產的自動化低，單位耕地面積的投入高，產出低，不能滿足國民對農業物資的需求[3]。我國重視并培養出相關方面一批優秀的人才；精準農業的發展已經取得了一定的成效[4]。

1.1.2本文方法的優勢

本次研究的優勢為取材簡單，易于測量和比對各項指標，并且能得到較為直觀的結果，數據易于統計和分析，結論簡單明了。

1.2論文的研究內容與組織結構

本文主要介紹了“精準農業”在我國的發展狀況，以及在農業生產中的實際應用。介紹了實驗儀器，設計了實驗對照，并且描述了實驗理念，樣本的的采集、檢測；數據處理以及分析，說明誤差，得出結論。最后提出展望，并致謝。

2.研究內容與方法

2.1研究條件

本次測試在戶外進行，所用的光源為太陽光（Reference），實驗設備為海洋光學USB2000+光譜儀，采用筆記本電腦寫入算法，直接連接儀器進行測量。

2.1.1實驗光源

本實驗于室外進行，故采用太陽光為實驗的參考光源（無遮擋），來測定樣本數據。下圖為測試時太陽光的參考數據（如圖）

2.1.2 測量儀器

此次實驗選用的測試儀器為海洋光學USB2000+光譜儀，數據處理儀器為筆記本電腦，與測量儀器直接連接。

2.1.3 檢測樣本

考慮到實驗目的與周邊環境因素以及取材的難易程度，本次實驗選擇在北京市海淀區的中關村公園內部進行數據采集。用手持探頭進行測定。將數據儲存。當日氣溫約為37攝氏度左右，晴天。

2.2詳細研究方法與過程

2.2.1 樣本設計與獲取

2.2.1.1 樣本設計

農作物以玉米，茄子，豇豆為樣本，考慮到這些作物均較為常見且種植面積很廣。雜草以狗尾草為樣本，該雜草也屬于比較雜草中比較常見的品種。參考光源均選用太陽光（無陰影遮擋）。

2.2.1.1 樣本采集過程

本次樣本采集與中關村公園內進行，與付錫祿導師以及徐聃一起騎車采集樣本，地點為中關村公園內的一片農家菜園找到了樣本設計中所需要的所有需要采集的樣本作物成體，以及所需的所有對照條件，包括含水量的不同，成熟情況的不同。

2.2.2 樣本檢測

將光譜儀與電腦連接，測出Dark數據后，以太陽光為Reference數據，先測量玉米葉片的數據，再測量狗尾草葉片的數據，最后分別測①-⑨號豌豆葉片的數據，其中分別包括失水情況以及生長程度兩個對照組。 24h后，再使用同樣的儀器，再測定一組數據（⑤、⑥、⑦三片同種生長情況的豇豆葉片不同失水情況的對比）并記錄。與24h前測出的⑤、⑥、⑦三片同種生長情況的豇豆葉片不同失水情況的數據做出對比，依次繪制出玉米葉片與狗尾草葉片的對比光譜曲線，不同生長狀態的豇豆葉片的對比光譜曲線，同一生長狀態不同含水量的豇豆葉片的對比光譜曲線，最終根據以上的結果得出相關結論。

2.2.3 數據處理

利用Matlab，得出玉米葉片的光強度曲線，再得到狗尾草的光強度曲線，將之前測得的光強度曲線轉化為光譜曲線。將兩條曲線放在一張表格上，做對比。同理測出豇豆葉片含水量的對比圖以及不同成熟情況的豇豆葉片的對比圖。

3.檢測結果與數據分析

3.1各樣品的結果

3.2對比分析1

玉米與狗尾草的對比圖像。（玉米cyan，狗尾草red）

3.2 對比分析2

同種葉片的不同成熟情況對比

嫩葉（red）成熟葉片（green）老葉片（blue）反射率由小到大。

3.2對比分析3

同種葉片的失水情況對比

葉片輕度失水（red）中度失水（green）重度失水（blue）

4.結論與展望

4.1 研究結論與創新點

通過這次實驗能夠得出光譜技術在農業生產方面是有很廣闊的發展前景與廣闊的提升空間的。本次測試的創新之處在于利用了光譜儀來測定植物葉片的反射率，操作十分便捷，并且測定的結果較為精準。

4.2 展望

鑒于自身學術水平的限制，在實驗方案的設計上需要更加的周全完善，有許多的因素需要去定量分析，只做定性的分析使得觀點有些蒼白。

參考文獻：

[1]：張儀，我國精準農業發展現狀（J），現代農業科技2017年7期.

[2]：光譜技術在農業領域的應用與展望（D），張瑞美，彭世彰.俊增.

[3]：董力偉，我國精準農業發展現狀（D），北京衛星導航生產力促進中心.

[4]：山西農業大學，2016級工學院研究生文獻綜述，光譜成像檢測技術在農產品檢測方面的應用和發展.