哈密瓜是新疆的特色水果，目前，哈密瓜品種繁多，采收時(shí)，不同品種的成熟期不同，在成熟時(shí)的表現(xiàn)也不同，因此，簡單地通過外表來分辨哈密瓜的成熟度，會(huì)造成判別不一致，影響哈密瓜的貨架期，從而降低聲譽(yù)和經(jīng)濟(jì)效益。因此，研究哈密瓜成熟度有重要意義。

堅(jiān)實(shí)度是哈密瓜成熟度的重要參考指標(biāo)之一。目前，堅(jiān)實(shí)度檢測多采用M-T有損檢測方法，該方法費(fèi)時(shí)、費(fèi)力，而且會(huì)破壞樣品。因此，急需一種無損、快速、便捷的檢測方法，綜合分析哈密瓜成熟期的理化指標(biāo)變化規(guī)律及其與堅(jiān)實(shí)度的相關(guān)性。近年來，高光譜技術(shù)在獼猴桃、草莓、蘋果、梨、櫻桃、香蕉和西甜瓜等水果的成熟度、堅(jiān)實(shí)度、糖度等品質(zhì)無損檢測中得到應(yīng)用，為哈密瓜成熟期的品質(zhì)評價(jià)提供了無損檢測技術(shù)。

測定方法

哈密瓜測定項(xiàng)目包括光譜信息采集和理化指標(biāo)（質(zhì)量、橫縱徑、堅(jiān)實(shí)度）測量。具體的方法如下：

（1）哈密瓜光譜信息的采集

（2）高光譜圖像數(shù)據(jù)采集前，先進(jìn)行黑白校正，調(diào)整輸送裝置的速度。數(shù)據(jù)采集時(shí)，把哈密瓜樣本放到高光譜試驗(yàn)臺上，線陣的探測器在光學(xué)焦面（哈密瓜前進(jìn)方向）的垂直方向橫向掃描，掃出整個(gè)平面，獲取3個(gè)檢測部位的哈密瓜圖像信息，通過軟件對光譜信息采集和保存。

（3）哈密瓜理化指標(biāo)的測量

縱橫徑的測量：哈密瓜的高度部位即縱徑，用高度游標(biāo)卡尺測量。哈密瓜赤道部位即橫徑，用游標(biāo)卡尺測量。

質(zhì)量的測量：采用電子秤測量哈密瓜質(zhì)量。

堅(jiān)實(shí)度的測量：哈密瓜堅(jiān)實(shí)度的測量采用手持式硬度計(jì)。

對已完成光譜信息采集的哈密瓜樣本的3個(gè)標(biāo)記區(qū)域（陰面、陽面與果臍）削去果皮進(jìn)行測量。

2、光譜的處理及模型評價(jià)指標(biāo)

采集后的光譜數(shù)據(jù)采用ENVI4.7軟件進(jìn)行圖像數(shù)據(jù)降維和預(yù)處理。利用TQAnalyst6.1軟件進(jìn)行建模定量、定性分析。模型的穩(wěn)健性和準(zhǔn)確性評價(jià)指標(biāo)有校正集相關(guān)系數(shù)（Rc），預(yù)測集相關(guān)系數(shù)（Rp）、校正均方根誤差（RMSEC）和預(yù)測均方根誤差（RMSEP）。通常情況下，模型中R值越大，RMSEC、RMSEP值越小，模型表現(xiàn)得越穩(wěn)健，結(jié)果越準(zhǔn)確。

3、結(jié)果與分析

哈密瓜樣本理化指標(biāo)測定結(jié)果及分析

哈密瓜在成熟過程中，理化指標(biāo)會(huì)隨著不同成熟期呈現(xiàn)出一定的變化規(guī)律。由表1可知，不同成熟期的哈密瓜理化指標(biāo)存在一定的差異。從縱徑的平均值來看，同一成熟度的哈密瓜，金密16號要略大于金密17號；從橫徑的平均值來看，同一成熟度的金密16號要略小于金密17號；七成熟的哈密瓜平均質(zhì)量均要小于九成熟的哈密瓜；從堅(jiān)實(shí)度值來看，七成熟的哈密瓜平均堅(jiān)實(shí)度均要大于九成熟的哈密瓜。

不同品種哈密瓜堅(jiān)實(shí)度的分析

果實(shí)的堅(jiān)實(shí)度直接影響果肉質(zhì)地與脆性。哈密瓜堅(jiān)實(shí)度是衡量內(nèi)部品質(zhì)的重要指標(biāo)之一。從圖2可以看出，七成熟哈密瓜：金密16號的堅(jiān)實(shí)度值在54.0~120.0N，金密17號的堅(jiān)實(shí)度值在50.6~84.0N；九成熟哈密瓜：金密16號的堅(jiān)實(shí)度值在51.0~79.9N，金密17號的堅(jiān)實(shí)度值在48.0~61.2N。兩個(gè)品種的哈密瓜樣本點(diǎn)的堅(jiān)實(shí)度分布規(guī)律如圖1所示，通過對比可以發(fā)現(xiàn)，金密16號的堅(jiān)實(shí)度均大于金密17號，說明不同品種哈密瓜的堅(jiān)實(shí)度存在明顯差異。

