在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，氮素是農(nóng)作物生長(zhǎng)、產(chǎn)量和品質(zhì)形成所必需的元素，也是最難有效管理的植物營(yíng)養(yǎng)元素。如果管理不當(dāng)，其對(duì)環(huán)境、產(chǎn)品品質(zhì)以及人類健康將產(chǎn)生諸多不利影響。土壤全氮是表征土壤基礎(chǔ)肥力的一個(gè)重要指標(biāo)，若其含量過(guò)低，勢(shì)必影響作物的生長(zhǎng)發(fā)育，造成糧食產(chǎn)量的下降；若其含量過(guò)高，多余的氮素可能流失造成地表水富營(yíng)養(yǎng)化，也可能在下滲水流的作用下滲透到地下水層，造成地下水污染。為了保證土壤的健康，提高土壤的生產(chǎn)效率，對(duì)土壤全氮進(jìn)行檢測(cè)就顯得很有必要。目前的檢測(cè)方式主要以化學(xué)方法為主，不僅費(fèi)時(shí)、費(fèi)力，實(shí)時(shí)性差，內(nèi)部組織成分的測(cè)定需依靠破壞性檢測(cè)方法而且受人工影響很大，這嚴(yán)重影響了對(duì)土壤全氮含量進(jìn)行無(wú)損、準(zhǔn)確的檢測(cè)。那么，尋找一種準(zhǔn)確、方便的檢測(cè)方法顯得尤為重要，而集圖像和光譜于一身的高光譜圖像檢測(cè)技術(shù)無(wú)疑是一個(gè)很好的選擇。

*高光譜圖像是一系列光波波長(zhǎng)處的光學(xué)圖像，比多光譜圖像的光譜分辨率更高，通常可達(dá)2~3nm。其測(cè)量光譜范圍可在紫外、可見(jiàn)光和近紅外區(qū)域叫。高光譜圖像數(shù)據(jù)是三維的，有時(shí)稱為圖像塊。其中的二維是圖像像素的橫縱坐標(biāo)信息(以坐標(biāo)x和y表示),第三維是波長(zhǎng)信息(以λ表示)12。因此，高光譜圖像技術(shù)結(jié)合了光譜技術(shù)與計(jì)算機(jī)圖像技術(shù)兩者的優(yōu)點(diǎn)。光譜技術(shù)能檢測(cè)待測(cè)物物理結(jié)構(gòu)、成分組成等內(nèi)部品質(zhì)信息，計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)又能全面反映待測(cè)物的外在特征，所以高光譜圖像能反映待測(cè)物的綜合品質(zhì)。近年來(lái)，高光譜圖像技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用于家禽肉表面污染檢測(cè)3,豬、牛肉的品質(zhì)檢測(cè)451,水果和蔬菜6-10的品質(zhì)分級(jí)研究。該技術(shù)在土壤中礦物成分定量鑒別、土壤含水率、土壤有機(jī)質(zhì)等方面也有了一定的研究。但是，基于高光譜圖像技術(shù)的土壤全氮檢測(cè)方法在我國(guó)鮮有報(bào)道。本文提出采用高光譜圖像技術(shù)檢測(cè)土壤全氮含量，并比較分析了土壤粒度對(duì)模型的影響，可為便攜式儀器的開(kāi)發(fā)提供技術(shù)支撐。

高光譜圖像技術(shù)檢測(cè)土壤全氮含量的研究

本研究應(yīng)用了400-1000nm的高光譜相機(jī)，可采用廣東賽斯拜克SineSpec科技有限公司產(chǎn)品SP130M進(jìn)行相關(guān)研究。光譜范圍在400-1000nm，波長(zhǎng)分辨率優(yōu)于2.5nm，可達(dá)1200個(gè)光譜通道。采集速度全譜段可達(dá)128FPS，波段選擇后最高3300Hz（支持多區(qū)域波段選擇）。

1 材料與方法

1.1土樣采集與處理

試驗(yàn)材料選用湖北潮土，供試土樣來(lái)源于湖北省農(nóng)科院試驗(yàn)田。所有土壤樣品采樣深度均為0~20cm。樣品經(jīng)風(fēng)干、去雜、研磨后，依次通過(guò)5mm、2mm、1mm、

