基于高光譜技術(shù)的大葉女貞葉綠素含量估算研究

河南大學(xué)美術(shù)學(xué)院 郭建慧

大葉女貞是一種常綠闊葉喬木，抗污能力強(qiáng)，可吸收、抵抗多種有害氣體，是園林綠化、景觀營(yíng)造中常用的樹(shù)種，其種植面積和數(shù)量在逐年增加。與此同時(shí)，如何準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)其生長(zhǎng)狀況，進(jìn)行精準(zhǔn)、高效的養(yǎng)護(hù)也日漸成為一個(gè)亟需解決的重要問(wèn)題。葉片色素是描述植物生長(zhǎng)狀態(tài)的重要指標(biāo)之一，其含量對(duì)植物的光合作用有著重要影響，能夠據(jù)此來(lái)評(píng)估植物的光合能力和初級(jí)生產(chǎn)力。而傳統(tǒng)的植物葉片色素含量測(cè)定多采用基于破壞性取樣的實(shí)驗(yàn)室理化方法，費(fèi)時(shí)費(fèi)力且對(duì)植物具有破壞性。高光譜技術(shù)能夠快速無(wú)損地獲取植物葉片的反射光譜信息，為高效、實(shí)時(shí)、無(wú)損估算葉片色素提供了一種有效的技術(shù)途徑。因此，利用高光譜技術(shù)估算葉片色素含量具有重要的實(shí)踐意義。

在以往的研究中，學(xué)者們多通過(guò)葉片的高光譜反射率構(gòu)建植被指數(shù)，進(jìn)而估算葉片中色素含量。Rouse發(fā)現(xiàn)歸一化植被指數(shù)（NDVI）與葉片中葉綠素的含量密切相關(guān)。王福民等通過(guò)研究所有光譜波段的兩兩組合構(gòu)建了歸一化色素指數(shù)，并以此建立了估算葉片色素含量的統(tǒng)計(jì)模型。Sims 等提出了綠色歸一化植被指數(shù)（Green NDVI），可以提高對(duì)高葉綠素含量葉片的估算精度。Gitelson 和Merzlyak 提出的綠色歸一化植被指數(shù)（Green NDVI）有效地避免了675 nm 附近葉綠素光譜吸收的影響，提高了NDVI 對(duì)高葉綠素含量葉片的估算精度。Chappelle 等基于大豆葉片提出了反射光譜的比值分析指數(shù)（RARS）估測(cè)葉片的葉綠素和類(lèi)胡蘿卜素的含量。Gamon 等在研究中建立了生理反射指數(shù)（PRI）用以估測(cè)葉片中類(lèi)胡蘿卜素（Car）和葉綠素的比值（Chl），之后PRI 廣泛應(yīng)用于植物生理狀態(tài)的光譜監(jiān)測(cè)中。許改平等通過(guò)測(cè)定不同條件下盆栽毛竹實(shí)生苗的色素含量和反射光譜發(fā)現(xiàn)，色素含量與光譜反射率在可見(jiàn)光的綠光和紅光區(qū)有顯著或極顯著的相關(guān)關(guān)系，為利用光譜反射率估測(cè)植物葉片色素含量提供了理論依據(jù)。

基于此，本研究以高光譜遙感為主要手段，通過(guò)對(duì)大葉女貞葉片反射光譜和葉片色素含量之間的相關(guān)性進(jìn)行分析，探討葉片尺度上利用高光譜技術(shù)獲取葉片色素含量的可行性，進(jìn)而建立大葉女貞葉片色素含量的定量估算模型，以期為大葉女貞生長(zhǎng)狀況的實(shí)時(shí)、快速、無(wú)損監(jiān)測(cè)提供理論依據(jù)和技術(shù)參考。