不同成熟期哈密瓜堅(jiān)實(shí)度的分析

隨著哈密瓜生長發(fā)育的不斷推進(jìn)，堅(jiān)實(shí)度隨著成熟期的不同而發(fā)生變化。圖2所示兩個(gè)品種的哈密瓜不同

表1不同成熟期哈密瓜樣本的理化指標(biāo)值

圖1不同品種哈密瓜樣本點(diǎn)的堅(jiān)實(shí)度分布

圖2不同成熟期哈密瓜堅(jiān)實(shí)度變化規(guī)律

成熟期堅(jiān)實(shí)度變化規(guī)律，從中可以發(fā)現(xiàn)，同一品種哈密瓜，九成熟的堅(jiān)實(shí)度要比七成熟低，成熟度越高，堅(jiān)實(shí)度越低。研究表明，隨著哈密瓜不斷成熟，果實(shí)細(xì)胞壁果膠物質(zhì)的降解和纖維素分離，導(dǎo)致細(xì)胞解體，果肉的硬度降低

不同原始光譜的分析

高光譜儀采集哈密瓜的光譜信息是由光源照射到哈密瓜表面后通過漫透射進(jìn)行擴(kuò)散傳輸?shù)?。圖4是2個(gè)品種哈密瓜不同成熟度的原始光譜曲線，從中可以發(fā)現(xiàn)，同一品種、不同成熟期的哈密瓜光譜曲線走向基本一致。不同品種的哈密瓜光譜曲線之間存在很大差異，金密16號哈密瓜光譜在400~750nm存在明顯變化的波峰、波谷。金密17號哈密瓜光譜在500~850nm存在較明顯變化的波峰、波谷，在850nm之后波形基本一致。說明不同品種的哈密瓜由于內(nèi)部生物結(jié)構(gòu)不同，光譜曲線差別也很大。

圖4哈密瓜原始光譜曲線

不同檢測部位堅(jiān)實(shí)度的分析

哈密瓜果實(shí)的成長與發(fā)育先是縱徑發(fā)育，再橫向增重發(fā)育。根據(jù)哈密瓜的生長特點(diǎn)，對金密16號哈密瓜的3個(gè)檢測部位（赤道陽面、赤道陰面和果臍）的堅(jiān)實(shí)度進(jìn)行測量，其變化規(guī)律如圖5所示，從中可以發(fā)現(xiàn)，不同檢測部位的哈密瓜堅(jiān)實(shí)度存在差異，赤道（陽面、陰面）部位的堅(jiān)實(shí)度要高于果臍部位的堅(jiān)實(shí)度；同一檢測部位相比，堅(jiān)實(shí)度的變化沒有明顯規(guī)律。

圖5不同檢測部位堅(jiān)實(shí)度值分布規(guī)律

水分是作物進(jìn)行生命活動(dòng)和生長代謝的重要物質(zhì)，水分虧缺能直接影響作物的生理生化過程和形態(tài)結(jié)構(gòu)，從而對其生長?產(chǎn)量和品質(zhì)造成影響。同時(shí)，我國農(nóng)業(yè)用水占全國用水總量已經(jīng)達(dá)到70%，且水資源分布不均，每年因?yàn)楦珊刀棺魑锸転?zāi)面積最高達(dá)到4000萬hm2，嚴(yán)重威脅我國的糧食安全。

因此，在水資源短缺的嚴(yán)峻形勢下，提高水資源的利用效率對指導(dǎo)作物生長發(fā)育，提高作物產(chǎn)量，節(jié)約水資源具有重要意義。利用傳統(tǒng)烘干法測量作物水分耗時(shí)費(fèi)力，多光譜?近地非成像遙感光束分離的成像質(zhì)量差，光譜重疊度高，易受環(huán)境等背景因素影響，難以滿足對作物水分的高效?精準(zhǔn)實(shí)時(shí)監(jiān)測。而高光譜遙感技術(shù)具有空間分辨率高，光譜信息豐富，波段窄而連續(xù)，時(shí)效性好的特點(diǎn)，近年來已被廣泛應(yīng)用于作物水分含量監(jiān)測領(lǐng)域。

作物水分的常見測試方法

作物水分的測試有直接法和間接法2種，其中直接法是通過物理或化學(xué)測試直接獲取作物水分含量的方法，而間接法通過測量作物或其相關(guān)指標(biāo)屬性，以推斷或估計(jì)作物水分信息。

但常見的作物水分測量方法準(zhǔn)確度不高，操作較為復(fù)雜，易受環(huán)境溫度等外界因素影響，具有一定的局限性，并且應(yīng)用范圍窄，難以適應(yīng)大面積的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)需要。隨著各項(xiàng)技術(shù)的深入研究，高光譜遙感技術(shù)以其超多波段?圖譜合一和光譜信息豐富的技術(shù)優(yōu)勢，能夠?qū)崿F(xiàn)作物水分含量準(zhǔn)確?快速?無損地實(shí)時(shí)監(jiān)測。