0.5mm、0.25mm標(biāo)準(zhǔn)篩，得到5種不同粒度的土壤樣本

(5~2,2~1,1~0.5,0.5~0.25,<0.25mm),每種粒度下有55個(gè)樣本。采用四分法取樣，一式兩份，一份用于土壤全氮含量的測(cè)定，另一份用于土壤高光譜圖像的采集。

1.2高光譜圖像采集系統(tǒng)

試驗(yàn)采用高光譜圖像采集系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要由1臺(tái)帶有電子倍增電荷耦合器件(EMCCD:Andor Technology

Inc.,USA)的成像光譜儀(VNIR Concentric, Headwallphotonics, USA)、1個(gè)35mm鏡頭、1套高光譜自動(dòng)掃描移動(dòng)平臺(tái)、1個(gè)25μm狹縫、以及1臺(tái)計(jì)算機(jī)等組成。高光譜圖像采集系統(tǒng)由基于LabVIEW開(kāi)發(fā)環(huán)境的Software Development Kits(SDKs)平臺(tái)進(jìn)行控制。該平臺(tái)能實(shí)現(xiàn)成像光譜儀參數(shù)的調(diào)節(jié)、移動(dòng)平臺(tái)位置的控制以及高光譜數(shù)據(jù)的采集。

1.3土壤全氮含量的測(cè)定

采用凱式定氮法(GB/T 5009.5-2010)。在有催化劑的條件下，用濃硫酸消化樣品將有機(jī)氮都轉(zhuǎn)變成無(wú)機(jī)銨鹽，然后在堿性條件下將銨鹽轉(zhuǎn)化為氨，隨水蒸氣餾出并為過(guò)量的酸液吸收，再以標(biāo)準(zhǔn)堿滴定，計(jì)算出土壤全氮含量。

1.4數(shù)據(jù)處理

1.4.1圖像的標(biāo)定

由于高光譜圖像各波段下的光源強(qiáng)度分布不均勻，以及攝像頭中的暗電流的存在和土壤形狀不平整，導(dǎo)致光強(qiáng)分布較弱的波段下的圖像噪聲較大，因此必須對(duì)圖像進(jìn)行校正，以消除噪聲和暗電流對(duì)圖像的影響。

1.4.2光譜的提取及預(yù)處理

高光譜圖像中每一個(gè)像素點(diǎn)都對(duì)應(yīng)一條光譜。選取土樣感興趣區(qū)域，計(jì)算該區(qū)域內(nèi)所有像素點(diǎn)所對(duì)應(yīng)光譜的平均值，作為土壤樣品的光譜。

提取出來(lái)的原始光譜信號(hào)是由散布在一定時(shí)間、波長(zhǎng)范圍或距離(空間)內(nèi)的一系列數(shù)據(jù)組成，其不僅包含物質(zhì)化學(xué)結(jié)構(gòu)等相關(guān)信息，還包括其它噪聲信號(hào)，所以必須對(duì)土壤光譜進(jìn)行預(yù)處理。本文采用平滑(Smoothing)、正交信號(hào)校正(OSC)、標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)變量變換(SNV)、標(biāo)準(zhǔn)化(Autoscale)、均值中心化(Mean center)、歸一化(Normalize)、一階導(dǎo)數(shù)+平滑(1stDer+Smoothing)、標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)變換變換+去除趨勢(shì)(SNV +Detrend)等預(yù)處理方法對(duì)光譜進(jìn)行預(yù)處理。

1.5建模方法及評(píng)價(jià)

1.5.1 偏最小二乘法(RLS)

偏最小二乘法(PLS)利用主成分分析，將吸光度矩陣和濃度矩陣先分別分解為特征向量和載荷向量，用交互校驗(yàn)法確定最佳主成分?jǐn)?shù)，然后建立吸光度矩陣與濃度矩陣的數(shù)學(xué)模型，是目前NIRS定量分析中應(yīng)用最多的一種多元校正方法112-14。