一、材料與方法

（一）取樣及反射光譜獲取

本研究在河南農(nóng)業(yè)大學(xué)文化路校區(qū)進(jìn)行，在樣地中隨機(jī)選取生長(zhǎng)狀況良好的大葉女貞，使用自制取葉器將樹(shù)葉完整采下，隨后立即將樹(shù)葉放入美國(guó)ASD 公司生產(chǎn)的FieldSpec 4 地物光譜輻射儀自帶的葉片夾中進(jìn)行測(cè)量，光譜測(cè)量范圍為350～2500 nm。光譜測(cè)量完成后，將葉片取下標(biāo)記并放入帶有冰袋的保溫箱中，帶回實(shí)驗(yàn)室，以液氮冷凍保存。

（二）葉片色素含量測(cè)定

采用分光光度計(jì)法測(cè)定每組葉片樣本的葉綠素（Chl）含量和類(lèi)胡蘿卜素（Car）含量。

（三）數(shù)據(jù)分析

本研究將60 個(gè)實(shí)驗(yàn)樣品按照2：1 比例隨機(jī)分成建模集和檢驗(yàn)集，然后利用建模集數(shù)據(jù)構(gòu)建基于光譜反射率的大葉女貞葉片色素的偏最小二乘回歸模型，利用檢驗(yàn)集數(shù)據(jù)對(duì)所構(gòu)建的回歸估測(cè)模型的精度進(jìn)行檢驗(yàn)，采用決定系數(shù)（R2）和均方根誤差（RMSE）作為評(píng)價(jià)指標(biāo)。

二、結(jié)果與分析

（一）大葉女貞葉片色素含量與光譜反射率的相關(guān)性分析

將實(shí)驗(yàn)中大葉女貞葉片色素含量與葉片光譜反射率進(jìn)行相關(guān)性分析（下頁(yè)圖1）。由圖1 中可看出，葉綠素（Chl）和類(lèi)胡蘿卜素（Car）與光譜反射率的相關(guān)性趨勢(shì)基本一致，即在可見(jiàn)光波段（350～780 nm）呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，在近紅外區(qū)域（800～1300 nm）呈正相關(guān)關(guān)系，在1300 nm 以后的波段里，由于水分吸收的影響，存在兩個(gè)波谷和兩個(gè)波峰。葉綠素（Chl）和類(lèi)胡蘿卜素（Car）與光譜反射率的相關(guān)性整體較好，大部分波段與葉片色素的相關(guān)系數(shù)絕對(duì)值均在0.4 以上，能夠以光譜反射率為輸入值建立估測(cè)葉片色素含量的偏最小二乘回歸模型。

圖1 大葉女貞葉片色素與光譜反射率的相關(guān)性

（二）基于偏最小二乘回歸的大葉女貞葉片色素遙感估測(cè)模型的構(gòu)建

偏最小二乘回歸是一種新的多元回歸方法，它是在自變量和因變量中各自找到一些相互獨(dú)立的主成分，然后按照計(jì)算主成分得到的特征值的大小選取部分主成分，用這些主成分代替原來(lái)的變量進(jìn)行多元線性回歸。因?yàn)橛脕?lái)作線性回歸的這些主成分是獨(dú)立的，所以它能夠較好地解決自變量的共線性問(wèn)題，故偏最小二乘回歸廣泛應(yīng)用于光譜數(shù)據(jù)分析中。在偏最小二乘回歸模型參數(shù)中，主成分個(gè)數(shù)是影響模型性能的關(guān)鍵參數(shù)，多通過(guò)交叉驗(yàn)證選擇。在本研究中，利用十折交叉驗(yàn)證的方法，以均方根誤差（RMSE）為評(píng)價(jià)指標(biāo)，所選取的估測(cè)大葉女貞葉綠素和類(lèi)胡蘿卜素的偏最小二乘回歸模型的主成分個(gè)數(shù)分別為5 和4。

