1 Antecedentes experimentais

As concentrações de clorofila são muitas vezes bons indicadores de forças nutricionais das plantas, capacidade de fotossíntese e desenvolvimento de todas as fases do envelhecimento, e a tecnologia geoespectral e a tecnologia de teledetecção para detectar as concentrações de clorofila geralmente recebem muita atenção em áreas de pesquisa como agricultura e comunidades de plantas naturais. A maioria dos estudos se concentrou na relação entre a refletidão espectral e a concentração de clorofilo A ou total, alguns estudaram a relação entre a clorofilo B ou a concentração de clorofilo A e a concentração de clorofilo B, e outros estudaram principalmente a concentração de carotenóides ou a relação entre carotenóides e clorofilo.

Muitos estudos mostram que o espectro da vegetação "borda vermelha" é sensível à reflexão das condições de crescimento da vegetação, o ponto de viragem da borda vermelha da vegetação é o grande ponto de inclinação na curva espectral de reflexão da planta, localizado entre o comprimento de onda 690 ~ 720 nm, experimentos de laboratório confirmaram que a localização do comprimento de onda do ponto de viragem da borda vermelha e a concentração de clorofila na amostra de folhas têm uma relação positiva.

Este artigo analisa ainda mais a correlação entre a refletidão das folhas de arroz e sua concentração de clorofilo e a relação entre a posição do comprimento de onda vermelho espectral das folhas de arroz e sua concentração de clorofilo, medindo e calculando a refletidão das folhas de arroz com diferentes concentrações de clorofilo e a borda vermelha da curva diferencial de primeira ordem de refletidão.

2 Princípios básicos de funcionamento do espectrômetro geográfico

Além disso, os espectrómetros geográficos têm amplas aplicações, incluindo identificação de minerais e estimativas de recursos na exploração de minerais, bem como classificação de superfícies e monitoramento de desastres em aplicações de teledetecção. Por exemplo, na exploração de minerais, os diferentes minerais têm características espectrais únicas que permitem identificar o tipo e a distribuição dos minerais através da análise espectral. Em aplicações de teledetecção, a classificação da superfície é realizada por meio de espectrômetros equipados por satélite ou drones para classificar e monitorar superfícies, como florestas, terras agrícolas, cidades, etc. O monitoramento de desastres avalia rapidamente o alcance e a magnitude de desastres naturais por meio de análises espectrais.

3 Desenho de laboratório

Preparação antecipada

Este experimento seleciona a variedade de arroz híbrido do Arroz Tercer Normal Excelente 1 (Normal Excelente 99-1) como objeto de estudo, e as nove regiões onde o arroz é cultivado foram tratadas em diferentes pontos de fertilização, e suas condições de crescimento são claramente diferentes.

Selecionar 10 folhas funcionais representativas para o arroz normal ideal de nove áreas diferentes tratadas com fertilizantes, medir a concentração de clorofilo de cada folha com clorofilo, cada folha mede a concentração de clorofilo quatro vezes em diferentes posições de folhas, em seguida, a folha é retirada, com 10 folhas de cada área como um conjunto através do espectrômetro geográfico portátil ATP9100F para medição de reflexo espectral à luz solar. As 10 lâminas são sobrepostas em diferentes ordens, usando uma sonda de campo de visão de 25 ° com a altura da lâmina de cerca de 5 cm para cada lâmina para medição espectral rápida, com a faixa de medição espectral de 300 a 1100 nm e a resolução espectral dentro de 2 nm.

Análise e processamento de dados

Entre 400 ~ 500nm e 600 ~ 700nm, devido à absorção total da clorofila de reserva de radiação de luz azul e vermelha para a fotossíntese para formar duas áreas de reflexão inferior, com uma relação de reflexão baixa, geralmente inferior a 10%; A partir de 500nm, a absorção das folhas diminui, geralmente em 550nm é baixa, ou seja, a parte da banda verde, formando aqui um pequeno pico de reflexão, a taxa de reflexão é de cerca de 20%, que também é a razão pela qual as folhas das plantas são verdes; Em seguida, a refletidão subiu repentinamente em 700 nm, entrou na faixa de infravermelho próximo e a curva se suavizou, tornando-se uma área de plataforma de alta refletidão, geralmente atingindo 50% ~ 60%, alguns mais altos. Aqui a taxa de reflexão da área de absorção da banda vermelha da clorofila para a área de transição do infravermelho próximo devido à dispersão da lâmina e a taxa de reflexão relativamente alta é conhecida como a área "borda vermelha", geralmente localizada entre os comprimentos de onda 690 ~ 720 nm, "borda vermelha" na curva diferencial de primeira ordem da reflexão é importante, alguns pesquisadores confirmaram a relação entre a borda vermelha da lâmina e a concentração da clorofila; E a "borda vermelha" é o ponto com maior inclinação na curva espectral de reflexão da planta na área da "borda vermelha", ou seja, o ponto em que a reflexão muda rapidamente.