1.5.2 主成分分析支持向量機(jī)(RCA SMM

支持向量機(jī)(SVM)是一種基于統(tǒng)計(jì)學(xué)習(xí)理論的新型學(xué)習(xí)機(jī)器[15]。其基本思路就是把訓(xùn)練集運(yùn)用Mercer核展開(kāi)定理，通過(guò)非線性映射到一個(gè)高維特征空間(維數(shù)可以無(wú)限大),然后在此特征空間中應(yīng)用線性學(xué)習(xí)機(jī)的方法解決空間中的高度非線性分類和回歸等問(wèn)題。此方法在模式識(shí)別方面已經(jīng)廣泛應(yīng)用。

SVM在計(jì)算過(guò)程中，輸入變量之間的線性相關(guān)性影響模型的精度和泛化能力。而主成分分析(PCA)特征提取方法能夠有效處理變量之間的共線性問(wèn)題，減少輸入變量維數(shù)。因此，將PCA提取的主成分作為SVM模型的輸入，就可以解決單獨(dú)使用SVM時(shí)模型精度和耗時(shí)等問(wèn)題。這種基于PCA-SVM的軟測(cè)量建模方法，這樣不僅利用了PCA的特征提取能力，還有著SVM的良好的非線性函數(shù)逼近能力。

1.5.3 模型的評(píng)價(jià)

模型預(yù)測(cè)能力和穩(wěn)定性由相關(guān)系數(shù)R2和預(yù)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)差RMSECP2個(gè)參數(shù)進(jìn)行評(píng)價(jià)。好的模型應(yīng)當(dāng)具備相關(guān)系數(shù)高和預(yù)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)差RMSECP低的特點(diǎn)。

2 結(jié)果與分析

2.1不同粒度下土壤光譜分析

同一全氮含量下的5個(gè)粒度的土樣反射光譜如圖1所示。從上到下依次為粒度在<0.25mm、5-2mm、2-1mm、

1-0.5mm、0.5-0.25mm下的反射光譜。從圖中看出，5種粒度土壤反射光譜形狀大致相同，但粒度在<0.25mm下的光譜波動(dòng)較大，在700-1000nm波段內(nèi)反射率始終高于其它粒度下光譜反射率，粒度在5-2mm下的光譜次之。這可能是粒度的大小對(duì)光程及散射問(wèn)題造成的影響引起的。從圖中還可以看出在500nm以下和900nm以上的光譜曲線噪聲明顯。因此，在后續(xù)的數(shù)據(jù)處理過(guò)程中，選取500-900nm范圍內(nèi)的光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

2.2土壤粒度對(duì)全氮含量預(yù)測(cè)的影響

選取粒度為5-2mm、2-1mm、1~0.5mm、

0.5mm~0.25mm、<0.25mm各37個(gè)土壤樣品作為建模集，18個(gè)作為預(yù)測(cè)集，建立土壤全氮含量預(yù)測(cè)模型。對(duì)5種不同粒度土樣光譜分別進(jìn)行平滑(Smoothing)、正交信號(hào)校正(OSC)、標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)變量變換(SNV)、標(biāo)準(zhǔn)化(Autoscale)、標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)變換變換+去除趨勢(shì)(SNV +Detrend)最優(yōu)預(yù)處理，采用偏最小二乘法建立土壤全氮含量預(yù)測(cè)模型，結(jié)果如表1所示。

從表1可以看出不同粒度的土壤樣品所建立的預(yù)測(cè)模型，其預(yù)測(cè)結(jié)果具有一定的差異。相關(guān)系數(shù)與粒度大小的關(guān)系如圖2所示。

從表1和圖2可以看出，粒度的大小與模型預(yù)測(cè)結(jié)果的相關(guān)系數(shù)呈梯形，當(dāng)土壤樣品粒度為5~2mm和

<0.25mm時(shí)，相關(guān)系數(shù)R2偏低，預(yù)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)差RMSECP偏高。這說(shuō)明土壤樣品粒度過(guò)大或者過(guò)小都會(huì)影響預(yù)測(cè)模型的準(zhǔn)確性。土壤樣品粒度在2~0.25mm范圍內(nèi)時(shí)，所得模型預(yù)測(cè)效果較好，尤其粒度在1~0.5mm范圍內(nèi)時(shí)，所建模型預(yù)測(cè)結(jié)果最優(yōu)，其相關(guān)系數(shù)R2和RMSECP