圖2 展示了基于葉片反射光譜的大葉女貞葉綠素（Chl）和類(lèi)胡蘿卜素（Car）的偏最小二乘回歸遙感估測(cè)模型的性能表現(xiàn)。從圖2 可以看出葉片反射光譜的大葉女貞葉綠素（Chl）和類(lèi)胡蘿卜素（Car）的偏最小二乘回歸的決定系數(shù)（R2）分別為0.877 和0.814，均方根誤差（RMSE）分別為4.665 和2.85，具有良好的估測(cè)精度。

圖2 基于葉片反射光譜的大葉女貞葉綠素（Chl）和類(lèi)胡蘿卜素（Car）的偏最小二乘回歸遙感估測(cè)模型

（三）模型檢驗(yàn)

利用獨(dú)立于建模集樣本外的檢驗(yàn)集數(shù)據(jù)對(duì)上一節(jié)中所建立的偏最小二乘回歸模型進(jìn)行檢驗(yàn)（圖3）。由圖3 可看出，基于葉片反射光譜的大葉女貞葉綠素（Chl）和類(lèi)胡蘿卜素（Car）的偏最小二乘回歸遙感估測(cè)模型檢驗(yàn)結(jié)果較好，其決定系數(shù)（R2）分別為0.804 和0.736，均方根誤差（RMSE）分別為8.332 和3.29，這說(shuō)明偏最小二乘回歸模型能夠?qū)Υ笕~女貞的葉片色素含量進(jìn)行較為準(zhǔn)確的監(jiān)測(cè)，具有一定的利用潛力。

圖3 基于葉片反射光譜的大葉女貞葉綠素（Chl）和類(lèi)胡蘿卜素（Car）的偏最小二乘回歸遙感估測(cè)模型檢驗(yàn)結(jié)果

三、結(jié)論與討論

葉片色素與植物葉片的生理功能密切相關(guān)，其含量對(duì)植物的光合能力有著重要影響。利用遙感技術(shù)估測(cè)葉面積指數(shù)的研究也有較多的建模方法應(yīng)用于葉片色素估測(cè)模型中。但是由于不同植物葉片的特異性，使得葉片色素的光譜估測(cè)模型的移植性較低，如果想要得到特定植物較高的葉片色素的光譜估測(cè)精度，就需要獲取特定植物的生理參數(shù)和光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行建模分析。本研究基于大葉女貞的葉片色素含量和葉片反射光譜數(shù)據(jù)，系統(tǒng)分析大葉女貞葉綠素含量和類(lèi)胡蘿卜素含量與光譜反射率的相關(guān)性，并構(gòu)建和檢驗(yàn)了基于光譜反射率的大葉女貞葉綠素含量和類(lèi)胡蘿卜素含量的偏最小二乘回歸遙感估測(cè)模型。結(jié)果表明，基于光譜反射率所建立大葉女貞葉綠素含量和類(lèi)胡蘿卜素含量的偏最小二乘回歸遙感估測(cè)模型具有較好的精度和穩(wěn)定性，其預(yù)測(cè)決定系數(shù)（R2）分別為0.804 和0.736，均方根誤差（RMSE）分別為8.332 和3.29，能夠較好地估測(cè)大葉女貞的葉片色素含量。因此，在日常的綠化生產(chǎn)和養(yǎng)護(hù)中，可以利用高光譜遙感技術(shù)實(shí)時(shí)無(wú)損地估測(cè)大葉女貞的葉片色素含量。

此外，大葉女貞雖然為重要綠化樹(shù)種，但有關(guān)葉片色素的遙感光譜估測(cè)的研究較少。本研究通過(guò)對(duì)大葉女貞的葉片色素含量和葉片反射光譜數(shù)據(jù)的建模分析，構(gòu)建了估測(cè)精度較高的偏最小二乘回歸模型，促進(jìn)了大葉女貞葉片色素含量的實(shí)時(shí)無(wú)損監(jiān)測(cè)技術(shù)研究進(jìn)展。