光谱反射率预测甘蔗叶片氮磷钾含量及传感器开发

发布时间：2020-05-06 07:06

【摘要】：在广西的甘蔗种植中,化肥的过量和不正当使用,造成国际竞争力低和环境污染等问题。为了解甘蔗的生长状况,提高化肥的利用率,本文以光谱学方法为理论基础,建立了甘蔗叶片氮(N)、磷(P)、钾(K)含量的预测模型,并进一步考虑元素间的交互作用,以提高对N、P、K含量的预测精度。本文以甘蔗为研究对象,通过对不同生长期的叶片进行光谱反射率(220-1400nm)的测量,探索了多种光谱分析方法建立叶片N、P、K含量预测模型的可行性。研究首先对全光谱数据进行二阶微分(2nd Der)变换,再通过CARS-PCA算法筛选特征变量,选择N、P、K的特征变量个数分别为34、32、39个。利用特征变量建立甘蔗叶片氮、磷、钾含量的6折交叉预测PLS模型,PLS模型预测结果R2分别为0.8591、0.6769、0.9321。考虑到甘蔗生长过程中N、P、K可能存在的交互影响,本文还引入了包含19个因子的三项回归模型来反映三因子间的互作关系。并利用PCA将提炼后的19IF-PCA主成分因子建立了N、P、K的PLS和MLR修正预测模型,其中N、P、K含量的MLR修正模型预测结果决定系数R2分别为0.8908、0.8019、0.9439,预测精度明显提高。除此之外,研究还基于光谱学原理,设计并开发了一款便携式作物长势传感器,以期实现对作物的无损、快速检测。
【图文】：

变化图,食糖,数据

甘蔗的生产成本越来越高，这直接导致了我国食糖价格缺乏国际竞争力，使得我国产糖逡逑出口量很少［４］。据统计，国内大部分食糖来源于进口，近年来的食糖出口量占进口量的逡逑１．０％？４．９％，国际竞争力较弱。２０１２－２０１８年食糖进出口数据如图１－１［５＇逡逑４８４．６２逡逑５００「逦４５４．５９逦，逦Ｚ进口量（万吨）逡逑，？则，３腿｜逦■出口量（万吨）逡逑Ｓｓｏｏ．Ｉ邋｜邋Ｉ邋Ｉ邋７逦２邋yU逡逑卜Ｉ逦Ｉ逦Ｉ邋ＩＩ逦？邋Ｉ逡逑＾１０：邋ｒ邋｜７ｙ邋ｔｖ邋Ｉ邋－邋ｉ邋Ｉ－邋Ｉ－邋ｉｆ逡逑２０１２逦２０１３逦２０１４逦２０１５逦２０１６逦２０１７逦２０１８逡逑年份（年）逡逑图１－１．邋２０１２－２０１８年中国进出口食糖数据逡逑Ｆｉｇ．邋１－１邋Ｔｈｅ邋ｄａｔａ邋ｏｆ邋ｃｈｉｎａ＇ｓ邋ｉｍｐｏｒｔ邋ａｎｄ邋ｅｘｐｏｒｔ邋ｏｆ邋ｓｕｇａｒ邋ｆｒｏｍ邋２０１２邋ｔｏ邋２０１８逡逑由于投入产出比过高，甘蔗种植的经济效益得不到保障，国内的种植面积也出现减逡逑少的趋势。由国家统计局发布的中国统计年鉴可以看出，近年来，甘蔗的种植面积一直逡逑在减少，如２０１４年，在广西甘蔗种植的面积是１０８１．５千公顷，相较上一年减少约４％，逡逑总产量为７９５２．６万吨，减少约２％。２０１５年广西地区甘蔗种植面积９７３．７千公顷，相较逡逑上一年减少约１０％，总产量为７５０４．９万吨，减少约６％［３］。图１－２是２０１２－２０１７年广西逡逑甘蔗种植面积和产量趋势变化图。目前

年份,作物,作物长势,光谱反射率

Ｆｉｇ．邋１－２邋Ｔｈｅ邋ｄａｔａ邋ｏｆ邋Ｃｈｉｎａ＇ｓ邋ｉｍｐｏｒｔ邋ａｎｄ邋ｅｘｐｏｒｔ邋ｏｆ邋ｓｕｇａｒ邋ｆｒｏｍ邋２０１２邋ｔｏ邋２０１７逡逑（Ｎ）、磷（Ｐ）、钾（Ｋ）肥是甘蔗生长期间必须使用的肥料，其施用的量决定甘逡逑量和品质。其中，磷、钾肥主要是作为基肥施用，主要吸收是在甘蔗生长的前中逡逑吸收的磷、钾元素可供后期生长所需【ｍ３】。在作物的分裂期及伸长期，氮肥的施逡逑为关键，，对产量的高低及品质的好坏（含糖量的高低）都有直接关系［１４“６］。氮、逡逑是影响作物产量高低和品质好坏的主要元素，氮、磷、钾肥的施用量直接影响作逡逑养元素的吸收量，从而引起叶片生理及形态的相应变化，进而使甘蔗植株冠层的逡逑射率发生变化［１７］。逡逑用光谱学方法快速预测作物氮、磷、钾含量是作物长势状态实时监测领域的一种逡逑用方法，光谱技术具有多波段、高分辨率、包含多成分信息等特点［１８］。但其直接逡逑作物监测上精度较低，制约其在农业监测方面的发展与应用［１９＿２１】。传统通过光谱逡逑预测作物氮含量的建模方法通常只考虑光谱反射率与氮肥施用量、作物氮含量的逡逑系，未深入考虑氮素的吸收效率、其他多量元素对模型带来的影响，尤其是磷、逡逑种多量元素对氮素吸收效率的制约与促进，以及三者在作物光谱反射率上可能表逡逑的相互影响的特征［２２＿２５］。没有考虑元素间交互影响易造成判断误差，实际应用中逡逑限性。而结合氮、磷、钾间的交互效应可建立更准确的作物长势预测模型，提供逡逑
【学位授予单位】：广西大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：S566.1;O433;TP212

【参考文献】