基于高光譜的牡丹葉片花青素含量測定方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種基于高光譜的牡丹葉片花青素含量測定方法，屬于精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)中作 物生長信息無損監(jiān)測技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 植物葉片中色素含量變化不僅能反映植物的生長和營養(yǎng)狀況，也能反映植物對環(huán) 境因子的響應(yīng)，因此葉片色素是植物研究中最常測定的參數(shù)之一?；ㄇ嗨厥撬苄缘狞S酮 類化合物，它是植物葉片色素中第三類主要色素，在植物幼小和衰老葉片中含量豐富。花青 素能夠修復(fù)葉片的光環(huán)境，具有潛在地調(diào)節(jié)光合作用限制光抑制與光漂白作用的能力，以 及對光破壞的防御能力。花青素可以作為滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)，提高植物抗冰凍與抗干旱脅迫的 能力。此外，花青素還具有抗氧化作用，有助于修復(fù)損傷后的葉片?；ㄇ嗨厥侵参锶~片衰老 及脅迫的指示器，對它進(jìn)行探測和定量評估，能夠獲取植物對環(huán)境脅迫響應(yīng)及調(diào)整的重要 信息。
[0003] 傳統(tǒng)的花青素含量測定主要采用濕化學(xué)法，包括用溶劑提取葉片中花青素，分光 光度計測定花青素在溶劑中的吸光度，將測定的吸光度值轉(zhuǎn)換成花青素含量等步驟。該方 法能夠準(zhǔn)確測定葉片中花青素的含量，但是存在勞動強度大，測量費時、費力，需要對葉片 進(jìn)行破壞，不能進(jìn)行原位重復(fù)測量及大區(qū)域監(jiān)測等問題。因此，亟需一種準(zhǔn)確、高效、實用的 花青素含量測定方法。有研究表明，在綠光波段范圍內(nèi)，花青素含量與光譜反射率呈極顯著 相關(guān)，隨著花青素含量的增加，550nm附近綠光反射率明顯減小?；诖岁P(guān)聯(lián)構(gòu)建反演花青 素的光譜監(jiān)測模型，將有利于植物葉片花青素含量的快速、無損測定。對于牡丹植株，在開 花期，不同品種牡丹葉片的花青素含量差異較大，且花青素含量相對較低，實驗室測量費時 費力。目前，基于高光譜監(jiān)測模型的牡丹葉片花青素測定還未見報道。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的是提供一種基于高光譜的牡丹葉片花青素含量測定方法，該方法簡 單、高效、實用，準(zhǔn)確度高，適用于中、低含量花青素牡丹葉片的原位、無損估測。
[0005] 為了實現(xiàn)以上目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：
[0006] 基于高光譜的牡丹葉片花青素含量測定方法，步驟如下：采用高光譜輻射儀測定 牡丹葉片在特征波段的反射光譜數(shù)據(jù)，將測得的反射光譜數(shù)據(jù)代入花青素含量光譜監(jiān)測模 型中，計算得到牡丹葉片的花青素含量。
[0007] 所述花青素含量光譜監(jiān)測模型的建立包括以下步驟：
[0008] 1)取樣與數(shù)據(jù)采集
[0009] 選取多個牡丹葉片，分別測定每一個牡丹葉片的花青素含量和反射光譜數(shù)據(jù)，反 射光譜數(shù)據(jù)再重采樣至lnm，并將其按照花青素含量大小排序，形成一個數(shù)據(jù)集；
[0010] 2)確定特征波段
[0011] 對數(shù)據(jù)集中的花青素含量和反射光譜數(shù)據(jù)作相關(guān)分析，相關(guān)系數(shù)大于0. 52且雙 尾檢驗達(dá)到極顯著水平的波段確定為特征波段；
[0012] 3)建模與驗?zāi)?br>[0013] 利用花青素含量與特征波段的反射光譜數(shù)據(jù)建立花青素含量光譜監(jiān)測模型，驗 模，即得。
