引言

前人已經對高光譜遙感技術在水稻、大豆、小麥等農作物中的應用有了較為深入的研究。近幾年來，越來越多的煙草研究者們將目光轉向了高光譜技術，他們利用高光譜技術得出了不同因素影響煙草光譜特征的變化規律，同時篩選出一些監測參數，并建立了相應的估算模型。煙草生化參數主要包括有：水分、色素、糖、N、P、K和微量元素等。在農業遙感信息模型研究、作物冠層光譜、葉片光譜、生物物理參數的提取與反演、作物長勢監測等方面，高光譜技術都得到了較快發展。近年來，高光譜技術在煙草上的研究和應用也進入了快速發展的階段，并且得到了較多的應用，其中也包括了在生化參數方面的研究。

本文著重展望未來高光譜遙感在煙草方面的發展趨勢。

團棵期(A)、旺長期(B)和打頂期(C)不同氮肥施用量下烤煙葉片葉綠素含量

2、高光譜估測煙草色素狀態的機理和研究進展

煙草的光合色素含量與其光合能力具有很好的相關性，可以用來評價煙草長勢。植被色素（葉綠素和類胡蘿卜素）直接影響植被和葉子在可見光范圍內的反射光譜，可以利用植被冠層和葉片的反射光譜來估算其色素含量。綠色植被的光合色素在可見光波段的吸收峰主要在藍光區和紅光區，在藍光區內，葉綠素和類胡蘿卜素的吸收峰是相重疊的，所以一般不用藍光區估測葉綠素狀況；在紅光區內，葉綠素的最大吸收峰在660~680nm，但是較低含量的葉綠素就會引起該吸收區光的飽和，會使估測的靈敏度有所下降，所以常用略偏于吸收峰的550nm和700nm來估測葉綠素的含量。付虎艷等測定了南江3號不同長勢且無病蟲害烤煙的葉片反射率光譜，發現：在波長700nm處Chla含量與葉片原始光譜反射率的相關系數達到最大，為-0.705，Chlb含量與原始光譜反射率的相關系數最大是在701nm波長處，為-0.654。

葉綠素含量與烤煙葉片光譜反射率的相關性

研究煙草的高光譜與色素特性，分析色素與高光譜參數之間的關系，并建立估測模型，可以及時、準確地獲取煙草的生長狀況信息，特別是煙草的光合能力，為煙田施肥和煙草長勢監測提供便捷、有效的方法。付虎艷通過研究南江3號發現：在波長623nm處Chla含量與一階光譜反射率的相關系數最大，相關系數為0.835，在波長653nm處Chlb含量與一階光譜反射率的相關系數最大，相關系數為0.808；Chla含量與綠峰位置，Chlb含量與SDr/SDb的相關系數最大，分別為0.861和0.832，建立的煙草葉片葉綠素含量的多元逐步回歸模型以及基于高光譜特征變量建立的單變量模型中，基于光譜一階微分的逐步回歸模型可以較好的估測Chla和Chlb含量，估測效果最好、檢驗精度也較高，是煙草葉片葉綠素含量的最優估測模型。黃智等研究了烤煙K326冠層4種色素指標與18種高光譜參數之間的相關性。Chla含量與Db、Ro、Rg、SDr、SDb存在顯著的負相關關系，Chla、Chlb、Chla+b含量均與SDy的相關系數最高，并呈極顯著的正相關關系，R2均達到0.75以上，與類胡蘿卜素含量的相關性較差，R2為0.61，同時構建了函數模型，得出各時期色素含量的估測值，與其真實值進行差異性檢驗，其差異不顯著，說明用這些高光譜參數建立的檢測模型是可行的。

