基于光谱分析技术的农作物长势研究

1、    基于光谱分析技术的农作物长势研究    朱泽潇摘要：当今世界人口约为70亿，而现今中国的人口约为14亿，占世界人口比重约1/5，粮食的产量问题便成为了我国的头号潜在威胁。中国普遍为传统农业，其弊端为“精耕细作”，农业部门结构较单一，生产规模较小、科技含量较低等，很大程度上减少了粮食产量和粮食质量。“精确农业”这一概念在中国目前尚处于孕育的阶段，有很大的发展前景，其本质是利用数字化的手段对农作物的状态作出监控与调整，以达到提高农作物质量；增加农作物产量的目的1。本次课题主要就内容为利用微型光谱仪测定植物（叶片）的一些重要指标，主要包括含水量变化，生

2、长的状态，农作物与杂草的区别。希望通过此次研究能够证实此项技术应用于精准农业的广阔前景，或可对加快实现第一届全国人民代表大会“四个现代化中”中“农业现代化”的目标起到一定的帮助。关键词：光谱技术；光谱分析技术；植物长势；精准农业1.绪论1.1 研究背景与意义随着当今科技的不断发展，我国“四个现代化”的目标不断推进，科学技术现代化、工业现代化、国防现代化取得了显著成就，而农业的生产方式总体尚处于粗放状态2。长期以来我国一直面临着粮食问题的潜在威胁。光谱曲线具有“物质指纹”的特性。利用这一特性监测农作物的各种参数（如含水量，生长状况等）目的，便可以实现真正意义上的“精确农业”在现实中应用。1.1.

3、1研究现状中国农业基础薄弱，与发达国家相比，我国的传统农业存在许多问题，农业生产的自动化低，单位耕地面积的投入高，产出低，不能满足国民对农业物资的需求3。我国重视并培养出相关方面一批优秀的人才；精准农业的发展已经取得了一定的成效4。1.1.2本文方法的优势本次研究的优势为取材简单，易于测量和比对各项指标，并且能得到较为直观的结果，数据易于统计和分析，结论简单明了。1.2论文的研究内容与组织结构本文主要介绍了“精准农业”在我国的发展状况，以及在农业生产中的实际应用。介绍了实验仪器，设计了实验对照，并且描述了实验理念，样本的的采集、检测；数据处理以及分析，说明误差，得出结论。最后提出展望，并致谢。

4、2.研究内容与方法2.1研究条件本次测试在户外进行，所用的光源为太阳光（reference），实验设备为海洋光学usb2000+光谱仪，采用笔记本电脑写入算法，直接连接仪器进行测量。2.1.1实验光源本实验于室外进行，故采用太阳光为实验的参考光源（无遮挡），来测定样本数据。下图为测试时太阳光的参考数据（如图）2.1.2 测量仪器此次实验选用的测试仪器为海洋光学usb2000+光谱仪，数据处理仪器为笔记本电脑，与测量仪器直接连接。2.1.3 检测样本考虑到实验目的与周边环境因素以及取材的难易程度，本次实验选择在北京市海淀区的中关村公园内部进行数据采集。用手持探头进行测定。将数据储存。当日气温约为

5、37摄氏度左右，晴天。2.2详细研究方法与过程2.2.1 样本设计与获取2.2.1.1 样本设计农作物以玉米，茄子，豇豆为样本，考虑到这些作物均较为常见且种植面积很广。杂草以狗尾草为样本，该杂草也属于比较杂草中比较常见的品种。参考光源均选用太阳光（无阴影遮挡）。2.2.1.1 样本采集过程本次样本采集与中关村公园内进行，与付锡禄导师以及徐聃一起骑车采集样本，地点为中关村公园内的一片农家菜园找到了样本设计中所需要的所有需要采集的样本作物成体，以及所需的所有对照条件，包括含水量的不同，成熟情况的不同。2.2.2 样本检测将光谱仪与电脑连接，测出dark数据后，以太阳光为reference数据，先测

6、量玉米叶片的数据，再测量狗尾草叶片的数据，最后分别测-号豌豆叶片的数据，其中分别包括失水情况以及生长程度两个对照组。 24h后，再使用同样的仪器，再测定一组数据（、三片同种生长情况的豇豆叶片不同失水情况的对比）并记录。与24h前测出的、三片同种生长情况的豇豆叶片不同失水情况的数据做出对比，依次绘制出玉米叶片与狗尾草叶片的对比光谱曲线，不同生长状态的豇豆叶片的对比光谱曲线，同一生长状态不同含水量的豇豆叶片的对比光谱曲线，最终根据以上的结果得出相关结论。2.2.3 数据处理利用matlab，得出玉米叶片的光强度曲线，再得到狗尾草的光强度曲线，将之前测得的光强度曲线转化为光谱曲线。将两条曲线放在一张

7、表格上，做对比。同理测出豇豆葉片含水量的对比图以及不同成熟情况的豇豆叶片的对比图。3.检测结果与数据分析3.1各样品的结果3.2对比分析1玉米与狗尾草的对比图像。（玉米cyan，狗尾草red）3.2 对比分析2同种叶片的不同成熟情况对比嫩叶（red）成熟叶片（green）老叶片（blue）反射率由小到大。3.2对比分析3同种叶片的失水情况对比叶片轻度失水（red）中度失水（green）重度失水（blue）4.结论与展望4.1 研究结论与创新点通过这次实验能够得出光谱技术在农业生产方面是有很广阔的发展前景与广阔的提升空间的。本次测试的创新之处在于利用了光谱仪来测定植物叶片的反射率，操作十分便捷，并且测定的结果较为精准。4.2 展望鉴于自身学术水平的限制，在实验方案的设计上需要更加的周全完善，有许多的因素需要去定量分析，只做定性的分析使得观点有些苍白。参考文献：1：张仪，我国精准农业发展现状（j），现代农业科技2017年7期.2：光谱技术在农业领域的应用与展望（d），张瑞美，彭世彰.俊增.3：董力伟，我国精准农业发展现状（d），北京卫星导航生产力促进中心.4：山西农业大学，2016级工学院研究生文献综述，光谱成像检测技术在农产品检测方面的应用和发展.科学与财富2018年29期科学与财