【毕业学位论文】（Word原稿）基于叶片光谱透过特性的便携式植物营养-农业生物环境与能源工程

分类号： 单位代码： 10019 密 级： 学 号： 位论文 基于叶片光谱透过特性的便携式 植物营养 检测 仪的开发 of a 家高技术研究发展计划（ 863 计划）重点项目“ 多平台作物信息快速获取关键技术与产品研发 ”（ 2006与 面上项目“水稻生长信息远程自动采集与光谱解析技术研究”（ 2006共同 资助 研究 生 ： 指导教 师 ： 副教授 合 作 指 导 教 师 ： 申 请学位门类级 别 ： 工 学 硕 士 专业名 称 ： 农业生物环境与能源工程 研究方 向 ： 数字 化 设施农业与环境 控制 所在学 院 ： 水利与土木工程学院 2009 年 6 月 独 创 性 声 明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中国农业大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名： 时间： 年 月 日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解中国农业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。同意中国农业大学可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 （保密的学位论文在解密后应遵守此协议） 研究生签名： 时间： 年 月 日 导师签名： 时间： 年 月 日 中国农业大学硕士学位论文 摘 要 I 摘 要 目前，肥料的当季利用率低及由于化肥施用不合理引起的环境污染已经成为全球范围内农业生产中的突出问题 。为了配合我国的测土配方施肥计划的实施 ， 开发一个 经济实用的 便携式植物营养检测仪 以便 能够 快 速 可靠地进行植物营养诊断 ， 从而为制定合理的施肥管理措施提供科学依据 是 解决上述问题 的有效手段 之一 。 本文 通 过对 5 个不同营养液施氮水平 下 栽培 的 黄瓜 /水稻叶片的 相对营养指数 （ ） 、叶绿素含量和含氮量与3001100 长的分光光谱透过率作相关性分析，最终确定了 560、 650、 720、（ 648652）、 940及（ 938942） 为特征波段 ；并 对 上述 波段的光谱透过率构成的 28 个光谱特征参数与 植物营养状况指标 作 了 相关性分析 。 结果表明， 光谱特征参数 650） 与黄瓜 /水稻叶片的 相关系数分别达 到 了 与 其 叶绿素含量的相关系数分别达到了 其 含氮量的相关系数分别达到了 此， 光谱特征参数 650） 作为植物叶片的光学浓度差 与黄瓜 /水稻叶片的 、 叶绿素含量和含氮量的 线性 相关性 好， 适于 作为便携式植物营养检测仪的检测算法 指标来使用，该指标 与 日本美能达公司生产的叶绿素检测仪（ 使用的检测算法 相吻合 。 基于 上述 研究 成果 ， 本 文 选用 了 波 峰 分别 为 650 和 940 个 源、硅光电检测器及 片机 开发 了 一个便携式植物营养检测仪，实现 了 对植物叶片的光学浓度差、叶绿素含量和含氮量 3个 植物 营养状况指标 的同时快速无损检测 ，并具备设定 、 校 准 、 测量 、 查看等功能，可直接在农田使用并与计算机进行双向通讯。该 便携式植物营养检测仪 可 快速可靠地 用于农田植物营养诊断， 并 配合测土配方施肥为 作物高效生产与食品安全溯源提供基础硬件和技术支持。 关键词：叶绿素含量， 光学浓度差 ， 含氮量， 光谱特征参数， 分光光谱透过率 中国农业大学硕士学位论文 摘 要 he at by in In to a to be a In of in in in 001100 60, 650, 720, (648652), 940, 938942) nm as of 8 of in in 650) in 650) as of of be as on 650nm 40ED of to a of of be in 国农业大学硕士学位论文 目 录 录 第一章 绪论 . 