玉米粗脂肪含量高光譜估算模型初探

玉米被用作飼料和加工業(yè)原料。粗脂肪的含量是判定飼料產(chǎn)品質(zhì)量和等級(jí)的重要指標(biāo)。目前, 飼料中的粗脂肪一般依據(jù)GBY643321986 測定,然而現(xiàn)行的化學(xué)分析手段已不能滿足農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)展的要求,尤其是在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)領(lǐng)域,快速、適時(shí)、準(zhǔn)確的植物營養(yǎng)診斷方法成了植物營養(yǎng)領(lǐng)域中研究的熱點(diǎn)。

高光譜遙感(hyperspectral remote sensing) 是當(dāng)前遙感前沿技術(shù)。它是指利用很多很窄(一般< 10 nm) 的電磁波波段從感興趣的物體獲取有關(guān)數(shù)據(jù)。近年來,隨著高光譜分辨率遙感技術(shù)的應(yīng)用,使遙感可以在光譜維上展開,能直接對(duì)地物進(jìn)行微弱光譜差異的定量分析,在植被遙感研究與應(yīng)用中表現(xiàn)出強(qiáng)大優(yōu)勢。

國內(nèi)外對(duì)玉米生化成分含量與高光譜反射率之間的關(guān)系已有一些報(bào)道,如Daughtry 等研究表明,玉米葉片葉綠素含量與葉片水平及冠層水平的光譜反射率之間密切相關(guān),譚昌偉等通過夏玉米冠層光譜參量建立了全氮含量和葉綠素含量的預(yù)測數(shù)學(xué)模型,表明利用一階微分光譜和紅邊位置推算夏玉米冠層葉綠素含量不僅可行而且反演精度較高;程一松等研究了不同氮素營養(yǎng)條件下夏玉米的光譜特性,確定了全生育期以及不同生育階段的葉綠素敏感波段范圍,Graeff 和Claupein 等研究表明可通過冠層光譜反射率來診斷玉米氮素狀況,蔣海榮等認(rèn)為利用玉米冠層光譜可對(duì)葉片纖維素和半纖維素含量進(jìn)行估算。以上研究多是分析葉綠素和氮素含量與光譜反射率之間的關(guān)系,對(duì)玉米粗纖維含量與光譜之間關(guān)系的研究未見報(bào)道。

本文旨在探討通過構(gòu)建高光譜模型快速、簡便、準(zhǔn)確診斷玉米粗纖維含量的可行性,為替代或部分替代費(fèi)時(shí)、費(fèi)錢的植物化學(xué)分析方法提供借鑒。

1 　材料與方法

1.1 　材料與試驗(yàn)設(shè)計(jì)

玉米品種掖單13 、丹玉13、蘇玉糯1 號(hào)、蘇玉糯2 號(hào)、特甜1 號(hào)和超甜2018 種植于浙江大學(xué)試驗(yàn)農(nóng)場(120°10′E ,30°14′N) 。小區(qū)面積1125 m ×3164 m ,行、株距0135 m ×0128 m ,每小區(qū)播種2 行,約5 株m- 2 ,每品種設(shè)3 個(gè)重復(fù)。在玉米成熟期,對(duì)不同品種玉米進(jìn)行整株采樣,每一品種每小區(qū)隨機(jī)采3 株,采樣后立即運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室,按葉片、莖、穗和葉鞘分離,并同步測定各器官室內(nèi)光譜反射率。

1.2 　光譜測定

使用美國ASD (Analytical2Spectral Device) 公司的ASDFieldSpec Pro FRTM光譜儀,波段值為350～2 500 nm,其中,350～1 000 nm光譜采樣間隔(波段寬) 為114 nm,光譜分辨率為3nm ,1 000～2 500 nm光譜采樣間隔(波段寬) 為2 nm ,光譜分辨率為10 nm。針對(duì)玉米不同器官測定光譜反射率。測定時(shí)將樣品平置于反射率近似為零的黑色橡膠上,光譜儀視場角為8°,探頭垂直向下,距樣品表面距離0.10 m;光源用光譜儀所帶的50 W鹵化燈,光源距樣品表面距離0.45 m ,方位角(光源與樣品表面之間的夾角) 70°。每次數(shù)據(jù)采集前都進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)白板校正,光譜采樣每次記錄10 條光譜值,取平均值作為樣本的光譜值。除了葉鞘樣本數(shù)為5 外,其余各器官樣本數(shù)均為6 ,總計(jì)樣本數(shù)為35。

1.3 　粗脂肪的測定

采用索氏抽提法,與光譜樣本數(shù)對(duì)應(yīng)有35 個(gè)粗脂肪含量值。或者用粗脂肪測定儀、SZF-06A脂肪測定儀測定，這兩款儀器都能一次性測試多個(gè)樣品，大大提高了測試效率。

1.4 　一階微分光譜

伴隨高光譜數(shù)據(jù)的大量增多,背景及測量環(huán)境對(duì)光譜數(shù)據(jù)的影響會(huì)越來越大,微分光譜技術(shù)將為解決這類問題提供有力工具。微分光譜技術(shù)已廣泛應(yīng)用于減弱大氣散射和吸收、背景、儀器噪聲對(duì)目標(biāo)物光譜特征的影響。一階微分光譜可表達(dá)為

,

式中,ρ′(λi ) 為λi 處的一階微分光譜,λi 是波段i 的波長值、ρ(λi ) 是波長λi 處的光譜值(如反射率、透射率等) ,Δλ是波長λi - 1到λi 的間隔,視波段波長而定。

