第一章 绪论
1.1 研究的背景和意义
油菜在我国是继玉米、水稻和小麦排名第四的农作物，相对其他的油料作物年平均产量而言，菜籽油的产量在植物油中的比例超过了一半[1]。与此同时，油菜的产油效率比较高，相对其他植物油类，能够带来更高的经济效益，因此其在中国植物油产业中占有至关重要的位置。四十年前，相对于其他欧美国家，我国的油菜从种植面积、田间管理模式、收割的平均产量到机器产油效率都十分落后，处于一个非常低的水平，无法满足广大人民群众对食物油的需求。后来通过我国农业从业者多年来的艰苦努力，在科研上求实创新，使我国的油菜产量从低产向优质高产迈进。虽然近年来我国是世界油菜生产第一大国，但是，当前我国民众的食用植物油需求仍有一大部分需要依赖国外进口，油菜产业发展受到世界市场的影响，波动起伏较大，严重制约农民和企业等方面的积极性，如何有效防范风险，避免重蹈覆辙，做大做强我国油菜产业，应引起高度重视。因此我国的油菜产业十分迫切地需要科技创新，结合我国目前的实际情况，学习国外的高新技术，以科学技术为原动力，从传统农业向数字农业转型，提高我国油菜在种植、管理、收获、产油各个方面的效率，提高我国的食用油自给率，避免受到世界市场的过大影响，保障我国食用植物油的经济安全[2]。其中作物环境信息的及时有效获取并形成实时监测的诊断技术，是研究数字农业化技术的先进手段，是农业作物高品质高产的重要保证[3]。油菜的生理信息的全程快速检测对油菜种质资源分析、田间肥水管理、病虫害监测、产量估测、油菜籽质量和品质检测、秸秆资源化利用等方面的研究都有着重要的科学意义，并且其技术更有着广泛的应用前景[4]。
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1.2 获取叶片生化组分信息的理论基础
植物叶片是植物进行光合作用和蒸腾作用的重要场所，光合作用和蒸腾作用对植物叶片的生命状态有着至关重要的作用，因此十分必要进一步了解光在植物叶片中的作用机制。当太阳电磁辐射接近植物叶片表面的时候，它要么在叶片表面发生反射、或者进入叶片被叶片内部物质吸收、或者透射穿过叶片在叶片下表面发生反射。叶片反射、透射、吸收的强度取决于电磁辐射能量的波长、叶片的表面及内部结构、叶片的各种色素含量[6]。典型的双子叶叶片有 4 层：上表皮、栅栏组织、海绵组织、下表皮[7]。栅栏薄壁组织是叶绿素色素进行各种生化反应最多的场所，特别是光合有效辐射被吸收并且转化成光化学能量。高达 90%的入射蓝光和红光能量被吸收，吸收的具体比例取决于叶绿素色素的含量。海绵叶肉层包含了叶片内的大部分水分，同时也是近红外和中红外波谱被吸收的场所。海绵组织反射 40%至 50%的入射近红外能量，同时剩余的入射能量透射通过叶片。在海绵组织内部，吸收中红外的比例随着水分含量的变化而变化[8]。因此，叶片的叶片结构、色素含量、水分含量影响了入射能量的吸收、透射、反射过程[9]。
因此生化组分信息的含量和光辐射，包括吸收、反射、透射有着密切的关系，这也是通过光谱信息获取叶片生化组分信息的理论基础。
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第二章 基于 ANGERS 数据库的叶绿素反演研究
2.1 前言
ANGERS数据库 2003 年 6 月创建于法国Angers，更新于 2013 年 9 月，目前数据库中包含 43 种植物，共 276 个样本。具体每个样本的信息有：波段为 400-2450 nm、间隔为 1 nm的半球反射率，波段为 400-2450 nm、间隔为 1 nm的半球透射率，植物类型，基于PROSPECT模型反演的结构参数N，叶绿素 a，叶绿素 b，叶绿素 Cab（Chlorophyll），类胡萝卜素 Car（Carotenoid），花青素 Canth（Anthocyanin），等价水厚度EWT（Equivalent water thickness）和干物质含量LMA（Leaf mass per unit area），其中半球反射率、半球透射率是由美国 ASD 公司设计制造的 Field Spec/FR 光谱辐射计耦合积分球进行测量的。