[0014] 步驟1)中測定花青素含量可采用本領(lǐng)域常規(guī)方法，優(yōu)選0.lmol/L鹽酸甲醇低溫 浸提分光光度法，步驟如下：將破碎的牡丹葉片置于〇.lmol/L鹽酸酸化甲醇（每升甲醇 中含有0.lmolHC1)中浸提（如在45°C下浸提2次，每次浸提2h)，浸提完畢離心取上清 液（或合并上清液），分光光度計測定上清液（或上清液定容后溶液）在特定波長處的光 密度值，計算得到牡丹葉片中花青素含量（特定波長取530nm、620nm、650nm時，計算方法 參見：熊慶娥，葉珍，楊世民，等.植物生理學(xué)實驗教程[M].成都：四川科學(xué)技術(shù)出版 社，2003:94-95)。
[0015] 步驟1)中測定反射光譜數(shù)據(jù)可采用高光譜福射儀，如美國SpectraVista公司生 產(chǎn)的SVCHR-1024i便攜式光譜儀，波段值350~2500nm，350~lOOOnm波段的光譜分辨率 彡3. 5nm，1000~1850nm波段的光譜分辨率彡9. 5nm，1850~2500nm波段的光譜分辨率 < 6. 5nm〇
[0016] 步驟1)中重采樣優(yōu)選350~lOOOnm波段的反射光譜數(shù)據(jù)，這是因為花青素主要 對紫外、可見光波段響應(yīng)，其他波段可不作考慮。
[0017] 步驟2)中相關(guān)分析可采用SPSS軟件中雙變量相關(guān)分析。
[0018] 步驟2)中特征波段為510~585nm。
[0019] 步驟3)中建模、驗?zāi)７謩e采用數(shù)據(jù)集中2/3 (校正集）、1/3 (驗證集）數(shù)據(jù)進(jìn)行。
[0020] 步驟3)中建立花青素含量光譜監(jiān)測模型可采用Unscrambler9. 7、Matlab、SAS 或SPSS等軟件。優(yōu)選的，在Unscrambler9. 7中采用PLSR法（偏最小二乘回歸）建立校 正模型，留一法交叉驗證，同時采用復(fù)相關(guān)系數(shù)（R2)、交叉驗證相關(guān)系數(shù)（R2)、均方根誤差 (RMSE)和預(yù)測殘差偏差（RPD)評價模型，滿足復(fù)相關(guān)系數(shù)R2> 0.8、交叉驗證復(fù)相關(guān)系數(shù) R2> 0. 8、RMSE< 0. 07μπιο?/g、RPD> 2時模型構(gòu)建合適。同時，采用獨立樣本檢驗驗證 模型的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，評價指標(biāo)選用復(fù)相關(guān)系數(shù)（R2)、均方根誤差（RMSE)和預(yù)測殘差偏 差（RPD)，滿足R2> 0· 8、RMSE< 0· 07μπιο?/g、RPD> 2 時模型構(gòu)建成功。
[0021] 本發(fā)明的有益效果：
[0022] 本發(fā)明中基于高光譜的牡丹葉片花青素含量測定方法簡單、高效、實用，準(zhǔn)確度 高，特別適用中、低含量花青素葉片的原位、無損估測。該方法是將牡丹葉片反射光譜數(shù)據(jù) 與花青素含量數(shù)據(jù)相融合，通過相關(guān)分析確定花青素的敏感波段，在選定軟件中構(gòu)建基于 特征波段的花青素含量光譜監(jiān)測模型，再采用高光譜輻射儀測定待測牡丹葉片在特征波段 的反射光譜數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)導(dǎo)入光譜監(jiān)測模型中，計算得到牡丹葉片花青素含量。與現(xiàn)有濕化 學(xué)法相比具有以下優(yōu)勢：1)原位測定，不需要取樣，對牡丹葉片無損傷；2)可重復(fù)測定，達(dá) 到長期監(jiān)測的目的；3)利用對花青素含量敏感的所有有效波段信息，預(yù)測模型精度高，能 實現(xiàn)對牡丹葉片花青素含量的快速、準(zhǔn)確估測。
【附圖說明】
[0023] 圖1為實施例1中牡丹葉片花青素含量光譜監(jiān)測模型的構(gòu)建流程示意圖；
[0024]圖2為花青素含量預(yù)測值與測量值的散點圖及擬合曲線。
【具體實施方式】[0025] 實施例1
[0026] 本實施例中基于高光譜的牡丹葉片花青素含量測定方法，包括以下步驟：
[0027] -、建立牡丹葉片花青素含量光譜監(jiān)測模型（流程示意圖見圖1)
[0028] 1)取樣與高光譜數(shù)據(jù)采集
[0029] 某年4月初在某大學(xué)牡丹園內(nèi)，在牡丹（PaeoniaSuffruticosa)開花前期采集14 個不同品種的牡丹葉片，每個品種采集至少3個葉片，采用美國SpectraVista公司生產(chǎn)的 SVCHR-1024i便攜式光譜儀采集（波段值35