冬小麦冠层氮含量快速无损的光谱检测技术研究(2)

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常用的氮含量测定的方法有叶色法和光谱技术。叶色法是用日本MINOLTA产SPAN-502型叶绿素计，测定主茎顶部1/3以上处，获得每张的SPAD值（叶色），计算顶3叶和顶4叶的相对叶色差（RSPAD）。RSPAD=（顶3叶SPAD值-顶4叶SPAD值）/顶3叶SPAD值×100%[12]。高光谱成像技术在多光谱成像技术的基础上发展起来的，在很宽的光谱范围内，使用成像光谱仪对目标对象进行连续成像，以获得数十或数百每个像素的光谱信息。其成像特点是：光谱范围广（200~2 500nm）、超多波段（上百个波段）、高的高光谱分辨率（几个nm）、波段窄（≤10-2λ）和图谱合一。为获得的图像信息，不仅能反映其大小、形状，对象和缺陷等外部特征，不同的对象，不同的结构和吸收光谱的组成也不同，它可以用于检测的物理结构和化学组成一个对象[13]。凯式定氮装置采用凯式定氮消化和凯式定氮仪两部分组成。凯式消化装置对样品预处理的消化系统，消化处理是凯式定氮法的关键。全自动凯式定氮仪是测定经消化后样品氮含量的仪器，具有颜色传感器的终点控制，智能控制精度高，能自动完成加水稀释、酸、碱、蒸馏、滴定、滴定杯自动排液清洗、消化管清空，无需人为干预等优点，数据准确可靠，整个过程需要3-5分钟，所以自动凯式定氮仪在食品、化工、医药卫生等领域，氮含量测定方面有着广阔的优势和应用前景[14]。

高光谱技术作为一种新的技术，被广泛应用于无损检测中的植物。农产品质量安全是食品安全的基础，过量的的施氮会导致小麦中的含氮量提高，影响人们的健康。近年来，全社会对食品安全问题的关注程度不断提升，农产品质量也受到高度重视。加入世贸组织以后，中国农产品走向世界的关税壁垒将逐渐被技术壁垒所取代，食品的功能和安全越来越受到重视；另一方面，食品生产者、政府监管机构和消费者对食品质量需求分析，针对实时、快速、无损的方向转变，对精度的要求则退居第二。在这种情况下，检测技术和新设备，快速、高效的已经成为一个主要的需求的科学和技术在这一领域。随着高光谱遥感技术的出现与发展，该技术已被应用到许多的领域，特别是在经济作物中的应用。为了更好的了解植被的生长状况，人们开始使用从微观的角度来了解植物的生长发育状况的高光谱技术，有外部环境的影响。

氮含量作为影响小麦生长的重要营养元素[2]，在植物的整个生长发育过程中有着重要的作用。为了了解植物的生长状况，利用高光谱技术测量和分析小麦冠层叶片氮含量是非常重要。

Green Seeker（植物冠层光谱仪）手持式光谱仪是一种作物研究和诊断工具，能够准确测量与采集记录植被归一化指数(NDVI)[15]和植被等物质的红光与近红外的比值。这些指数能够用来作为农学参考，反映作物对于养分的响应、作物生长条件、潜在产量、应力以及病虫害的影响等。该系统还可以用于作物生长期间的监测，田间（作物、植被）在环境的变化，不同施肥量和地方标准施肥量之间所产生的差异和对比。Green Seeker 手持光谱设备采用第二代N Tech光学传感器。该系统的光学传感器能够捕获从作物反射来的光线，内部微处理器对所捕获光线进行分析，数据采集。目前，作物氮素营养的遥感探测，选择适宜的敏感波段和光谱参数定量反演氮素浓度是关键技术之一，前人对此作了广泛而深远的研究[1, 13, 16]。已有研究大多基于如CROPSCAN、ASD、Hyperion、OMIS、TM和CASI等不同传感器，其光谱波段不同，从几纳米到上百纳米不等[17]，且这些研究结果进一步对波段宽度作分析。在不同施氮水平下小麦冠层光谱反射率存在明显差异，在可见光区（469~710nm）的反射率和近红外光波段（760~1100nm）组合的NDVI与氮含量相关性较好。因此本实验选择NDVI（720,810）可以准确拟合光谱和冠层氮含量。