0. 引言
高光譜遙感是指在紫外,、可見光、近紅外等電磁波譜范圍內(nèi),，從探測目標(biāo)上獲取若干非常窄且光譜連續(xù)數(shù)據(jù)的技術(shù),。所獲得的光譜數(shù)據(jù)其中包含了大量的光譜反射率原始數(shù)據(jù)信息，如果加上原始光譜反射率的導(dǎo)數(shù)（一階導(dǎo)數(shù) ,、二階導(dǎo)數(shù)）,、對數(shù)變換、高光譜特征參數(shù)等,，信息量就可以增加更多,，因此，高光譜技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用和快速的發(fā)展,。前人已經(jīng)對高光譜遙感技術(shù)在水稻,、大豆、小麥等農(nóng)作物中的應(yīng)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(zhuǎn)向了高光譜技術(shù)，他們利用高光譜技術(shù)得出了不同因素影響煙草光譜特征的變化規(guī)律,，同時篩選出一些監(jiān)測參數(shù),，并建立了相應(yīng)的估算模型。煙草生化參數(shù)主要包括有：水分、色素,、糖,、N、P,、K,、煙堿和微量元素。在農(nóng)業(yè)遙感信息模型研究,、作物冠層光譜,、葉片光譜、生物物理參數(shù)的提取與反演,、作物長勢監(jiān)測等方面 ,，高光譜技術(shù)都得到了較快發(fā)展。近年來 ,，高光譜技術(shù)在煙草上的研究和應(yīng)用也進(jìn)入了快速發(fā)展的階段,，并且得到了較多的應(yīng)用，其中也包括了在生化參數(shù)方面的研究,。Tomas等的研究發(fā)現(xiàn)煙草在缺氮時可見光波段的反射率會增加,，同時光譜反射率會隨著葉綠素和類胡蘿卜素含量的增加而降低。建立了色素含量估測模型,。劉大雙等對感染不同程度花葉病的烤煙光譜進(jìn)行線性和非線性擬合估測烤煙葉綠素含量,。蘇永士等分析了不同施氮水平下煙草冠層光譜特征。并探究了光譜與葉面積指數(shù),、葉綠素含量間的相關(guān)性,。研究表明，利用所建立的估測模型快速監(jiān)測煙草的生長狀況 ,，及時指導(dǎo)煙草田間管理是可行的,。王建偉等將煙草葉片的高光譜反射率、冠層光譜反射率,、烘烤后葉片的光譜反射率與化學(xué)指標(biāo)以及香氣指標(biāo)進(jìn)行了相關(guān)分析,，建立了相應(yīng)的光譜估測模型。筆者著重討論近年來利用高光譜遙感技術(shù)手段監(jiān)測煙草生化參數(shù)的成果與方法的研究進(jìn)展,，同時展望未來高光譜遙感在煙草方面的發(fā)展趨勢,。
1. 煙草的光譜特征以及不同因素對其的影響
煙草具有綠色植被的典型光譜特征，這是由其細(xì)胞結(jié)構(gòu),、化學(xué)成分和形態(tài)學(xué)特征決定的,。煙草的光譜特征受光照、水分,、肥料,、品種類型,、生育時期、煙葉部位,、病蟲害等因素的影響,。
1.1 光照對煙草光譜特征的影響
光照是植物生長發(fā)育的必需條件之一，為植物進(jìn)行光合作用提供能量,。光照強度和光質(zhì)條件都會對煙草的光譜特征產(chǎn)生明顯影響,。賈方方以云煙87為實驗材料進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)：在不同遮陰條件下，葉片的光譜反射率隨著遮陰程度增加而逐漸降低,，在可見光（350-700nm）和近紅外光（750-1000nm）范圍表現(xiàn)更為明顯,。趙文在對中部葉的研究中也得出了類似結(jié)論。邢雪霞研究發(fā)現(xiàn)不同光質(zhì)條件對烤煙光譜曲線的影響不大,，但顯著影響了烤煙的光譜反射率,，葉片光譜與冠層光譜的反射率均以白膜表現(xiàn)優(yōu)。
1.2 水分對煙草光譜特征的影響