1 究背景和意义 . 1 物叶片的叶绿素含量与含氮量的测量原理 . 2 内外研究现状 . 4 究内容与技术路线 . 10 第二章 叶片光谱透过特性与叶绿素含量和含氮量的相关关系 . 11 物样本的准备与测量方法 . 11 同营养液施氮水平下栽培的植物叶片营养状况与透过光谱分布 . 18 片的透过光谱特征波段的提取 . 23 第三章 叶片光谱特征参数与叶绿素含量和含氮量的相关关系 . 29 片的光谱特征参数的选取 . 29 片的光谱特征参数与叶绿素含量和含氮量的相关关系 . 30 第四章 基于叶片光谱透过特性的便携式植物营养检测仪的开发 . 41 器检测原理 . 41 携式植物营养检测仪的软硬件设计 . 42 携式植物营养检测仪的样机测试 . 50 第五章 结论与建议 . 53 论 . 53 议 . 53 参考文献 . 55 致 谢 . 61 附 录 . 63 作者简介 . 67 中国农业大学硕士学位论文 目 录 V 插图目录 图 1术路线 . 2瓜和水稻栽培区的平面布置 . 2瓜 /水稻叶片 与分光光谱特性的测量位置 . 2片分光光谱特性的检测 . 2片叶绿素含量的测定 . 2片含氮量的测定 . 2同 营养液 施氮水平下 栽培的 黄瓜叶片 . 2同营养液施氮水平下栽培的水稻叶片 . 2同营养液施氮水平下栽培的黄瓜叶片的分光透过光谱分布 . 2同营养液施氮水平 下 栽培 的 水稻叶片的分光透过光谱分布 . 2物叶片的叶绿素含量与分光光谱透过率的相关系数 23 图 2物叶片的 与分光光谱透过率的相 关 系数 2物叶片的含氮量与分光光谱透过率的相 关 系数 25 图 3片叶绿素含量和含氮量与 31 图 3与光谱特征参数之间 的相关关系 3绿素含量与光谱特征参数的相关关系 . 3氮量与光谱特征参数的相关关系 . 4携式植物营养检测仪的系统框图 . 4源 . 4光电检测器 . 4光电检测器的响应度曲线 . 4 4携式植物营养检测仪的系统电路 . 4光电检测器模块与信号放大电路 . 4 . 4体振荡器连接电路 . 4盘连接电路 47 图 4盘与显示界面 4携式植物营养检测仪的查看界面 50 图 4稻叶片的叶绿素含量与 . 4稻叶片的叶绿素含量与 的相关关系 4稻叶片的 与 的相关关系 . .国农业大学硕士学位论文 目 录 1on 10 2of 13 2he of 15 2he of 15 2he of 16 2he of 17 2in 20 2in 20 2of in 21 2of in 22 2 23 224 23 31 333 3 .3 .4of 42 4ED 43 4 43 4of 44 4of 44 4of 45 4ED 45 4 46 4of 46 中国农业大学硕士学位论文 目 录 4 47 4 48 4of 4of .4of 650) .4of 52 中国农业大学硕士学位论文 目 录 格 目录 表 2瓜用山崎营养液配方 . 2瓜和水稻的营养液栽培的大量元素配方 . 2瓜和水稻的营养液栽培的微量元素配方 . 2同营养液施氮水平下栽培的黄瓜叶片的 、叶绿素含量和含氮量 18 表 2同营养液施氮水平下栽培的水稻叶片的 、 叶绿素含量 和含氮量 19 表 2同营养液施氮水平下栽 培的黄瓜叶片透射光谱的单因素方差分析 . 2同营养液施氮水平下栽培的黄瓜叶片透射光谱的单因素方差分析 . 3于特征波段透过率的光谱特征参数 . 3片 30 表 3谱特征参数与 的相关系数 32 表 3谱特征参数与叶绿素含量的相关系数 . 3谱特征参数与含氮量的相关系数 . 3谱特征参数与叶绿素含量和含氮量的相关系数 .国农业大学硕士学位 论文 目 录 X 12 . 14 .of in 18 of in 19 of of in 27 of of in in . . . . .