朱澤瀟

摘要：當(dāng)今世界人口約為70億，而現(xiàn)今中國的人口約為14億，占世界人口比重約1/5，糧食的產(chǎn)量問題便成為了我國的頭號(hào)潛在威脅。中國普遍為傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)，其弊端為“精耕細(xì)作”，農(nóng)業(yè)部門結(jié)構(gòu)較單一，生產(chǎn)規(guī)模較小、科技含量較低等，很大程度上減少了糧食產(chǎn)量和糧食質(zhì)量?！熬_農(nóng)業(yè)”這一概念在中國目前尚處于孕育的階段，有很大的發(fā)展前景，其本質(zhì)是利用數(shù)字化的手段對(duì)農(nóng)作物的狀態(tài)作出監(jiān)控與調(diào)整，以達(dá)到提高農(nóng)作物質(zhì)量；增加農(nóng)作物產(chǎn)量的目的[1]。本次課題主要就內(nèi)容為利用微型光譜儀測(cè)定植物（葉片）的一些重要指標(biāo)，主要包括含水量變化，生長的狀態(tài)，農(nóng)作物與雜草的區(qū)別。希望通過此次研究能夠證實(shí)此項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用于精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的廣闊前景，或可對(duì)加快實(shí)現(xiàn)第一屆全國人民代表大會(huì)“四個(gè)現(xiàn)代化中”中“農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化”的目標(biāo)起到一定的幫助。

關(guān)鍵詞：光譜技術(shù)；光譜分析技術(shù)；植物長勢(shì)；精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)

1.緒論

1.1 研究背景與意義

隨著當(dāng)今科技的不斷發(fā)展，我國“四個(gè)現(xiàn)代化”的目標(biāo)不斷推進(jìn)，科學(xué)技術(shù)現(xiàn)代化、工業(yè)現(xiàn)代化、國防現(xiàn)代化取得了顯著成就，而農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)方式總體尚處于粗放狀態(tài)[2]。長期以來我國一直面臨著糧食問題的潛在威脅。光譜曲線具有“物質(zhì)指紋”的特性。利用這一特性監(jiān)測(cè)農(nóng)作物的各種參數(shù)（如含水量，生長狀況等）目的，便可以實(shí)現(xiàn)真正意義上的“精確農(nóng)業(yè)”在現(xiàn)實(shí)中應(yīng)用。

1.1.1研究現(xiàn)狀

中國農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)薄弱，與發(fā)達(dá)國家相比，我國的傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)存在許多問題，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的自動(dòng)化低，單位耕地面積的投入高，產(chǎn)出低，不能滿足國民對(duì)農(nóng)業(yè)物資的需求[3]。我國重視并培養(yǎng)出相關(guān)方面一批優(yōu)秀的人才；精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的發(fā)展已經(jīng)取得了一定的成效[4]。

1.1.2本文方法的優(yōu)勢(shì)

本次研究的優(yōu)勢(shì)為取材簡單，易于測(cè)量和比對(duì)各項(xiàng)指標(biāo)，并且能得到較為直觀的結(jié)果，數(shù)據(jù)易于統(tǒng)計(jì)和分析，結(jié)論簡單明了。

1.2論文的研究內(nèi)容與組織結(jié)構(gòu)

本文主要介紹了“精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)”在我國的發(fā)展?fàn)顩r，以及在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的實(shí)際應(yīng)用。介紹了實(shí)驗(yàn)儀器，設(shè)計(jì)了實(shí)驗(yàn)對(duì)照，并且描述了實(shí)驗(yàn)理念，樣本的的采集、檢測(cè)；數(shù)據(jù)處理以及分析，說明誤差，得出結(jié)論。最后提出展望，并致謝。

2.研究內(nèi)容與方法

2.1研究條件

本次測(cè)試在戶外進(jìn)行，所用的光源為太陽光（Reference），實(shí)驗(yàn)設(shè)備為海洋光學(xué)USB2000+光譜儀，采用筆記本電腦寫入算法，直接連接儀器進(jìn)行測(cè)量。

2.1.1實(shí)驗(yàn)光源

本實(shí)驗(yàn)于室外進(jìn)行，故采用太陽光為實(shí)驗(yàn)的參考光源（無遮擋），來測(cè)定樣本數(shù)據(jù)。下圖為測(cè)試時(shí)太陽光的參考數(shù)據(jù)（如圖）