ANGERS数据库中叶片光谱数据集中的植被物种主要来源于温带海洋性气候区落叶阔叶林中的常见树种，叶片光谱数据集主要用于分析不同气候区的植被叶片光谱特征。本章中选取 250 个样本的反射率、透射率、叶绿素含量用于叶片叶绿素基于不同波段、不同反演模型的反演研究。
为了给后续的油菜叶片叶绿素反演策略研究提供一个方向，十分有必要先基于ANGERS数据库的数据进行初步探索研究。
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2.2 PROSPECT 模型
2.2.1 正演、反演理论研究
2.2.1.1 正演模拟
如图 2.1 为 PROSPECT 模型理论的物理过程和数学模型的原理图，其中如图 2.1（a）所示，PROSPECT 叶片模型模拟的是光线进入叶片组织辐射传输的过程：光线照射在叶片上，一少部分光能直接在叶片表面镜面反射，剩余的光能进入叶片组织，被吸收、被散射，散射出来的光一部分形成反射光、一部分形成透射光。因为光线进入叶片组织后被吸收、被散射均和叶片组织内部的叶片结构和生化组分密切相关，即叶片反射率和叶片透射率与叶片结构参数和叶片生化组分含量之间存在定量关系。植物叶片主要分为双子叶植物叶片和单子叶植物叶片，少部分单子叶植物叶片和大部分双子叶植物叶片内部具有比较明显的分层，光线进入植物叶片组织内会在这些层面上进行吸收和散射。因此如图 2.1（b）所示，PROSPECT 模型中假设这种非单层的植物叶片是由 N 层致密层和 N-1 层空气间隔层组成，其表面粗糙，光线进入内部后会发生各向同性散射。其中光进入叶片后的入射光线利用入射立体角表示，比较形象地表示入射光为各向同性平行光，最后模拟仿真得到植物叶片上表面的半球反射率和下表面的半球透射率，其中半球反射率是指叶片上表面所有方向的反射率、半球透射率是指叶片下表面所有方向的透射率。植物叶片每一致密层都假设为光学同性层，其折射率为 n，吸收系数为 k，并将描述叶片所有致密层数量的参数从整数延伸为实数，也作为描述叶片结构的参数。其中 k 由该致密层所有的吸收物质，如色素、水等物质的吸收系数和具体含量计算所得[60]。
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3.1 前言 .............................
3.2 单积分球测量系统平台的构建 ....................................... 21
第四章 不同生长时期油菜叶片叶绿素反演 .................................... 31
4.1 实验数据采集 ......................................... 31
4.1.1 五个不同 N 梯度油菜试验区概况 .................................... 31
4.1.2 叶片 SPAD 值采集 ............................... 33
第五章 结果及展望 ............................................ 48
5.1 主要工作与结论 .............................................. 50
5.1.1 叶片辐射传输模型的研究......................................... 50
5.1.2 单积分球测量系统的平台构建........................... 51
第四章 不同生长时期油菜叶片叶绿素反演
4.1 实验数据采集
4.1.1 五个不同 N 梯度油菜试验区概况