分別為0.8445和0.0115。

2.3土壤全氮含量預(yù)測(cè)模型的建立

為提高模型的適用性，降低土壤粒度對(duì)模型精度的影響，將5種不同粒度的土壤共275個(gè)樣本混在一起建立模型，從5種不同粒度土壤中各抽取18個(gè)共90個(gè)樣本作為預(yù)測(cè)集。對(duì)土壤樣品光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化(Autoscale)預(yù)處理，分別采用偏最小二乘法(PLS)和主成分分析支持向量機(jī)(PCA-SVM)建立土壤全氮含量預(yù)測(cè)模型。其模型結(jié)果分別如圖3和圖4所示。

從圖3和圖4可以看出，采用偏最小二乘法(PLS)所建立模型的相關(guān)系數(shù)R2為0.7723,預(yù)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)差

RMSECP為0.0126;采用主成分分析支持向量機(jī)(PCA-SVM)所建立模型的相關(guān)系數(shù)R2為0.8149,預(yù)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)差RMSECP為0.0103。 從以上結(jié)果得出，對(duì)土壤樣品光譜進(jìn)行同樣的預(yù)處理方法，采用PCA-SVM建立的模型優(yōu)于PLS所建立的模型。

3 結(jié)論與討論

該文以湖北潮土為研究對(duì)象，研究利用高光譜圖像技術(shù)預(yù)測(cè)土壤全氮(TN)含量的方法。結(jié)論如下：

(1)在土壤樣品風(fēng)干的情況下，利用高光譜圖像技

術(shù)建立預(yù)測(cè)模型，粒度不同會(huì)對(duì)模型結(jié)果產(chǎn)生一定的影響。粒度為5~2mm和<0.25mm的土壤樣品建立的預(yù)測(cè)模型相關(guān)系數(shù)R2分別為0.7738和0.7708,與其他三種粒度相比偏低，預(yù)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)差RMSECP分別為0.0171和

0.0131,與其他三種粒度相比偏高，表明土壤粒度過(guò)大或過(guò)小都會(huì)影響預(yù)測(cè)模型的準(zhǔn)確性。

(2)采用偏最小二乘建立基于高光譜圖像技術(shù)的土壤全氮含量模型，當(dāng)土壤粒度在2~0.25mm之間時(shí)，模型能很好地預(yù)測(cè)土壤全氮含量，粒度在1~0.5mm效果最好，其相關(guān)系數(shù)R2和RMSECP分別為0.8445和0.0115。

(3)對(duì)土壤樣品光譜進(jìn)行同樣的預(yù)處理方法，采用主成分分析支持向量機(jī)(PCA-SVM)所建立的模型優(yōu)于偏最小二乘法(PLS)所建立的模型，其相關(guān)系數(shù)R2為

0.8149,預(yù)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)差RMSECP為0.0103。

本文僅從湖北部分地區(qū)選擇了潮土進(jìn)行分析得出以上結(jié)果，在后續(xù)的工作中可以考慮從不同地域、不同土壤類型、不同含水率等方面進(jìn)行更進(jìn)一步的研究。同時(shí)可以考慮利用高光譜圖像技術(shù)在圖像方面的優(yōu)勢(shì)，利用圖像技術(shù)結(jié)合光譜技術(shù)進(jìn)一步提高模型的準(zhǔn)確性。

研究表明，高光譜圖像技術(shù)可以用于檢測(cè)土壤全氮含量，具有準(zhǔn)確、快速等優(yōu)點(diǎn)。這為實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)、提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率提供了新的技術(shù)手段。然而，實(shí)際應(yīng)用中還需考慮土壤性質(zhì)、環(huán)境因素等影響，因此在實(shí)際應(yīng)用中還需進(jìn)一步研究和改進(jìn)。

高光譜圖像技術(shù)在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用還涉及諸多其他方面，例如作物病蟲(chóng)害檢測(cè)、作物生長(zhǎng)狀態(tài)評(píng)估等。這項(xiàng)技術(shù)有望在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)中發(fā)揮更大的作用，推動(dòng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的現(xiàn)代化發(fā)展。