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Shenzhen Yibao Technology Co., Ltd
El espectrómetro de características físicas identifica la concentración de clorofila del arroz
Fecha:2025-12-10Leer:1
1 Antecedentes experimentales
La concentración de clorofila es a menudo un buen parámetro indicativo para el estrés nutricional de las plantas, la capacidad fotosintética y todas las etapas del desarrollo del envejecimiento, y la detección de la concentración de clorofila por la tecnología espectral terrestre y la tecnología de teleobservación a menudo recibe mucha atención en las direcciones de investigación de la agricultura y las comunidades vegetales naturales. La mayoría de los estudios se centran en la relación entre la reflectividad espectral y la concentración de clorofila a o clorofila total, mientras que otros estudian la relación entre la concentración de clorofila B o clorofila A y la concentración de clorofila b, y otros se centran principalmente en la concentración de carotenoides o la relación entre carotenoides y clorofila.
Muchos estudios han demostrado que el "borde rojo" del espectro de vegetación es sensible al Estado de crecimiento de la vegetación. el punto de inflexión del borde rojo de la vegetación es un punto con una gran pendiente en la curva espectral de reflexión de la planta y se encuentra entre 690 y 720 nm de longitud de onda. los experimentos de laboratorio han confirmado una correlación positiva entre la posición de la longitud de onda del punto de inflexión del borde rojo y la concentración de Luteína en las muestras de hojas.
En este trabajo, a través de la medición y cálculo del borde rojo de la reflectividad de las hojas de arroz con diferentes concentraciones de clorofila y la curva diferencial de primer orden de la reflectividad, se estudia más a fondo la correlación entre la reflectividad de las hojas de arroz y su concentración de clorofila, así como la relación entre la posición de La longitud de onda del borde rojo espectral de las hojas de arroz y su concentración de clorofila.
2 principio básico de funcionamiento del espectrómetro de características terrestres
Además, el espectrómetro de características terrestres es ampliamente utilizado, incluyendo la identificación de minerales y la estimación de recursos en la exploración de minerales, la clasificación de la superficie y la vigilancia de desastres en aplicaciones de teleobservación. por ejemplo, en la exploración de minerales, los diferentes minerales tienen características espectrales únicas, y los tipos y la distribución de minerales se pueden identificar mediante análisis espectrales. en las aplicaciones de teleobservación, la clasificación de la superficie se realiza a través de espectrómetros transportados por satélites o drones, la clasificación y monitoreo de la superficie, como bosques, tierras agrícolas, ciudades, etc. La vigilancia de desastres evalúa rápidamente el alcance y la magnitud de los desastres naturales mediante análisis espectrales.
3 diseño de laboratorio
Preparación previa
La variedad elegida en este experimento es el arroz híbrido changyou No. 1 (changyou 99 - 1) como objeto de investigación, y las nueve áreas donde se cultiva el arroz han sido fertilizadas en diferentes puntos, y sus ventajas y desventajas de crecimiento son significativamente diferentes.
El arroz changyou de nueve áreas con diferentes tratamientos de fertilización seleccionó 10 hojas funcionales representativas, midió la concentración de clorofila de cada hoja con un medidor de clorofila, y la concentración de clorofila de cada hoja se midió cuatro veces en diferentes posiciones de la hoja, y luego se quitaron las hojas, tomando 10 hojas de cada área como un grupo para la Medición de reflexión espectral bajo el sol a través del espectrómetro portátil atp9100f. Diez hojas se superponen arriba y abajo en diferentes órdenes, utilizando una sonda de campo de visión de 25 ° a una altura de aproximadamente 5 cm de la hoja para realizar mediciones espectrales rápidas de cada hoja, con un rango de medición espectral de 300 a 1.100 nm y una resolución espectral dentro de 2 nm.
Análisis y procesamiento de datos
Entre 400 a 500 nm y 600 a 700 nm, debido a la absorción total de clorofila preparada por la radiación óptica en las bandas de luz azul y Roja para la fotosíntesis, se forman dos zonas de reflexión inferior, que tienen una relación de reflexión más baja, generalmente inferior al 10%; Y la disminución de la absorción de las hojas a partir de 500 nm es generalmente baja a 550 nm, es decir, la parte de banda verde, donde se forma un pequeño pico de reflexión, con una reflectividad de alrededor del 20%, que también es la razón por la que las hojas de las plantas son verdes; Luego, la reflectividad aumentó repentinamente a 700 nm, y la curva se niveló después de entrar en la banda de infrarrojo cercano, convirtiéndose en una zona de plataforma de alta reflexión, generalmente alcanzando entre el 50% y el 60%, mientras que otros fueron más altos. Aquí, la reflectividad cambia desde el punto más bajo de la zona de absorción de la banda roja de la clorofila hasta la zona de transición del infrarrojo cercano, que se llama zona de "borde rojo", debido a la dispersión de la hoja, generalmente entre 690 y 720 nm de longitud de onda, y el "borde rojo" es importante en la curva diferencial de primer orden de la reflectividad. algunos investigadores han confirmado la relación entre el borde rojo de la hoja y la concentración de clorofila. Y el "borde rojo" es el punto con una gran pendiente en la curva espectral de reflexión de las plantas en la zona del "borde rojo", es decir, el punto con un rápido cambio de reflectividad.