葉綠素含量與烤煙葉片一階光譜反射率的相關性

3、高光譜估測煙草總氮狀態的機理和研究進展

煙草作為一種需要適當施氮肥才能保證其產量和品質的經濟作物，氮素的缺少或過多會引起煙草生長發育的變化，從而影響生長期內煙草光譜的吸收，反射和透射。

在煙草氮素營養光譜應用中，常運用煙草葉片的反射光譜來評價煙株氮狀況，但是單波段光譜易受外界因素和煙草生長狀況的影響會不穩定，為了獲得普適性關系，需要用兩個或多個波段的光譜指數對氮含量和反射率進行相關分析。張正楊等從25個冠層光譜參數建立的各種生理生化逐步回歸方程中篩選出，總氮的自變量為λg、（SDr-SDy）/（SDr+SDy）和SDy，總氮的回歸方程通過F檢驗達到了極顯著水平。通過SPSS，對模擬值和實測值進行相關分析，建立的總氮的回歸模型相關系數都達到了顯著水平，從而得出結論：建立的基于葉片反射光譜的回歸方程能夠很好的預測煙草的生理生化指標。李佛林選取了一些在煙草各個測定時期（移栽后49d、61d、75d）中都穩定一致的與葉片氮含量達到顯著相關的光譜參數，并建立了相應的回歸模型，其中最適合估算氮含量模型的參數有：NRI、MCARI、P-Depth560、CAR1、RMAXFD、FD688、PRI、P-Area560、NDFDGR、GM1、GM2、NDVIG、D712、TCARI、NDVI，基于這些光譜參數，并建立了相應的方程，得出結論：與氮含量呈線性正顯著相關的參數有：SD712、GM1、GM2，與氮含量呈線性負顯著相關的參數有P-Area560、P-Depth560，而其它參數與氮含量呈非線性關系。

不同測定時間烤煙光譜反射曲線

4、高光譜技術估測煙草其他生化成分的機理和研究進展

煙草內部包含了多種生化成分，這些生化成分的含量加權以后吸收特性的總和表現為葉片的光譜，多元回歸法可以找出相關性程度較高的光譜反射波段和波段組合，也可以確定其化學成分的組合，從而反演出其化學成分的含量。有些相關性波段是某些生化成分的特征吸收波段，或者是利用光譜一階導數作為自變量的特征吸收波段的邊緣，亦或是與該生化成分相關的另外組分的特征吸收波段，又或者該波段與特征吸收波段并無相關性。李向陽等對烤煙葉片的煙堿進行了分析，并且采用逐步回歸的方法建立了葉片煙堿含量的光譜反射率，一階導數光譜以及光譜特征變量的回歸方程，分析了這些方程的R2和自變量回歸系數的相伴概率，最后進行了檢驗，得出結論：一階導數光譜回歸方程的模擬效果最好，而特征變量回歸方程的模擬效果最差，光譜反射率回歸方程的模擬效果居中，這些回歸方程的自變量回歸系數的相伴概率都達到極顯著水平。

鮮葉片光譜位置變量與化學品質指標的相關分析（n=96）

5、結語

利用高光譜技術可以對煙草主要生化成分進行很好的監測，而且具有廣闊的應用前景。煙草學者們已經提出的一系列的煙草生化成分的監測和估算模型，每個模型都有特定的研究方法和適用條件，并不適用于所有品種的煙草，所以很難找到通用的模型。同時高光譜遙感數據有一些缺陷，比如景觀異質性、大氣噪音、太陽位置等的干擾都會影響高光譜遙感技術在實際的應用能力。所以要使煙草光譜資料更加完備，今后的研究方向：

一是煙草生化參數，要一步步地上升到較為精確的模型水平，進一步對其進行細化和確定。為了降低實際生產中煙草的品種類型、生態條件多樣和栽培管理等方面的差異，需要建立更加全面和更具規模的樣本參數，以便進行修正。

二是遙感數據的分析方法和遙感信息的信噪比要進一步提高，在今后的研究中，要注重于完善和擴充煙草的光譜數據庫，加強煙草高光譜數據的采集和挖掘，結合3S技術的應用，進一步推動高光譜遙感技術在煙草生化成分診斷和監測中的應用。

推薦：

無人機機載高光譜成像系統iSpecHyper-VM100

一款基于小型多旋翼無人機機載高光譜成像系統，該系統由高光譜成像相機、穩定云臺、機載控制與數據采集模塊、機載供電模塊等部分組成。無人機機載高光譜成像系統通過獨特的內置式或外部掃描和穩定控制，有效地解決了在微型無人機搭載推掃式高光譜照相機時，由于振動引起的圖像質量較差的問題，并具備較高的光譜分辨率和良好的成像性能。

審核編輯 黃宇