水分對烤煙的生長發(fā)育及品質(zhì)都有重要的影響,，水分因素對烤煙內(nèi)外部理化性狀產(chǎn)生直接影響,，這間接影響了烤煙的光譜特征。煙草葉片的紅邊特征受水分影響明顯,，在整個生育期內(nèi),，隨著土壤水分減少，烤煙葉片紅邊位 置 向 長波方向移動,，紅移現(xiàn)象顯著；在伸根期和旺長期,，葉片紅邊幅值和紅邊面積隨土壤水分增加發(fā)生紅移現(xiàn)象,，成熟期則隨土壤水分增加發(fā)生藍(lán)移現(xiàn)象。研究表明,，不同水分條件下的烤煙葉片和冠層光譜反射率間存在顯著差異,，隨著土壤含水量的增加冠層紅邊一階微分光譜的“雙峰”現(xiàn)象愈加顯著。
1.3 肥料對煙草光譜特征的影響
氮磷鉀被稱為煙草生長發(fā)育的3要素,，它們是煙草中眾多化合物的組成成分,，與煙草體內(nèi)的多種生理生化過程密切相關(guān)，直接影響煙草葉片內(nèi)外部的理化性狀,。研究發(fā)現(xiàn),，在可見光范圍內(nèi)，烤煙葉片和冠層的光譜反射隨施氮量的增加而降低,，這是由于隨著施氮量的增加葉片色素含量增加,，導(dǎo)致葉片對光的吸收增強；在近紅外光范圍內(nèi),，烤煙葉片和冠層的光譜反射隨施氮量的增加而增加,，這是由于隨著施氮量增加葉片細(xì)胞變大,，細(xì)胞間隙變大，細(xì)胞壁水化度 增高,，導(dǎo)致光在葉片組織細(xì)胞內(nèi)進(jìn)行了多次反射,。施氮量同時會對烤煙葉片的紅邊位置產(chǎn)生影響。隨著施氮量的增加,，同一生育時期內(nèi)各部位葉片的紅邊位置均發(fā)生“紅移”現(xiàn)象,。呂小娜研究認(rèn)為，隨著施氮量的增加,，烤煙冠層一階導(dǎo)數(shù)光譜呈現(xiàn)向長波方向移動的趨勢,，“雙峰”現(xiàn)象愈加顯著，烤煙冠層紅邊位置變化不明顯,，但紅邊面積與紅邊幅值呈增加趨勢,。李向陽等研究表明，隨著 供鉀水平的增加,，烤煙葉片光譜反射率呈降低趨勢,，在綠光波段尤其明顯。國內(nèi)關(guān)于磷素對煙草光譜特征影響的研究較少,，李向陽以NC89為研究材料發(fā)現(xiàn) 在可見光范圍內(nèi)冠層反射率隨施磷量的增加而降低,。在其他作物如冬小麥、春玉米中磷對光譜特征的影響已經(jīng)得一定的研究成果,，我們可以借鑒這些研究成 果,，彌補煙草這一方面研究的欠缺。
1.4 不同類型和品種煙草光譜特征的差異
不同類型和品種的煙草具有不同的遺傳特征,，這決定了生長過程中煙草葉片的生理生化特征和化學(xué)物質(zhì)含量等方面會有所差異,，導(dǎo)致煙草的光譜特征不同。劉國順等通過研究白肋煙,、烤煙,、香料煙3種煙草的冠層光譜特征發(fā)現(xiàn)，在綠光波段和近紅外范圍內(nèi),，白肋煙的冠層反射率大,，烤煙次之，香料煙小,。李向陽通過研究對此進(jìn)行了解釋,，在綠光范圍內(nèi)反射率主要受葉綠素含量的影響，白肋煙葉片呈淺綠色,，葉脈發(fā)白,，葉綠素含量低，因此反射率大,；烤煙和香料煙葉片均呈綠色,，但由于香料植株矮小,、種植密度大造成儀器視場范圍內(nèi)葉綠素含量高，故而烤煙反射率大于香料煙,。李佛琳研究這3種煙草的葉片反射率發(fā)現(xiàn),，在可見光波段和近紅外波段，白肋煙葉反射率均大于另外兩種類型的煙草,；在可見光波段內(nèi),，香料煙葉片反射率大于烤煙，而在近紅外波段內(nèi)則是烤煙大于香料煙,。不同品種煙草的光譜特征也存在差異,，前人主要研究了不同品種烤煙的光譜特征差異。殷全玉等研究報道,，在可見光范圍內(nèi),，中煙101葉片的光譜反射率大于云煙87，而在近紅外范圍內(nèi)則反之,。李向陽對NC89,、K326、云煙85,、慶勝2號4個烤煙品種進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn),，在可見光范圍內(nèi)，４個品種的冠層光譜反射率間差異不大,；在近紅外范圍內(nèi),，NC89>K326>云煙85>慶勝2號。
1.5 不同生育時期煙草光譜特征的差異