Análisis de correlación de banda única
La reflectividad espectral de las fortalezas de las ondas de las hojas de arroz (9 muestras) con diferentes niveles de aplicación de nitrógeno y su concentración de clorofila se analizaron en una sola correlación. La figura 5 muestra un mapa de los coeficientes de correlación entre los dos, que se puede ver claramente en la figura 5:
① de 420 nm a 720 nm, los dos muestran una relación de correlación negativa, con el aumento de la longitud de onda, el coeficiente de correlación negativa aumentó drásticamente a 460 nm, el coeficiente de correlación alcanzó - 0,6 a 560 nm, el coeficiente de correlación alcanzó - 0,8, y luego a 686 nm, el coeficiente de correlación alcanzó - 0,95;
② de 686 nm a 726 nm, los dos pasaron de un gran valor de correlación negativa a cero en vano, y luego continuaron aumentando a un valor de correlación positiva a 745 nm, con un coeficiente de correlación de aproximadamente 0,92;
③ de 726 nm a 1000 nm, a excepción de una ligera disminución del coeficiente de correlación cerca de 940 nm, el coeficiente de correlación entre los dos ha mantenido una buena correlación positiva, con un coeficiente de correlación de hasta alrededor de 0,9.
Los cambios mencionados en la correlación entre los dos se deben principalmente a que el espectro de reflexión vegetal se ve muy afectado por la clorofila en el rango de luz visible. durante el crecimiento de las hojas de arroz, con el aumento del contenido de clorofila, aumenta el número de huecos entre las células de la hoja, lo que resulta en una disminución de la reflectividad visible, mientras que la reflectividad del infrarrojo cercano aumenta, y provoca una fuerte correlación negativa entre los dos en el rango de luz visible y una fuerte correlación positiva en el rango del infrarrojo cercano. Entre 686 nm y 745 nm, los dos pasaron de un gran valor de correlación negativa a un gran valor de correlación positiva en vano, y el coeficiente de correlación a 726 nm se acercó a cero, principalmente porque la clorofila de las hojas de arroz tiene un gran impacto en la reflectividad del espectro visible, mientras que la estructura de las hojas de arroz tiene un mayor impacto en el espectro infrarrojo cercano, y la correlación entre los dos en su unión es muy pequeña.
Posición de longitud de onda del punto de inflexión del borde rojo de las hojas de arroz
Relación con su concentración de clorofila
Debido a que el espectrómetro portátil de características terrestres atp9100f recoge datos discretos, los datos espectrales se pueden calcular aproximadamente por la fórmula (1) para la primera derivada.
Entre ellos: R (lambdai) 'es la longitud de onda I (lambda)iEl espectro de reflexión diferencial de primer orden en, λi+ 1, lambdaiLambdai- 1 es la longitud de onda adyacente.
Utilizando la fórmula (1), se obtiene la primera derivada del espectro de reflexión de las hojas de arroz con concentración de clorofila no ventilada seleccionada en nueve regiones, obteniendo así la posición de la longitud de onda de su punto de inflexión del borde rojo.
Se realizó un análisis de regresión lineal con la concentración de clorofila como variable independiente X y la posición de la longitud de onda del punto de inflexión del borde rojo de las hojas de arroz como variable dependiente Y.
Hay una buena correlación entre el punto de inflexión del borde rojo reflejado en las hojas de arroz y la concentración de clorofila, y el coeficiente de correlación compleja (r2) hasta 0,88, lo que está en línea con la teoría de que la posición de la longitud de onda del punto de inflexión del borde rojo y la concentración de clorofila de la muestra de la hoja han sido confirmadas por experimentos de laboratorio, lo que demuestra la viabilidad de estimar y analizar cuantitativamente la concentración de clorofila de las hojas de arroz utilizando datos del espectrómetro de características de campo.
4 Conclusiones
Sobre la base del análisis de las características espectrales de reflexión de las hojas de arroz, este experimento estudió y analizó la correlación entre su reflectividad espectral y su posición del borde rojo reflejado y la concentración de clorofila en las hojas. Los resultados del estudio muestran que:
(1) la correlación entre la reflectividad de las hojas de arroz y la concentración de clorofila está estrechamente relacionada con el espectro de longitud de onda, mostrando una correlación negativa entre 420 y 726 nm, y una correlación positiva entre 726 y 1000 nm; Se mantiene una alta correlación entre 450 a 686 nm y 750 a 770 nm, y se alcanza una alta correlación entre los dos a 686 nm, con un coeficiente de correlación superior a 0,95 y una correlación de 0 a 726 nm. Por lo tanto, los resultados de este experimento muestran la detectabilidad de la concentración de clorofila en el arroz con la tecnología hiperespectral de la tierra y la necesidad de seleccionar la mejor banda.
(2) existe una buena correlación lineal entre el contenido de clorofila de las hojas de arroz y la posición del punto de inflexión del borde rojo de su espectro de reflexión, proporcionando así un método técnico y una forma de estimar cuantitativamente la concentración de clorofila de las hojas de arroz utilizando hiperespectrales.