本次油菜实验的试验区设在浙江省杭州市浙江大学紫金港校区农生环组团 D 座楼顶，经纬度坐标为 N30°17′56″和 E120°5′13″。实验油菜的品种为 ZD630。试验时间从 2017 年12 月 20 日到 2018 年 4 月 15 日，首先从大田环境中移植油菜幼苗种植在盆栽中，施与同样的钾肥和磷肥，保证油菜生长的基本养分，控制氮肥施肥量设立不同氮素梯度；油菜生长过程中应结合天气进行浇水，保证水分的充足；搭建油菜温室大棚，确保生长温度的适中一致。由于油菜生长至开花后期，叶片较小，不再适合利用单积分球测量系统进行光谱采集，因此本次试验主要采集了三个时期，共五次实验的数据，如下图 4.1，分别是苗期两次（2018.01.08、2018.02.03），抽薹期两次（2018.03.15、2018.03.31），开花期一次（2018.04.15），每次实验时间为 3 天。其中共设置五个氮梯度（N0、N1、N2、N3、N4），表 4.1 详细说明了施肥量的具体信息，试验期间共施肥三次，主要是施氮肥、磷肥、钾肥，三次施肥的具体时间分别为：2017.12.27、2018.02.03 和 2018.03.18。每个梯度下 16 个重复，一次实验 80 个样本量，三个时期五次实验的共 400 个样本。实验期间记录日期、气候、环境温度。实验过程中需将测量信息完整的记录在实验记录本上，以便于后续的登记和排查。
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第五章 结果及展望
5.1 主要工作与结论
本研究以油菜叶片为研究对象，围绕寻找最优的叶绿素反演策略展开。研究内容是基于不同波段、不同光谱属性、不同反演模型、不同测量仪器，寻找油菜叶片叶绿素最佳反演策略。为了后续的油菜实验数据有一个初步的处理方向，十分有必要先基于数据库的数据进行初步探索研究。首先基于 ANGERS 数据库的数据，比较不同光谱波段，不同光谱属性：反射率、透射率、反射率+透射率，不同反演模型对叶绿素含量反演的效果；然后根据油菜叶片实验所需构建了单积分球检测系统平台，并对平台进行了可靠性验证，确认其测量结果的可靠性；最后基于 ANGERS 数据库前面的叶绿素反演的策略探索，结合 400个油菜样本数据分析了不同波段、不同光谱属性：反射率、透射率、反射率+透射率，不同反演模型、不同仪器对叶绿素反演结果的影响。主要研究工作及结论如下：
5.1.1 叶片辐射传输模型的研究
研究了 PROSPECT 模型正演、反演的核心理论及叶片不同生化组分信息吸收系数波谱的变化规律。并基于 ANGERS 数据库初步研究探索了不同反演策略对叶绿素反演的影响。
基于 ANGERS 数据库，利用随机森林模型和 PROSPECT 模型探索叶绿素最优的反演策略。ANGERS 数据库里面的数据包含了不同种类叶片的半球反射率、半球透射率，以及对应的生化组分信息，可以利用 ANGERS 数据库里面的数据进行叶绿素预测和反演的研究。比较了 ANGER 数据库中 250 个样本的 400-2450 nm 和 400-1000 nm 的反射率+透射率反演叶绿素的效果，发现两者的 R2值，RMSE 值相差不大，结果说明 400-1000 nm 的反射率+透射率反演叶绿素含量的可行性。比较 ANGER 数据库中 250 个样本在 400-1000 nm的反射率、透射率反演叶绿素的效果，发现透射率反演叶绿素的 R2值大于反射率反演叶绿素的 R2值、且 RMSE 值更小，但误差略大 400-1000 nm 的反射率+透射率反演叶绿素的结果，说明了利用 400-1000 nm 反射率+透射率反演叶绿素含量这一反演策略的优选性。为了进一步研究统计模型和辐射传输模型的反演效果，选择利用近年来比较热门的统计方法机器学中随机森林模型和 PROSPECT 模型就反演叶绿素的效果进行比较，可发现基于随机森林模型利用400-1000 nm反射率预测叶绿素的误差略大于基于PROSPECT模型400-1000 nm 反射率反演叶绿素的误差；基于随机森林模 400-1000 nm 透射率预测叶绿素的效果略差于基于 PROSPECT 模型 400-1000 nm 透射率反演叶绿素的效果。
参考文献（略）