国农业大学硕士学位论文 第一章 绪论 1 第一章 绪论 究背景和意义 在农业生产中，肥料是影响农作物生长与发育的最主要的环境因子之一。 化肥自被引入农业生产以来，为农作物产量的提高起到了 巨大 的 推动 作用。据世界粮农组织（ 计，化肥对世界粮食增产的贡献率高达 4060 %1，为解决世界范围的粮食危机做出了 重 大贡献。建国以来，我国的粮食总产量几乎呈直线上升，自 1949 年的 吨增长至 2005 年的 吨，增长超过 4 倍 2。然而 同时 ，化肥的盲目增施与不合理利用也带来了一系列不可低估的问题。 19952005年，我国农 用化肥施用量增加了 ，而粮食总产量却只增加了 24。 在作物所需的各种营养元素中，氮素是农作物生长和产量品质形成所必须的最重要的元素，从化肥的种类来看，氮肥占化肥总量的 60 %左右，但是由于氮素的淋洗损失，施氮过多时极易造成地下水的污染。有 关研究表明， 京津 唐 地区地下水的硝酸盐含量有半数以上超标 ， 这与 该 地区农田大量 施 用氮肥有密切的关系 5。 由此可见，化肥是农业生产的重要因素 之一，但同时也是环境污染的来源之一。目前，肥料的当季利用率低以及由于化肥施用不 合理引起的环境污染已经成为全球范围 内的突出问题。因此，快速有效地 跟踪和监测植物营养状况，并据此确定科学的施肥管理措施，对提高肥料利用 率，合理利用有限资源以及 保护 生态 环境等具有 极其 重要的意义。 此外， 我国 大部分 土壤都缺氮， 74 %的土壤缺磷， 23 %的土壤缺钾 6， 可见植物的营养不良现象 也 是农业生产中普遍存在的问题 。 如何有效、便捷、快速地进行 植物 营养诊断，为作物的施肥管理提供参考依据 ， 在 保证作物优质高产的同时防止或尽量减少 因施肥不当 带来的环境污染， 这也 一直 是植物营养研究 领域 的一项重要内容。 绿色植物的产量形成取决于其叶片对光能的利用效率， 叶绿 素 （ 为 绝大多数绿色植物叶绿体中含量 最 多的色素 ， 是光合作用中捕获光的主要成分 ，因此，植物 叶片的叶绿素含量与叶片的光能利用 效 率 有密切 关 系 。 从 叶绿素的分子式 以看出，氮元素是叶绿素的重要组分。 植物的光合作用需要大量的氮素，大量研究表明，叶片的叶绿素含量与其含氮量具有较强的相关性 7 因此叶绿素通常被当作评估 农作物生长发育阶段的氮素胁迫和光合作用能力的指示器，也 是评价植物生理状况的一项重要指标 9。 由于叶片含氮量和叶绿素含量之间的变化趋势相似，因此，可以通过 测定 植物 叶片的叶绿素来监测植株的氮素营养 状况 。 当植物缺乏营养元素时，宏观上表现出叶片、叶色、形态和结构等不同，微观上则表现在叶片色素 、 水分等生化成分发生变化，这些变化都将会在叶片的光谱特性上有所反映，这就是 最初通过光谱诊断获取农作物营养状况的理论基础。 随着遥感技术在农业中应 用的深化以及对植物生理 学的深入研究，人们 已经认识到是由植物的生理特征决定了叶片对光的吸收、透射、反射这些光谱特性，而植物的生理特征又反映出它的营养状况和长势情况 10。 由于 植物叶片的叶绿素含量与其营养状况密切相关 ， 尤其是 与 氮素营养 的线 性相关关系 ， 可以 根据 植物叶片的光谱透过特性开发一 个 便携式叶绿素 检测 仪 用于 田间无损、快速、简易 地 诊断作物 的氮素营养状况 ，为植物营中国农业大学硕士学位论文 第一章 绪论 2 养状况检测与作物生产配方施肥决策提供科学依据，从而为作物高效生产与食品安全溯源系统提供基础硬件和技术支持 。 物叶片的叶绿素含量 与 含氮量的测量原理 在所有的营养元素中，氮素营养对作物的长势及产量的影响最为明显，而由叶绿素的分子结构可知，氮元素是叶绿素的重要组成成分，施氮量的多少直接影响到植物的叶绿素含量 大小。因此，现在的研究多把 测量 植物 的 叶绿素含量 和含氮量 作为诊断 植物营养状况 的重要依据 。 物 叶片的 叶绿素含量的测量原理 叶绿素是植物 进行 光合作用时吸收光能的色素，它使植物呈现绿色，约占叶 片 干重的 1 %。