基于高光譜的牡丹葉片花青素含量測(cè)定方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種基于高光譜的牡丹葉片花青素含量測(cè)定方法，屬于精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)中作 物生長(zhǎng)信息無損監(jiān)測(cè)技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 植物葉片中色素含量變化不僅能反映植物的生長(zhǎng)和營養(yǎng)狀況，也能反映植物對(duì)環(huán) 境因子的響應(yīng)，因此葉片色素是植物研究中最常測(cè)定的參數(shù)之一?；ㄇ嗨厥撬苄缘狞S酮 類化合物，它是植物葉片色素中第三類主要色素，在植物幼小和衰老葉片中含量豐富?；ㄇ?素能夠修復(fù)葉片的光環(huán)境，具有潛在地調(diào)節(jié)光合作用限制光抑制與光漂白作用的能力，以 及對(duì)光破壞的防御能力?；ㄇ嗨乜梢宰鳛闈B透調(diào)節(jié)物質(zhì)，提高植物抗冰凍與抗干旱脅迫的 能力。此外，花青素還具有抗氧化作用，有助于修復(fù)損傷后的葉片?；ㄇ嗨厥侵参锶~片衰老 及脅迫的指示器，對(duì)它進(jìn)行探測(cè)和定量評(píng)估，能夠獲取植物對(duì)環(huán)境脅迫響應(yīng)及調(diào)整的重要 信息。
[0003] 傳統(tǒng)的花青素含量測(cè)定主要采用濕化學(xué)法，包括用溶劑提取葉片中花青素，分光 光度計(jì)測(cè)定花青素在溶劑中的吸光度，將測(cè)定的吸光度值轉(zhuǎn)換成花青素含量等步驟。該方 法能夠準(zhǔn)確測(cè)定葉片中花青素的含量，但是存在勞動(dòng)強(qiáng)度大，測(cè)量費(fèi)時(shí)、費(fèi)力，需要對(duì)葉片 進(jìn)行破壞，不能進(jìn)行原位重復(fù)測(cè)量及大區(qū)域監(jiān)測(cè)等問題。因此，亟需一種準(zhǔn)確、高效、實(shí)用的 花青素含量測(cè)定方法。有研究表明，在綠光波段范圍內(nèi)，花青素含量與光譜反射率呈極顯著 相關(guān)，隨著花青素含量的增加，550nm附近綠光反射率明顯減小。基于此關(guān)聯(lián)構(gòu)建反演花青 素的光譜監(jiān)測(cè)模型，將有利于植物葉片花青素含量的快速、無損測(cè)定。對(duì)于牡丹植株，在開 花期，不同品種牡丹葉片的花青素含量差異較大，且花青素含量相對(duì)較低，實(shí)驗(yàn)室測(cè)量費(fèi)時(shí) 費(fèi)力。目前，基于高光譜監(jiān)測(cè)模型的牡丹葉片花青素測(cè)定還未見報(bào)道。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的是提供一種基于高光譜的牡丹葉片花青素含量測(cè)定方法，該方法簡(jiǎn) 單、高效、實(shí)用，準(zhǔn)確度高，適用于中、低含量花青素牡丹葉片的原位、無損估測(cè)。
[0005] 為了實(shí)現(xiàn)以上目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：
[0006] 基于高光譜的牡丹葉片花青素含量測(cè)定方法，步驟如下：采用高光譜輻射儀測(cè)定 牡丹葉片在特征波段的反射光譜數(shù)據(jù)，將測(cè)得的反射光譜數(shù)據(jù)代入花青素含量光譜監(jiān)測(cè)模 型中，計(jì)算得到牡丹葉片的花青素含量。
[0007] 所述花青素含量光譜監(jiān)測(cè)模型的建立包括以下步驟：
[0008] 1)取樣與數(shù)據(jù)采集
[0009] 選取多個(gè)牡丹葉片，分別測(cè)定每一個(gè)牡丹葉片的花青素含量和反射光譜數(shù)據(jù)，反 射光譜數(shù)據(jù)再重采樣至lnm，并將其按照花青素含量大小排序，形成一個(gè)數(shù)據(jù)集；
[0010] 2)確定特征波段
[0011] 對(duì)數(shù)據(jù)集中的花青素含量和反射光譜數(shù)據(jù)作相關(guān)分析，相關(guān)系數(shù)大于0. 52且雙 尾檢驗(yàn)達(dá)到極顯著水平的波段確定為特征波段；
[0012] 3)建模與驗(yàn)?zāi)?br>[0013] 利用花青素含量與特征波段的反射光譜數(shù)據(jù)建立花青素含量光譜監(jiān)測(cè)模型，驗(yàn) 模，即得。
[0014] 步驟1)中測(cè)定花青素含量可采用本領(lǐng)域常規(guī)方法，優(yōu)選0.lmol/L鹽酸甲醇低溫 浸提分光光度法，步驟如下：將破碎的牡丹葉片置于〇.lmol/L鹽酸酸化甲醇（每升甲醇 中含有0.lmolHC1)中浸提（如在45°C下浸提2次，每次浸提2h)，浸提完畢離心取上清 液（或合并上清液），分光光度計(jì)測(cè)定上清液（或上清液定容后溶液）在特定波長(zhǎng)處的光 密度值，計(jì)算得到牡丹葉片中花青素含量（特定波長(zhǎng)取530nm、620nm、650nm時(shí)，計(jì)算方法 參見：熊慶娥，葉珍，楊世民，等.植物生理學(xué)實(shí)驗(yàn)教程[M].成都：四川科學(xué)技術(shù)出版 社，2003:94-95)。
