高光谱技术带你揭秘枫叶变色过程

一、 引言

研究表明，植物激素和一种叫做乙烯的化学物质在树叶的生长和死亡过程中起着重要的作用。在春季和初夏，有三种不同的激素分布于树的各个部分，它们加速新的绿叶的生长，在初秋时节，乙烯和一种叫做脱落酸的激素便聚积在树叶中，并开始进行一系列的化学变化。这些变化持续几个星期，直至树叶脱落。在树叶死亡之前，它便将其中的水分和生长化合物质包括氮、磷等输送回树干（枝）中，它们以汁液状态安全地贮藏在树干和树根中，直到来年的春天新叶萌发时再释放出来。新老树叶也向回输送叶绿素，而其它颜色的物质，仍留在树叶里，其中有鲜红色、枯色和黄色，它们一直都在树叶中。但由于春夏时叶绿素较多，有些颜色就被掩盖起来，只有在秋冬季节才会显现出来。与此同时，树叶中的细胞开始死亡，在树叶基部的一组特殊细胞开始衰弱，因此在风雨中便容易掉落下来。这就是为什么秋冬季节有些树的叶子会变成鲜红色、桔色或黄色而且还会脱落。

而不同植物叶片呈现出不同的颜色，这是和叶片细胞内色素的种类、相对含量密切相关。一般植物叶片表现为绿色，这是由于叶片中叶绿素（Chl）的相对含量多于类胡萝卜素，叶绿素是植物重要的光合色素，植物通过叶绿素捕获光子，并将光能转化为化学能，因此叶绿素在植物体内扮演着重要的角色。叶片颜色从绿色变为其他颜色，原因之一就是叶绿素相对含量减少，而类胡萝卜素相对含量增加。T A. Shemer等对果实进行研究，认为颜色转变常常会有大量类胡萝卜素的合成和大量叶绿素的分解。而催化叶绿素分解的第一步酶就是叶绿素酶吗，有学者认为：在叶片衰老的期初阶段，叶绿素酶发挥作用可能是在Chlb转化为Chla的过程中。叶绿素酶对叶绿素进行分解，导致其相对含量下降，叶片逐渐褪绿。花色素苷是秋季叶色转变的主要物质基础，属于植物的次生代谢产物，由花色素与糖组成，主要在植物表皮细胞的液泡中，也是彩叶植物叶色多彩的主要物质。

本文采用高光谱图像技术检测植物叶片内部及外部特征，对枫叶内部含量变化进行可视化分析，以实现探索枫叶叶片随季节变化而内部质量改变的目的。

二、试验材料与方法

本研究以同一时间采集的同一种枫树采集的叶片为研究对象，初步分析枫树叶片随季节变化而产生的内部品质变化的过程。 

2.2  实验设备

高光谱成像数据采集采用江苏双利合谱科技有限公司的 GaiaSorter高光谱分选仪系统。该系统主要由高光谱成像仪(GaiaField Pro-V10)、CCD 相机、光源、暗箱、计算机组成，结构图与实景图如图1。高光谱成像系统的参数设置如表1。

表1   GaiaField-V10便携式光谱成像系统

图1 高光谱相机

2.3  图像处理分析

采用SpecView和ENVI/IDL对高光谱数据进行处理及分析。其中高光谱影像数据的处理在SpecView完成，包括镜像变换和黑白帧校正；其他数据的分析在ENVI/IDL中进行。

三、结果与讨论

取枫叶叶片未变色（绿色）、变色中期（黄色）和变色后期（红色）区域和背景各3个不同位置周边50个像元，分别获取这3个不同位置50个像元的光谱反射率，并求取这50个像元的反射率均值，如下图所示，（a）为利用高光谱相机三个波段组成的伪彩色图，(b)为反射率平均值。其中，枫叶在变色后期的光谱反射率在550nm范围内明显低于未变色、变色中期区域的光谱反射率，而变色中期的黄色叶片在550nm处表现出来的反射谱图没有形成尖锐的峰形。在750-900nm范围内，叶片未变色和变色中期的光谱反射率均高于变色后期；而黑色背景在全波段范围内反射率都极低，属于正常现象，这是因为黑色漫反射材料具有吸光作用，反射的光较少。在580-700 nm以及在550和780 nm波段处，可以三种叶片存在显著差异，因此可以尝试通过构建植被指数和阈值分割方法探索出枫叶的变色过程。

图1（c）(d)分别为一阶导数和二阶导数处理，可以看出光谱峰更加锐利，光谱结合实验室化学分析可以有效推断叶片内部成分差异，目前没有理化分析结果，所以只能通过判断光谱差异进行差异分析。

图2 枫叶伪彩色图及光谱

3.2  叶片区域的提取及NDVI反演图

对经过镜像变换、黑白帧校准的高光谱图像，根据叶片与背景区域的光谱差异，利用ENVI/IDL软件的波段运算建立腌膜，获取纯叶片图像，对图像进行二值化处理后，进行NDVI反演。图2为叶片的NDVI反演图。可以明显看出，未变色叶片NDVI值大于变色中期，变色后期NDVI值最低。

图3 数据处理结果

3.3  叶片的主成分分析

为了客观地识别不同变色时期的枫叶，对经预处理后的高光谱数据进行主成分分析（Principal Component Analysis, PCA），去除波段之间的多余信息、将多波段的图像信息压缩到比原波段更有效的少数几个转换波段下。图4为枫叶经PCA变换后的前4个主成分。

根据获取的主成分图像，第四主成分含有较多无用信息，说明前4个主成分包含了大量的光谱信息。而前两个主成分虽然包含了最多信息，且图像较为清晰，在第二主成分可以明显的看到红枫叶病害区域。经初步判断，第二、三主成分结合实验室化学分析可以轻松的判断出枫叶内部成含量的变化以及分布情况。

图4 PCA处理后的前4个主成分

为了更客观真实地识别出枫叶内部品质信息和不同变色期的差异，根据波段组合的特点，对PCA前4个主成分组合成各种假彩色图像，如图5为枫叶的假彩色合成图像。与灰度图相比，假彩色合成更能直观地识别出枫叶间的差异。

4. 结论图5 PCA假彩色合成图像

气温降低使树叶中的叶绿素被破坏，叶黄素和花青素等色素显露出来，使树叶变成红色或橙色，本实验基于GaiaField Pro-V10成像高光谱相机，分别获取未变色、变色中期以及变色后期枫叶的400-950 nm范围的光谱反射率，首先对提取出的光谱数据取平均值，可以起到曲线平滑的作用，同时对去噪后的光谱提取特征波长，同时采用全波段循环，探寻最佳的NDVI光谱指数构建判别模型，并基于PCA算法对叶片图像内部含量进行可视化分析，可为探究枫叶随季节变化而产生的类胡萝卜素、花色素苷等物质的内部动态变化提供理论支持。通过探究发现，枫叶在未变色、变色中期以及变色后期内部品质存在巨大差异，这是由于叶片内部的主要成分发生了转移或变化。通过研究枫叶随季节变化而产生的内部品质的动态变化，将该结果结合植被冷害胁迫、虫害程度进行分析，可起到对植被进行表型分析的效果。