基于光谱波段重叠分离的叶片叶绿素a、b含量反演方法技术

本发明专利技术公开了基于光谱波段重叠分离的叶片叶绿素a、b含量反演方法。现有的总叶绿素相对含量检测仪器，不能满足植物生理生态更为细致的监测需求。原因在于没有合适叶绿素a和b重叠波段的分离方法。该方法步骤如下：步骤一、对被测叶片进行高光谱反射率采集，采集的数据包括650nm波段反射率R

【技术实现步骤摘要】
基于光谱波段重叠分离的叶片叶绿素a、b含量反演方法


[0001]本专利技术属于植物无损检测与探测
，具体涉及一种基于高光谱重叠波段分离、波段优选、伪吸收系数光谱分析法的叶片叶绿素a、b检测方法。

技术介绍

[0002]叶绿素a、b在植物中的作用不同，叶绿素a在含氧光合作用中起着收集光以及将吸收的光子能量转化为化学能的双重作用。叶绿素b是高等植物光合作用的辅助色素，其主要功能是增加植物在低光条件下光的收集，使植物能作出各种调整以适应不同光照条件。另外成熟叶片中叶绿素a、b比值稳定在3:1左右，而在幼叶、老叶或胁迫下叶片的叶绿素a/b小于或远小于3:1。因此，叶绿素a和叶绿素b分离监测，有机会实现更为细致准确地理解植被生理生态特性。
[0003]植物叶片的反射、透射和吸收光谱与其生化组分的吸收特性直接相关。在400
‑
800nm光谱区间，叶绿素光谱特性造就了植物叶片/植被绿色典型光谱特征，给植被生理生态特性的监测提供机会。然而，叶绿素a、b吸收光谱相似性/重叠特性限制了分别以叶绿素a和叶绿素b细分功能的植被监测，其原因：现有的光谱数据以反射光谱最为常见，并未吸收光谱直接关联分析。伪吸收系数光谱处理技术是一种能够将反射光谱转换为类吸收光谱的方法，经常被用于植物各种生化组分敏感波段的优选中。另外，吸收光谱的重叠波段特性分离在化学计量中常用方法有高斯拟合、菲涅尔叠加拟合等。这些吸收光谱转化方法和吸收光谱重叠波段特征的分离方法为叶绿素a、叶绿素b含量的分离监测提供理论依据。
[0004]现有的SPAD
‑
502叶绿素仪一种总叶绿素相对含量的检测仪器，不能满足现有植物生理生态更为细致的监测需求。问题所在是没有合适叶绿素a和叶绿素b重叠波段的分离方法。因此，本专利技术通过伪吸收光谱技术将高光谱反射数据转化为类吸收光谱数据，通过菲涅尔叠加拟合方法分离叶绿素a和叶绿素b吸收光谱的重叠特性，建立一种植物叶片叶绿素a、b含量分离反演的方法，为植物叶绿素a和叶绿素b无损检测仪器开发提供理论支持。