表1作物水分的常見測試方法

各方法的優(yōu)缺點(diǎn)比較

直接法測量過程簡單，結(jié)果較為準(zhǔn)確，但測量過程冗長繁瑣，增加了實(shí)驗(yàn)難度和周期，同時(shí)容易破壞待測樣品，并產(chǎn)生對環(huán)境有害的化學(xué)試劑和藥品。間接法相較于直接測定法有所提升，測量速度快，易實(shí)現(xiàn)在線批量檢測，但容易受噪聲?物體形狀及大小?環(huán)境溫度等因素影響，難以適用大面積作物水分監(jiān)測和指導(dǎo)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。隨著各項(xiàng)技術(shù)的深入研究，為能夠更好地指導(dǎo)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)需要，高光譜成像技術(shù)作為一種發(fā)展較為成熟的遙感監(jiān)測技術(shù)，以其準(zhǔn)確?無損?快速的技術(shù)優(yōu)點(diǎn)已廣泛應(yīng)用于作物水分監(jiān)測領(lǐng)域。

常見高光譜遙感分類

高光譜遙感按照作用空間尺度可劃分為衛(wèi)星遙感?機(jī)載高光譜儀?地物光譜遙感以及手持式光譜儀等。基于CGMD便攜式光譜儀和地物高光譜探測器對冬小麥冠層生長指標(biāo)對比研究發(fā)現(xiàn)，CGMD光譜儀操作簡單，便于攜帶，精度可靠，而地物高光譜探測器采集信息量大，結(jié)合先進(jìn)預(yù)處理，特征提取和機(jī)器學(xué)習(xí)算法可以有效提高模型反演精度。

基于便攜式地物光譜儀結(jié)合手持式光譜探測器獲取冬小麥葉片反射率，并結(jié)合推掃式光譜儀波段寬，光譜分辨率高的特點(diǎn)獲得冠層反射率，但是受天氣條件或野外環(huán)境因素，如云層?大氣濕度?光線條件和地面高程差等都會(huì)影響數(shù)據(jù)采集和監(jiān)測結(jié)果。

3、光譜遙感在典型作物水分監(jiān)測的應(yīng)用

雖然當(dāng)前高光譜遙感技術(shù)應(yīng)用于水分監(jiān)測的作物類型已經(jīng)有很多種，但是在監(jiān)測作物水分指標(biāo)和方法上面也會(huì)有所不同，這些水分指標(biāo)包括植株含水量(PWC)，葉片含水量(LWC)，冠層含水量(CWC)，葉片等效水厚度(LEWT)和相對含水量(RWC)，而研究方法包括單波段光譜反射率法，光譜植被指數(shù)法，全波段光譜分析法和光譜輻射傳輸模型等。而水稻?小麥和玉米作為典型作物，在水分監(jiān)測指標(biāo)和研究方法方面更具全面性和系統(tǒng)性。已有許多學(xué)者對此作了細(xì)致而深入的研究，并取得了豐富的研究成果和技術(shù)創(chuàng)新，也為高光譜遙感技術(shù)監(jiān)測其它作物水分含量提供技術(shù)參考。因此，下面對高光譜遙感作用于典型作物水稻，小麥，玉米的水分監(jiān)測作詳細(xì)闡述。

3.1小麥

高光譜遙感通過敏感波段提取以及新型植被指數(shù)構(gòu)建可以顯著提高光譜反射率與水分含量的相關(guān)性。目前用高光譜監(jiān)測小麥水分的研究主要集中在濕潤和半濕潤地區(qū)，而干旱和半干旱區(qū)域的研究還相對較少。隨著高分辨率遙感儀器的發(fā)展以及新型植被指數(shù)出現(xiàn)，高光譜遙感技術(shù)在干旱和半干旱區(qū)域的應(yīng)用潛力十分廣泛。同時(shí)，小麥在不同生長時(shí)期LWC的敏感波段存在差異，在開花期，小麥的LWC敏感波段主要集中在可見光和近紅外波段;而在孕穗期和乳熟期，則分布在近紅外和短波紅外波段。

表2 高光譜遙感估算小麥含水量的典型研究

3.2水稻

水稻的葉片水分敏感波段主要分布在近紅外和短波紅外波段，當(dāng)前對水稻水分監(jiān)測的研究主要集中在生長中后期以及濕潤和半濕潤地區(qū)。

水稻在不同生長時(shí)期的敏感波段主要分布在NIR(710~970nm)和SWIR(1450nm?1750nm和1830nm附近)，并且未來應(yīng)克服植被覆蓋度?氣象條件和資源限制等不利因素，更多關(guān)注作物在生長前期和干旱?半干旱地區(qū)的研究。水稻是一種生長環(huán)境受地形和氣候變化影響較大的作物，其生長階段受到葉片水分變化的影響非常顯著。研究發(fā)現(xiàn)，基于新的水分指數(shù)可以適應(yīng)不同地域?氣候以及葉綠素?基因型變異等動(dòng)態(tài)變化帶來的影響。

表3 高光譜遙感估算水稻含水量的典型研究

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審核編輯 黃宇