1.5 　數(shù)據(jù)分析

采用SPSS1010 統(tǒng)計(jì)分析軟件包和Excel 數(shù)據(jù)分析功能。

2 　結(jié)果與分析

2.1 　粗脂肪含量與原始高光譜反射率的相關(guān)性分析及估算模型

從圖1 可見,粗脂肪與原始高光譜反射率之間的相關(guān)性在可見光區(qū)和近紅外光區(qū)呈極顯著負(fù)相關(guān),約在1 350 nm之后呈極顯著正相關(guān);在1 507 nm 處具有最大正相關(guān)系數(shù), r= 0.722。以1 507 nm處的光譜反射率為自變量,粗脂肪含量為因變量通過曲線擬合建立兩者之間的線性和非線性回歸模型,非線性方程包含有指數(shù)和對(duì)數(shù)形式。非線性回歸模型中的指數(shù)模型要優(yōu)于對(duì)數(shù)模型(圖2) 。從圖2 可見,指數(shù)模型( R2 = 015873) 與粗脂肪含量的擬合效果略優(yōu)于線性模型( R2 = 015212) ,說明用指數(shù)模型對(duì)粗脂肪含量進(jìn)行預(yù)測更為合適,其預(yù)測精度還有待檢驗(yàn)。

2.2 　粗脂肪含量與反射率一階微分之間的相關(guān)性分析及估算模型

　　從圖3 可見,粗脂肪含量與一階微分之間的相關(guān)性沒有明顯的規(guī)律,相關(guān)系數(shù)隨著波長的變化而劇烈變化,但在1 954 nm處兩者之間具有最大相關(guān)系數(shù), r = 0.814 ,呈極顯著正相關(guān),比原始光譜與粗脂肪含量之間的相關(guān)性強(qiáng)。以1 954 nm處反射率的一階微分為自變量,粗脂肪含量為因變量建立兩者之間的線性和非線性回歸模型(圖4) 。從圖4 可見,反射率的一階微分所構(gòu)建的模型與粗脂肪含量的擬合效果要優(yōu)于原始高光譜反射率所構(gòu)建的模型;同時(shí),其指數(shù)模型( R2 = 016977) 的擬合效果優(yōu)于線性模型( R2 = 016619) ,說明指數(shù)模型對(duì)粗脂肪含量變化的解釋能力要優(yōu)于線性模型。模型的預(yù)測精度還有待檢驗(yàn)。

3 　精度檢驗(yàn)

通常精度評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)可采用以下幾種:

(1) 相關(guān)系數(shù)評(píng)價(jià)

在光譜數(shù)據(jù)和生物物理、生物化學(xué)參數(shù)的相關(guān)及回歸分析中可用相關(guān)系數(shù)來評(píng)價(jià)由高光譜模型所推算的理論值與實(shí)測值之間的相關(guān)性及預(yù)測結(jié)果之優(yōu)劣。

(2) 均方根差( RMSE) 評(píng)價(jià)

由單變量和多變量回歸模型估計(jì)出的參數(shù),其精度可用均方根差來評(píng)價(jià)。式中, yi 和y′i 分別為實(shí)測值和理論值, n為樣本數(shù)。RMSE 值越小說明方程的精度越高。

(3) 相對(duì)誤差評(píng)價(jià)

相對(duì)誤差( %) = (y -  y′)P€y ×100 % 其中, y 和€ y′分別代表實(shí)測值和理論值的平均值。相對(duì)誤差越小說明方程精度越高。對(duì)構(gòu)建的模型進(jìn)行精度檢驗(yàn),結(jié)果如表1。

分析表1 可發(fā)現(xiàn),一階微分所構(gòu)建的指數(shù)模型各精度指標(biāo)較好,與原始光譜反射率相比,此模型同時(shí)具有最大的相關(guān)系數(shù)和最小相對(duì)誤差以及最小RMSE 值,由這個(gè)模型所計(jì)算的粗脂肪含量的理論值與實(shí)測值的相關(guān)程度見圖5。從圖5 可見,由一階微分的指數(shù)模型所計(jì)算的理論值與實(shí)測值之間具有很強(qiáng)的線性相關(guān)關(guān)系,散點(diǎn)圖分布較為均勻,因此認(rèn)為一階微分的指數(shù)模型對(duì)粗脂肪含量進(jìn)行估算具有可行性。此結(jié)論還有待進(jìn)一步論證。

4 　結(jié)論與討論

本研究首次采用玉米不同器官的粗脂肪含量及對(duì)應(yīng)的光譜反射率分析高光譜反射率對(duì)玉米粗脂肪含量估算的可行性,并得到以下結(jié)論:玉米不同器官粗脂肪含量與高光譜反射率之間極顯著相關(guān);通過對(duì)粗脂肪含量與反射率及其一階微分之間進(jìn)行相關(guān)性分析,分別篩選出1 507 nm 和1 954nm作為反演粗脂肪含量的特征波長,同時(shí)建立了反演方程;通過精度檢驗(yàn)表明反射率一階微分對(duì)玉米粗脂肪含量進(jìn)行反演具有可行性,由模型反演的粗脂肪含量理論值與實(shí)測值之間的相關(guān)性達(dá)到極顯著水平。

本試驗(yàn)構(gòu)建模型所采用的高光譜數(shù)據(jù)是室內(nèi)光譜反射率,初步結(jié)論是基于一個(gè)地點(diǎn)一個(gè)年份的觀測數(shù)據(jù),樣本數(shù)量較少,所構(gòu)建的方程的普適性還需要進(jìn)一步驗(yàn)證;另外對(duì)于粗脂肪含量與高光譜之間關(guān)系基于農(nóng)學(xué)基礎(chǔ)的解釋也是今后需要進(jìn)一步開展的工作。