高光譜技術(shù)帶你揭秘楓葉變色過(guò)程

一、 引言

研究表明，植物激素和一種叫做乙烯的化學(xué)物質(zhì)在樹(shù)葉的生長(zhǎng)和死亡過(guò)程中起著重要的作用。在春季和初夏，有三種不同的激素分布于樹(shù)的各個(gè)部分，它們加速新的綠葉的生長(zhǎng)，在初秋時(shí)節(jié)，乙烯和一種叫做脫落酸的激素便聚積在樹(shù)葉中，并開(kāi)始進(jìn)行一系列的化學(xué)變化。這些變化持續(xù)幾個(gè)星期，直至樹(shù)葉脫落。在樹(shù)葉死亡之前，它便將其中的水分和生長(zhǎng)化合物質(zhì)包括氮、磷等輸送回樹(shù)干（枝）中，它們以汁液狀態(tài)安全地貯藏在樹(shù)干和樹(shù)根中，直到來(lái)年的春天新葉萌發(fā)時(shí)再釋放出來(lái)。新老樹(shù)葉也向回輸送葉綠素，而其它顏色的物質(zhì)，仍留在樹(shù)葉里，其中有鮮紅色、枯色和黃色，它們一直都在樹(shù)葉中。但由于春夏時(shí)葉綠素較多，有些顏色就被掩蓋起來(lái)，只有在秋冬季節(jié)才會(huì)顯現(xiàn)出來(lái)。與此同時(shí)，樹(shù)葉中的細(xì)胞開(kāi)始死亡，在樹(shù)葉基部的一組特殊細(xì)胞開(kāi)始衰弱，因此在風(fēng)雨中便容易掉落下來(lái)。這就是為什么秋冬季節(jié)有些樹(shù)的葉子會(huì)變成鮮紅色、桔色或黃色而且還會(huì)脫落。

而不同植物葉片呈現(xiàn)出不同的顏色，這是和葉片細(xì)胞內(nèi)色素的種類(lèi)、相對(duì)含量密切相關(guān)。一般植物葉片表現(xiàn)為綠色，這是由于葉片中葉綠素（Chl）的相對(duì)含量多于類(lèi)胡蘿卜素，葉綠素是植物重要的光合色素，植物通過(guò)葉綠素捕獲光子，并將光能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能，因此葉綠素在植物體內(nèi)扮演著重要的角色。葉片顏色從綠色變?yōu)槠渌伾?，原因之一就是葉綠素相對(duì)含量減少，而類(lèi)胡蘿卜素相對(duì)含量增加。T A. Shemer等對(duì)果實(shí)進(jìn)行研究，認(rèn)為顏色轉(zhuǎn)變常常會(huì)有大量類(lèi)胡蘿卜素的合成和大量葉綠素的分解。而催化葉綠素分解的第一步酶就是葉綠素酶嗎，有學(xué)者認(rèn)為：在葉片衰老的期初階段，葉綠素酶發(fā)揮作用可能是在Chlb轉(zhuǎn)化為Chla的過(guò)程中。葉綠素酶對(duì)葉綠素進(jìn)行分解，導(dǎo)致其相對(duì)含量下降，葉片逐漸褪綠?；ㄉ剀帐乔锛救~色轉(zhuǎn)變的主要物質(zhì)基礎(chǔ)，屬于植物的次生代謝產(chǎn)物，由花色素與糖組成，主要在植物表皮細(xì)胞的液泡中，也是彩葉植物葉色多彩的主要物質(zhì)。

本文采用高光譜圖像技術(shù)檢測(cè)植物葉片內(nèi)部及外部特征，對(duì)楓葉內(nèi)部含量變化進(jìn)行可視化分析，以實(shí)現(xiàn)探索楓葉葉片隨季節(jié)變化而內(nèi)部質(zhì)量改變的目的。

二、試驗(yàn)材料與方法

本研究以同一時(shí)間采集的同一種楓樹(shù)采集的葉片為研究對(duì)象，初步分析楓樹(shù)葉片隨季節(jié)變化而產(chǎn)生的內(nèi)部品質(zhì)變化的過(guò)程。 

2.2  實(shí)驗(yàn)設(shè)備

高光譜成像數(shù)據(jù)采集采用江蘇雙利合譜科技有限公司的 GaiaSorter高光譜分選儀系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由高光譜成像儀(GaiaField Pro-V10)、CCD 相機(jī)、光源、暗箱、計(jì)算機(jī)組成，結(jié)構(gòu)圖與實(shí)景圖如圖1。高光譜成像系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)置如表1。

表1   GaiaField-V10便攜式光譜成像系統(tǒng)

圖1 高光譜相機(jī)

2.3  圖像處理分析

采用SpecView和ENVI/IDL對(duì)高光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行處理及分析。其中高光譜影像數(shù)據(jù)的處理在SpecView完成，包括鏡像變換和黑白幀校正；其他數(shù)據(jù)的分析在ENVI/IDL中進(jìn)行。

