| 成果名称: | 基于光谱信息柑橘叶片氮素无损定量测评模型的研究 |
| 完成单位: | 华南农业大学 |
| 主要人员: | 岳学军、蔡坤、黄双萍、徐兴、谭志远、陆健强、叶自行、李加念、刘永鑫、王叶夫、胡春筠 |
| 介绍: | ①课题来源与背景：果园果树氮肥要实现按需施用，必须实现果树氮素检测的无损实时；以柑橘叶片为研究对象，首次将光谱反演与态势感知引入叶片氮素监测诊断研究，根据果树营养不良产生机理，建立柑橘树营养态势感知理论框架，包括营养缺失与富余的觉察、发生态势的理解和预测。综合柑橘栽培学和光谱学研究方法，经果园和盆栽柑橘树实验，确定氮素敏感光谱反射区与响应特征窄带波段；研究柑橘叶片因不同氮肥施肥水平、时空变异等引起差异及形成机理；揭示光谱信息与氮素含量间不同栽培农艺条件下动态变化规律，构建氮素定量估测模型，由叶片光谱信息反演与估测其氮素含量。为无损监测氮素含量奠定新方法学基础，为便携实用光谱仪提供开发思路，对变量喷施机具开发具实践指导 意义。 ②技术原理与性能指标：1、与柑橘树叶片相关的光谱信息采集系统构建。a.项目调研、相关文献检索；研究方案确定及可行性论证。b.设计、构建光谱检测试验平台。着重解决太阳光对光谱采集的影响。2、柑橘树不同生长期柑橘叶片光谱反射值特征提取技术研究。a.不同喷施条件下样本叶片光谱反射值采集。计算基于高光谱数据的各种VI（植被指数值）：RVI（比值植被指数）、NDVI（归一化植被指数）、DVIEVI（差值环境植被指数）、GVI（绿度植被指数）、PVI（垂直植被指数）、CARI（叶绿素吸收比值指数）、CACI（叶绿素吸收连续区指数）等值；对各种植被指数值的提取进行研究。b.不同喷施条件下样本叶片光谱反射值采集，同步检测太阳光照，利用主成分分析法分析太阳光对光谱检测影响，并探讨降低其影响的方法c.获得计算柑橘树全生长期内不同生长状态下，基于敏感植被指数叶片氮含量反演计算所需特征波段；探索整套为应用于变量喷施机具的柑橘光谱采集、处理与分析技术。3、柑橘树不同生长期柑橘叶片氮含量值的检测。a.利用化学滴定与分析方法-凯氏定氮法，测定获取各样本的氮含量生化值变化情况。b.检测叶片叶绿素含量，辅助叶片氮素含量分析。叶绿素含量检测采用分光光度法，叶绿素含量（mg·g-1或mg·dm-2）；叶绿素含量检测采用叶绿素计SPAD-502活体叶绿素仪检测叶片活体叶绿素含量。4. 从柑橘叶片光谱值与叶片氮含量相关关系研究。a.敏感光谱"特征波段"、敏感植被指数的提取与指标筛选。b.分析氮含量与基于光谱反射值的敏感植被指数间关系，寻找最显著植被指数、指数集或波段，研究柑橘叶片氮含量敏感植被指数及后处理中影响因子及机理； 5、实现快速的光谱检测和反演氮含量定量估测模型建模，基于测量光谱反射值，获取植被指数，建立与氮含量模型。模型建立：a.光谱和对应基础数据组成校正数据阵；b.对光谱进行数学变换(光谱预处理)如微分、小波变换、连续投影法、多元散射和均值化等；c.光谱区间(范围)的选择，如相关系数、人工神经网络、遗传算法等；d.定量校正(交互验证过程)，将处理后的光谱数据和性质数据通过主成分回归、偏最小二乘或人工神经网络进行回归运算，得到定量校正模型；e.异常样品的剔除、建模；f.反演氮含量定量估测模型评估、优化与重新建立。6.、果园验证与模型修正。综合柑橘叶片氮含量实测值，柑橘树营养不良状况发生实际情况，对快速的光谱检测和反演氮含量定量估测模型的预测值进行评估，进行果园试验验证，根据验证结果，修正模型参数。 ③技术的创造性与先进性。在实验室环境下与园栽环境下分别采集实际柑橘叶样本并测试数据。用现代数据处理和建模工具建立了N素预测模型，取得了当前最优的实验结果，并进行对比分析。发表在EI索引的一级期刊上。编写了相关的程序和软件。积极应用已取得的成果，应用到农业机械作业中精量喷施和灌溉中，根据植物的无损营养水平实时检测，进行变量的水肥灌溉，进一步节水省肥，达到精细灌溉的目的。 ④技术的成熟程度，适用范围和安全性。在2014年的科研活动中，课题组成员重点开展了《基于光谱信息柑橘叶片氮素无损定量测评模型的研究》项目成果应用于滴灌工程、土壤水分传感器、雨量传感器、土壤水分检测方法、停车诱导系统中等农业与工业领域中的应用，全方面多层次地拓展基础理论应用到相关的工程应用中，取得了比较效果。 ⑤应用情况及存在问题。考虑到后续样本数据不断补充，而模型调整从现有状态开始，既可节省建模时间，也可使模型训练历经更多累积数据，以提高模型预测的鲁棒性。 ⑥历年获奖情况。2013年以《农林用风送式系列喷雾机及控制装置的研究与应用》获得广东省科学技术奖。 ⑦成果简要。本项目在核心期刊以上出版物发表研究论文12篇，其中被EI检索论文达到6篇，参加国际高水平学术会议2次，发表了2篇学术会议论文。获得1项省科技奖，申请了计算机软件著作权1项，申请并获得国家专利授权1项，培养了一名博士生，培养了1名硕士生，此外，还成功地培养了课题组的2位成员从讲师晋升为副教授，1位成员从实验师晋升到高级实验师。 |
| 批准登记号: | 粤科成登（2）字【2017】0262 |
| 登记日期: | 2017-06-26 |
| 研究起止时间: | 2012.10 至2014.10 |
| 所属行业: | 农、林、牧、渔业 |
| 所属高新技术类别: | 现代农业 |
| 评价单位名称: | 广东省自然科学基金管理委员会 |
| 评价日期: | 2014.10.28 |