植物 叶片 的叶绿素有 a、 b、 c、 d 四种，高等植物中 一般 只 含有叶绿素 a、 b 两种，叶绿素 c、 目前，在植物营养研究领域， 叶绿素含量的测定 方法 主要分为分光光度计法和光谱分析技术两大类。其中，分光光度计法是破坏型化学分析测量方式，根据所用提取叶绿素的溶剂不同又可分为以下测量方法： 1） 1941 年 出的丙酮法 11； 2） 1949 年由 释和推导的 12； 3） 20 世纪 80 年代初提出的丙酮乙醇混合液提取法 13。 叶绿素 分光光度计法是 基于 朗伯 律 来进行叶绿素 含量 的检测 14。由朗伯 律可知，当一束单色光通过均匀、无散射现象的溶液时，在单色光强度、溶液温度等条件不改变的情况下，溶液对光的吸收度与溶液浓度及液层厚度的乘积成正比，其数学表达式为： A = 式中 A 是吸光 度，也叫光密度； E 为比例系数，数值等于液层厚度为 1 溶液浓度为 1 %（ 1 g/100的吸光 度值； C 为溶液浓度，单位为 g/100 L 为液层厚度，一般为 1 如果溶液中有数种吸光物质，则此混合液在某一波长下的光密度等于各组分在相应波长下光密度的总和 ， 这就是光密度的加和性 15。测定叶绿素 a、 b 的含量 时 ，为了排除类胡萝卜素的干扰，所用单色光 应 选择叶绿素 a、 b 在红光区的最大吸收峰 ， 只需测定提取液在 最大吸收峰处的 波长下的光密度 D 值，并根据叶绿素 a、 b 在该波长下的比 例 系数即可求出其浓度。已知叶绿素 a、 b 在 1:1 的乙醇 红光区的最大吸收峰分别 在 663 645 长处 ，又 已 知在该溶液中，叶绿素 a、 b 在 波长 663 的系数分别为 波长 645 分别为 据加和性原则列出以下关系式： （ 1 （ 1 式（ 1- 1）、（ 1- 2）中的 63 645 的光密度， a、 b 的浓度，以 mg 单位。 联 解方程组（ 1- 1） 和 （ 1- 2），得： （ 1 （ 1 将 T： 645 + 663 （ 1 中国农业大学硕士学位论文 第一章 绪论 3 物 叶片含氮量 的测量原理 在植物 氮素营养化学诊断中， 有关 植 物 全氮 含量 检测 的 研究最早 ， 植 物的 全氮含量可以很好地反映 其 氮素状况 16，因此这里的 植物叶片 含氮量测量原理 即指 植物 叶片 全氮含量的测量原理 。目前对植物全氮 含量的 测定方法 较 常用的是凯氏 靛酚兰比色法（ ， 这两种方法都是在一定的条件下将植物中的有机态氮转化为无机态的 再 通过测定 的量来计算 含 氮量 的 17 其中， 靛酚兰 比色法 是将植物 经 浓 化将 有机态氮 转化为 无机态的 后 在碱性条件下 ， 氮与次氯酸钠 和 苯酚作用生成靛酚兰 ， 其兰色 的 深浅 程度 与 的 浓度在一定范围内符合 朗伯 故 用比色法 即可 测定 含氮量 。 目前， 凯氏 是 测量植物全氮含量的最经典方法，它是 通过将 植物样品中的有机态氮 在 浓 催化剂的作用 下 转化为无机态的 加 入过量的 碱 然后 蒸馏 出 再用 指示剂 的 混合 溶液吸收 标准酸滴定 之到 终点即可计算出全 氮含量 。 凯氏 要有以 下 化学 反应式： 消化： 有机氮 + ( + + 馏： ( 2 2 2 2 4( 5定 ： ( 2 5 4 以上可知 ，利用实验室化学分析方法来测定植物的叶绿素含量和含氮量必需破坏植株，同时在试验取样、测定、数据分析等方面都需要耗费大量的时间、人力、物力和财力，实 验室化学分析阶段一般还需要有经验的专业人员进行操作，而且在提取过程中使用有潜在破坏性的化学药品也可能减少了小部分叶绿素。由于花费时间过长，时效性差，操作繁琐复杂等缺点，在大多数时候是难以满足由于植物生长快速而农民需要尽快得到施肥建议的要求，因此 化学分析 方法往往不利于在农业生产中的实际 应用和 推广 19。 利用光谱分析技术进行植物的叶绿素和氮素营养检测是一种无损测试 （ 方法。 任一物质对不同波长的电磁波的吸收和