三、結(jié)果與討論

取楓葉葉片未變色（綠色）、變色中期（黃色）和變色后期（紅色）區(qū)域和背景各3個(gè)不同位置周邊50個(gè)像元，分別獲取這3個(gè)不同位置50個(gè)像元的光譜反射率，并求取這50個(gè)像元的反射率均值，如下圖所示，（a）為利用高光譜相機(jī)三個(gè)波段組成的偽彩色圖，(b)為反射率平均值。其中，楓葉在變色后期的光譜反射率在550nm范圍內(nèi)明顯低于未變色、變色中期區(qū)域的光譜反射率，而變色中期的黃色葉片在550nm處表現(xiàn)出來(lái)的反射譜圖沒(méi)有形成尖銳的峰形。在750-900nm范圍內(nèi)，葉片未變色和變色中期的光譜反射率均高于變色后期；而黑色背景在全波段范圍內(nèi)反射率都極低，屬于正常現(xiàn)象，這是因?yàn)楹谏瓷洳牧暇哂形庾饔?，反射的光較少。在580-700 nm以及在550和780 nm波段處，可以三種葉片存在顯著差異，因此可以嘗試通過(guò)構(gòu)建植被指數(shù)和閾值分割方法探索出楓葉的變色過(guò)程。

圖1（c）(d)分別為一階導(dǎo)數(shù)和二階導(dǎo)數(shù)處理，可以看出光譜峰更加銳利，光譜結(jié)合實(shí)驗(yàn)室化學(xué)分析可以有效推斷葉片內(nèi)部成分差異，目前沒(méi)有理化分析結(jié)果，所以只能通過(guò)判斷光譜差異進(jìn)行差異分析。

圖2 楓葉偽彩色圖及光譜

3.2  葉片區(qū)域的提取及NDVI反演圖

對(duì)經(jīng)過(guò)鏡像變換、黑白幀校準(zhǔn)的高光譜圖像，根據(jù)葉片與背景區(qū)域的光譜差異，利用ENVI/IDL軟件的波段運(yùn)算建立腌膜，獲取純?nèi)~片圖像，對(duì)圖像進(jìn)行二值化處理后，進(jìn)行NDVI反演。圖2為葉片的NDVI反演圖。可以明顯看出，未變色葉片NDVI值大于變色中期，變色后期NDVI值最低。

圖3 數(shù)據(jù)處理結(jié)果

3.3  葉片的主成分分析

為了客觀地識(shí)別不同變色時(shí)期的楓葉，對(duì)經(jīng)預(yù)處理后的高光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行主成分分析（Principal Component Analysis, PCA），去除波段之間的多余信息、將多波段的圖像信息壓縮到比原波段更有效的少數(shù)幾個(gè)轉(zhuǎn)換波段下。圖4為楓葉經(jīng)PCA變換后的前4個(gè)主成分。

根據(jù)獲取的主成分圖像，第四主成分含有較多無(wú)用信息，說(shuō)明前4個(gè)主成分包含了大量的光譜信息。而前兩個(gè)主成分雖然包含了最多信息，且圖像較為清晰，在第二主成分可以明顯的看到紅楓葉病害區(qū)域。經(jīng)初步判斷，第二、三主成分結(jié)合實(shí)驗(yàn)室化學(xué)分析可以輕松的判斷出楓葉內(nèi)部成含量的變化以及分布情況。

圖4 PCA處理后的前4個(gè)主成分

為了更客觀真實(shí)地識(shí)別出楓葉內(nèi)部品質(zhì)信息和不同變色期的差異，根據(jù)波段組合的特點(diǎn)，對(duì)PCA前4個(gè)主成分組合成各種假彩色圖像，如圖5為楓葉的假彩色合成圖像。與灰度圖相比，假彩色合成更能直觀地識(shí)別出楓葉間的差異。

4. 結(jié)論圖5 PCA假彩色合成圖像

氣溫降低使樹(shù)葉中的葉綠素被破壞，葉黃素和花青素等色素顯露出來(lái)，使樹(shù)葉變成紅色或橙色，本實(shí)驗(yàn)基于GaiaField Pro-V10成像高光譜相機(jī)，分別獲取未變色、變色中期以及變色后期楓葉的400-950 nm范圍的光譜反射率，首先對(duì)提取出的光譜數(shù)據(jù)取平均值，可以起到曲線平滑的作用，同時(shí)對(duì)去噪后的光譜提取特征波長(zhǎng)，同時(shí)采用全波段循環(huán)，探尋最佳的NDVI光譜指數(shù)構(gòu)建判別模型，并基于PCA算法對(duì)葉片圖像內(nèi)部含量進(jìn)行可視化分析，可為探究楓葉隨季節(jié)變化而產(chǎn)生的類(lèi)胡蘿卜素、花色素苷等物質(zhì)的內(nèi)部動(dòng)態(tài)變化提供理論支持。通過(guò)探究發(fā)現(xiàn)，楓葉在未變色、變色中期以及變色后期內(nèi)部品質(zhì)存在巨大差異，這是由于葉片內(nèi)部的主要成分發(fā)生了轉(zhuǎn)移或變化。通過(guò)研究楓葉隨季節(jié)變化而產(chǎn)生的內(nèi)部品質(zhì)的動(dòng)態(tài)變化，將該結(jié)果結(jié)合植被冷害脅迫、蟲(chóng)害程度進(jìn)行分析，可起到對(duì)植被進(jìn)行表型分析的效果。