技术实现思路

[0005]本专利技术提供了一种基于光谱波段重叠分离的植物叶片叶绿素a、b含量反演方法
[0006]本专利技术的具体步骤如下：
[0007]步骤一、对被测叶片进行高光谱反射率采集，采集的数据包括650nm波段反射率R
650
、700nm波段反射率R
700
、消除叶片结构影响的近红外波段反射率R
w
；。
[0008]步骤二、基于高光谱反射率伪吸收的类吸收特性计算被测叶片中叶绿素a含量C
a
、叶绿素b含量C
b
如下：
[0009]C
a
＝51.6537*ln(R
w
/R
700
)
‑
16.9038*ln(R
w
/R
650
)
[0010]C
b
＝6.8585*ln(R
w
/R
650
)
‑
2.2740*10
‑6*ln(R
w
/R
700
)
[0011]作为优选，650nm、700nm波长分别对应叶绿素a、b的筛选波段，由于菲涅尔波段叠加特性，叶绿素a、b有光谱特性有重合需要分离，其波段选择过程如下：
[0012](1)将叶绿素a、b的筛选波段分别设定为波段i、j，并确定近红外波段反射率R
w
的波长取值。建立i、j波段的伪吸收系数A、B的表达式如下：
[0013]A＝ln(R
w
/R
i
)
[0014]B＝ln(R
w
/R
j
)
[0015]其中，R
i
为i波段的叶片反射率；R
j
为j波段的叶片反射率。
[0016]分别建立叶绿素a、b的伪吸收系数A、B与叶绿素a、b含量C
a
、C
b
关系式如下：
[0017][0018][0019]其中，γ
ai
，γ
bi
，γ
aj
，γ
bj
分别是叶绿素a、b在波段i、j下的伪吸收系数。
[0020](2)对多片叶片分别进行光谱数据采集和叶绿素a、b含量实际值测定。
[0021](3)在遍历计算600nm
‑
720nm范围内任意两整数波段组合的伪吸收系数并分别拟合叶绿素a、b含量；然后计算所有波段组合下叶绿素a、b含量预测值的RMSE。通过叶绿素a、b含量实际值与预测值之间的RMSE分析，分别选定叶绿素a、b的筛选波段。利用所得的筛选波段和前述叶绿素a、b的伪吸收系数A、B与叶绿素a、b含量C
a
、C
b
关系式，获得叶绿素a含量C
a
、叶绿素a含量C
b
的表达式。
[0022]作为优选，叶绿素a、b含量实际值测定的具体过程如下：取相同面积的叶子放入离心管，向离心管中加入甲醇和乙醇的混合溶液；然后，将离心管放置在暗室中静置。用甲醇和乙醇的混合溶液作对照样，用分光光度计测量溶液在649nm、665nm波段的吸光度。计算叶片中叶绿素a、b的实际含量C
′
a
＝13.95A
665
‑
6.88A
649
，C
′
b
＝24.96A
649
‑
7.32A
665
。
[0023]作为优选，所述甲醇和乙醇的混合溶液中，甲醇与乙醇的体积比为4:96。
[0024]作为优选，步骤一中，高光谱反射率采集的范围为350nm
‑
2500nm。
[0025]作为优选，消除叶片结构影响的近红外波段反射率R
w
取900nm波段反射率。
[0026]作为优选，高光谱反射率采集的过程如下：在暗室条件下使用卤素灯作为光源，使用ASD地物光谱仪先对标准白板进行测量，然后将被测叶片放到与白板相同位置进行测量，获得叶片在350nm
‑
2500nm范围内的高光谱反射率。
[0027]本专利技术具有的有益效果是：
[0028]本专利技术选取了叶绿素a、b反演特征波段，并建立了叶片中基于高光谱的伪吸收系数的叶绿素a、b含量模型，进而实现了叶绿素a、b含量的无损独立反演。
附图说明
[0029]图1为不同波段的叶绿素a含量预测值的均方根误差RMSE示意图；
[0030]图2为不同波段的叶绿素b含量预测值的均方根误差RMSE示意图；
[0031]图3为本专利技术所得的叶绿素a含量模拟值与实测值的关系图；
[0032]图4为本本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于光谱波段重叠分离的叶片叶绿素a、b含量反演方法，其特征在于：步骤一、对被测叶片进行高光谱反射率采集，采集的数据包括650nm波段反射率R
650
、700nm波段反射率R
700
、消除叶片结构影响的近红外波段反射率R
w
；步骤二、基于高光谱反射率伪吸收的类吸收特性计算被测叶片中叶绿素a含量C
a
、叶绿素b含量C
b
如下：C
a
＝51.6537*ln(R
w
/R
700
)
‑
16.9038*ln(R
w
/R
650
)C
b
＝6.8585*ln(R
w
/R
650
)
‑
2.2740*10
‑6*ln(R
w
/R
700
)。2.根据权利要求1所述的一种基于光谱波段重叠分离的叶片叶绿素a、b含量反演方法，其特征在于：650nm、700nm波长分别对应叶绿素a、b的筛选波段，波段过程如下：(1)将叶绿素a、b的筛选波段分别设定为波段i、j；建立i、j波段的伪吸收系数A、B的表达式如下：A＝ln(R
w
/R
i
)B＝ln(R
w
/R
j
)其中，R
i
为i波段的叶片反射率；R
j
为j波段的叶片反射率；分别建立叶绿素a、b的伪吸收系数A、B与叶绿素a、b含量C
a
、C
b
关系式如下：关系式如下：其中，γ
ai
，γ
bi
，γ
aj
，γ
bj
分别是叶绿素a、...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴开华，金立松，张垚，张荣旭，李欣恺，李凯强，田守鹏，
申请(专利权)人：杭州电子科技大学，
类型：发明
国别省市：