隨著煙草生育期的推移,，煙草冠層和葉片的反射率存在顯著差異,。隨著生育期的推移，在可見光波段葉片光譜反射率增加,，主要是由葉片葉綠素含量以及水分含量減少引起的。移栽后,，煙株根系迅速生長,、葉片伸展，葉片單位面 積內(nèi)葉綠素含量減少,；進(jìn)入旺長期,，葉片內(nèi)葉綠素含量進(jìn)一步降低，水分含量 減少,；進(jìn)入成熟期,，大量的葉綠素在此時被分解破壞；這一系列的變化導(dǎo)致葉片在可見光波段紅區(qū)和藍(lán)區(qū)的吸收不斷減少,，終造成反射率增加,。而在近紅外光波段葉片光譜反射率的增加則主要是由葉片細(xì)胞結(jié)構(gòu)的變化引起的,，隨著生育時期的推移，煙葉生長葉片組織細(xì)胞結(jié)構(gòu)逐漸充實,，葉肉細(xì)胞之間的間隙擴大,，折射率的急劇變化導(dǎo)致反射面數(shù)目增加，終導(dǎo)致近紅外波段反射率增加,。
1.6 煙草葉位的光譜特征差異
同一植株煙草不同部位葉片的光譜反射率存在較大的差異,。在可見光內(nèi)，煙葉的光譜反射率為下部葉>中部葉>上部葉,，在近紅外光波段內(nèi)則相反,。這是由于在可見光波段內(nèi)處于植株上部的煙葉積累的葉綠素較少的緣故，而近紅外波段內(nèi)的差異主要是由于不同部位煙葉的細(xì)胞結(jié)構(gòu)不同造成的,，越上部的煙葉細(xì)胞結(jié)構(gòu)組織越致密,，而細(xì)胞排列越緊密則光譜反射率越高。另外,，同一葉片的不同部位的光譜反射率也存在差異,。李佛琳研究表明，在綠光波段內(nèi),，葉片的光譜反射率從葉基到葉尖,、從中心到邊緣逐漸增加。
1.7 病蟲害對煙草光譜特征的影響
病蟲害對煙草的危害主要有兩種形式：外部形態(tài)上的變化和內(nèi)部生理效應(yīng) 的改變,。這些變化都勢必會引起煙草光譜特征的變化,，在紅區(qū)和近紅外區(qū)表現(xiàn)尤為明顯。王梅研究發(fā)病煙草的高光譜特征時發(fā)現(xiàn),，感染病害煙草的病葉和冠層光譜反射率均明顯低于健康煙草,，隨著病害程度的增加，在整個生育期內(nèi)煙草病葉光譜的紅邊位置發(fā)生了“藍(lán)移”現(xiàn)象,，而煙草冠層的光譜位置則發(fā)生了“紅移”現(xiàn)象,。劉大雙等報道稱NC89被煙草花葉病毒侵染后，烤煙受脅迫失綠,，綠峰位置向紅光方向偏移而紅邊位置向藍(lán)光偏移,，且接種TMV病毒后在 肉眼觀察不到病害葉片明顯癥狀時，葉片的光譜特征曲線已發(fā)生改變,，可用高光譜進(jìn)行診斷,。喬紅波等研究不同數(shù)量煙蚜對中煙101光譜特征的影響時發(fā)現(xiàn)，同健康葉片相比,，輕度,、中度和重度受害葉片的光譜反射率在綠光波段分別下降了12%、27%,、52%,，在近紅外波段分別下降了15%,、20%、38%,。
研究展望
研究表明,，光照、水肥因素,、品種類型,、生育時期等都對煙草光譜特征存在一定的影響，利用高光譜技術(shù)可以對煙草的長勢,、養(yǎng)分狀況,、煙葉的產(chǎn)量和品質(zhì)進(jìn)行較為準(zhǔn)確的診斷和監(jiān)測，具有廣闊的應(yīng)用前景,。目前,，高光譜技術(shù)在煙草中開展了更加廣泛的研究，提出了一系列的監(jiān)測和估算模型,，但是由于每種模型都有特定的研究方法和適用條件,，很難找到通用的模型，因此還需要建立更加全面和更大規(guī)模的樣本參數(shù)進(jìn)行修正,，以降低實際生產(chǎn)中的等級分類,、品種類型、生態(tài)條件和栽培管理的差異,。今后煙草高光譜技術(shù)的研究要著重完善和擴充煙草光譜數(shù)據(jù)庫,，加強高光譜相關(guān)數(shù)據(jù)的采集和挖掘，并加強與GIS,、GPS技術(shù)的結(jié)合應(yīng)用,，推動高光譜技術(shù)在煙草中的應(yīng)用。
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