[0015] 步驟1)中測(cè)定反射光譜數(shù)據(jù)可采用高光譜福射儀，如美國SpectraVista公司生 產(chǎn)的SVCHR-1024i便攜式光譜儀，波段值350~2500nm，350~lOOOnm波段的光譜分辨率 彡3. 5nm，1000~1850nm波段的光譜分辨率彡9. 5nm，1850~2500nm波段的光譜分辨率 < 6. 5nm〇
[0016] 步驟1)中重采樣優(yōu)選350~lOOOnm波段的反射光譜數(shù)據(jù)，這是因?yàn)榛ㄇ嗨刂饕?對(duì)紫外、可見光波段響應(yīng)，其他波段可不作考慮。
[0017] 步驟2)中相關(guān)分析可采用SPSS軟件中雙變量相關(guān)分析。
[0018] 步驟2)中特征波段為510~585nm。
[0019] 步驟3)中建模、驗(yàn)?zāi)７謩e采用數(shù)據(jù)集中2/3 (校正集）、1/3 (驗(yàn)證集）數(shù)據(jù)進(jìn)行。
[0020] 步驟3)中建立花青素含量光譜監(jiān)測(cè)模型可采用Unscrambler9. 7、Matlab、SAS 或SPSS等軟件。優(yōu)選的，在Unscrambler9. 7中采用PLSR法（偏最小二乘回歸）建立校 正模型，留一法交叉驗(yàn)證，同時(shí)采用復(fù)相關(guān)系數(shù)（R2)、交叉驗(yàn)證相關(guān)系數(shù)（R2)、均方根誤差 (RMSE)和預(yù)測(cè)殘差偏差（RPD)評(píng)價(jià)模型，滿足復(fù)相關(guān)系數(shù)R2> 0.8、交叉驗(yàn)證復(fù)相關(guān)系數(shù) R2> 0. 8、RMSE< 0. 07μπιο?/g、RPD> 2時(shí)模型構(gòu)建合適。同時(shí)，采用獨(dú)立樣本檢驗(yàn)驗(yàn)證 模型的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，評(píng)價(jià)指標(biāo)選用復(fù)相關(guān)系數(shù)（R2)、均方根誤差（RMSE)和預(yù)測(cè)殘差偏 差（RPD)，滿足R2> 0· 8、RMSE< 0· 07μπιο?/g、RPD> 2 時(shí)模型構(gòu)建成功。
[0021] 本發(fā)明的有益效果：
[0022] 本發(fā)明中基于高光譜的牡丹葉片花青素含量測(cè)定方法簡(jiǎn)單、高效、實(shí)用，準(zhǔn)確度 高，特別適用中、低含量花青素葉片的原位、無損估測(cè)。該方法是將牡丹葉片反射光譜數(shù)據(jù) 與花青素含量數(shù)據(jù)相融合，通過相關(guān)分析確定花青素的敏感波段，在選定軟件中構(gòu)建基于 特征波段的花青素含量光譜監(jiān)測(cè)模型，再采用高光譜輻射儀測(cè)定待測(cè)牡丹葉片在特征波段 的反射光譜數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)導(dǎo)入光譜監(jiān)測(cè)模型中，計(jì)算得到牡丹葉片花青素含量。與現(xiàn)有濕化 學(xué)法相比具有以下優(yōu)勢(shì)：1)原位測(cè)定，不需要取樣，對(duì)牡丹葉片無損傷；2)可重復(fù)測(cè)定，達(dá) 到長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)的目的；3)利用對(duì)花青素含量敏感的所有有效波段信息，預(yù)測(cè)模型精度高，能 實(shí)現(xiàn)對(duì)牡丹葉片花青素含量的快速、準(zhǔn)確估測(cè)。
【附圖說明】
[0023] 圖1為實(shí)施例1中牡丹葉片花青素含量光譜監(jiān)測(cè)模型的構(gòu)建流程示意圖；
[0024]圖2為花青素含量預(yù)測(cè)值與測(cè)量值的散點(diǎn)圖及擬合曲線。
【具體實(shí)施方式】[0025] 實(shí)施例1
[0026] 本實(shí)施例中基于高光譜的牡丹葉片花青素含量測(cè)定方法，包括以下步驟：
[0027] -、建立牡丹葉片花青素含量光譜監(jiān)測(cè)模型（流程示意圖見圖1)
[0028] 1)取樣與高光譜數(shù)據(jù)采集
[0029] 某年4月初在某大學(xué)牡丹園內(nèi)，在牡丹（PaeoniaSuffruticosa)開花前期采集14 個(gè)不同品種的牡丹葉片，每個(gè)品種采集至少3個(gè)葉片，采用美國SpectraVista公司生產(chǎn)的 SVCHR-1024i便攜式光譜儀采集（波段值35