Análise de banda única

As folhas de arroz (9 amostras) com diferentes níveis de nitrogênio foram submetidas a uma análise de refletidão espectral em vários comprimentos de onda e suas concentrações de clorofila. A Figura 5 apresenta um gráfico de coeficientes de correlação entre os dois, como é evidente da Figura 5:

① De 420nm a 720nm, ambos apresentam uma relação de correlação negativa, com o aumento do comprimento de onda, o fator de correlação negativa aumenta drasticamente, até 460nm, o fator de correlação atinge -0,6, até 560nm, o fator de correlação atinge -0,8, depois até 686nm, o fator de correlação atinge -0,95;

De 686nm a 726nm, ambos passam em vão do valor negativo para zero e continuam a aumentar para o valor positivo em 745nm, com um coeficiente de correlação de aproximadamente 0,92;

De 726nm a 1000nm, além de um ligeiro declínio no coeficiente de correlação perto de 940nm, os dois coeficientes de correlação têm mantido uma boa relação de correlação positiva, com um coeficiente de correlação de cerca de 0,9.

As mudanças acima mencionadas na correlação dos dois são principalmente devido ao espectro de reflexão das plantas na faixa de luz visível muito afetado pela clorofila, no processo de crescimento das folhas de arroz, com o aumento do teor de clorofila, o número de espaços das células folhas aumenta, o que resulta na redução da refletidão da luz visível, enquanto a refletidão do infravermelho próximo aumenta, e faz com que ambos sejam fortemente negativamente relacionados na faixa de luz visível, com uma forte correlação positiva na faixa de infravermelho próximo. Entre 686nm e 745nm, ambos passam em vão de correlação negativa para correlação positiva, e o coeficiente de correlação é próximo a zero em 726nm, principalmente porque a clorofila das folhas de arroz tem um grande efeito sobre a refletidão do espectro visível, e a estrutura das folhas de arroz tem um grande efeito sobre o espectro infravermelho próximo.

Posição do comprimento de onda do lado vermelho da folha de arroz

Relação com sua concentração de clorofila

Como o espectrómetro geográfico portátil ATP9100F coleta dados discretos, é possível calcular derivadas de primeira ordem aproximadas dos dados espectrais através da fórmula (1).

onde R(λ)_icomprimento de onda i (λ)_iespectro de reflexão diferencial de primeira ordem, λ_i+1, λ_iλ_i-1 é o comprimento de onda vizinho.

Utilizando a fórmula (1), os espectros de reflexão das folhas de arroz das concentrações de clorofilo não ventilado selecionadas em nove regiões são derivados de ordem I, para obter a posição do comprimento de onda do ponto de curva vermelho.

Análise de regressão linear com a concentração de clorofila como autovariável x, a posição do ponto de curva vermelho da folha de arroz como variável y

Há uma boa correlação entre o ponto de curva vermelho refletido pelas folhas de arroz e a concentração de clorofila, o fator de correlação múltipla (R²Atingindo 0,88, isso é consistente com a teoria de que os experimentos de laboratório confirmaram que a localização do comprimento de onda do ponto de curva vermelho e a concentração de clorofilo em amostras de folhas são positivamente correlacionadas, o que mostra a viabilidade de estimar quantitativamente e analisar a concentração de clorofilo em folhas de arroz usando dados de espectrômetro de vida selvagem.

4 Conclusões

Com base na análise das características espectrais de reflexão das folhas de arroz, este experimento foi pesquisado e analisado através da correlação entre sua refletividade espectral e sua posição de borda vermelha refletida e a concentração de clorofila das folhas. Os resultados do estudo indicam que:

(1) A correlação entre a refletividade das folhas de arroz e a concentração de clorofila tem uma estreita relação com o espectro de comprimento de onda, entre 420 ~ 726nm, entre 726 ~ 1000nm é positiva; A correlação é elevada entre 450-686nm e 750-770nm, e a correlação é elevada em 686nm, com um coeficiente de correlação maior que 0,95, enquanto a correlação é 0 em 726nm. Assim, os resultados deste experimento demonstram a capacidade de detecção de concentrações de clorofila de arroz com tecnologia geográfica de alto espectro e a necessidade de escolher a melhor faixa.

(2) Há uma boa correlação linear entre o conteúdo de clorofila das folhas de arroz e a posição do ponto de curva vermelho do seu espectro de reflexão, proporcionando assim métodos técnicos e caminhos para estimar quantitativamente a concentração de clorofila das folhas de arroz usando um alto espectro.