2.1.2 測(cè)量儀器

此次實(shí)驗(yàn)選用的測(cè)試儀器為海洋光學(xué)USB2000+光譜儀，數(shù)據(jù)處理儀器為筆記本電腦，與測(cè)量儀器直接連接。

2.1.3 檢測(cè)樣本

考慮到實(shí)驗(yàn)?zāi)康呐c周邊環(huán)境因素以及取材的難易程度，本次實(shí)驗(yàn)選擇在北京市海淀區(qū)的中關(guān)村公園內(nèi)部進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。用手持探頭進(jìn)行測(cè)定。將數(shù)據(jù)儲(chǔ)存。當(dāng)日氣溫約為37攝氏度左右，晴天。

2.2詳細(xì)研究方法與過程

2.2.1 樣本設(shè)計(jì)與獲取

2.2.1.1 樣本設(shè)計(jì)

農(nóng)作物以玉米，茄子，豇豆為樣本，考慮到這些作物均較為常見且種植面積很廣。雜草以狗尾草為樣本，該雜草也屬于比較雜草中比較常見的品種。參考光源均選用太陽光（無陰影遮擋）。

2.2.1.1 樣本采集過程

本次樣本采集與中關(guān)村公園內(nèi)進(jìn)行，與付錫祿導(dǎo)師以及徐聃一起騎車采集樣本，地點(diǎn)為中關(guān)村公園內(nèi)的一片農(nóng)家菜園找到了樣本設(shè)計(jì)中所需要的所有需要采集的樣本作物成體，以及所需的所有對(duì)照條件，包括含水量的不同，成熟情況的不同。

2.2.2 樣本檢測(cè)

將光譜儀與電腦連接，測(cè)出Dark數(shù)據(jù)后，以太陽光為Reference數(shù)據(jù)，先測(cè)量玉米葉片的數(shù)據(jù)，再測(cè)量狗尾草葉片的數(shù)據(jù)，最后分別測(cè)①-⑨號(hào)豌豆葉片的數(shù)據(jù)，其中分別包括失水情況以及生長程度兩個(gè)對(duì)照組。 24h后，再使用同樣的儀器，再測(cè)定一組數(shù)據(jù)（⑤、⑥、⑦三片同種生長情況的豇豆葉片不同失水情況的對(duì)比）并記錄。與24h前測(cè)出的⑤、⑥、⑦三片同種生長情況的豇豆葉片不同失水情況的數(shù)據(jù)做出對(duì)比，依次繪制出玉米葉片與狗尾草葉片的對(duì)比光譜曲線，不同生長狀態(tài)的豇豆葉片的對(duì)比光譜曲線，同一生長狀態(tài)不同含水量的豇豆葉片的對(duì)比光譜曲線，最終根據(jù)以上的結(jié)果得出相關(guān)結(jié)論。

2.2.3 數(shù)據(jù)處理

利用Matlab，得出玉米葉片的光強(qiáng)度曲線，再得到狗尾草的光強(qiáng)度曲線，將之前測(cè)得的光強(qiáng)度曲線轉(zhuǎn)化為光譜曲線。將兩條曲線放在一張表格上，做對(duì)比。同理測(cè)出豇豆葉片含水量的對(duì)比圖以及不同成熟情況的豇豆葉片的對(duì)比圖。

3.檢測(cè)結(jié)果與數(shù)據(jù)分析

3.1各樣品的結(jié)果

3.2對(duì)比分析1

玉米與狗尾草的對(duì)比圖像。（玉米cyan，狗尾草red）

3.2 對(duì)比分析2

同種葉片的不同成熟情況對(duì)比

嫩葉（red）成熟葉片（green）老葉片（blue）反射率由小到大。

3.2對(duì)比分析3

同種葉片的失水情況對(duì)比

葉片輕度失水（red）中度失水（green）重度失水（blue）

4.結(jié)論與展望

4.1 研究結(jié)論與創(chuàng)新點(diǎn)

通過這次實(shí)驗(yàn)?zāi)軌虻贸龉庾V技術(shù)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方面是有很廣闊的發(fā)展前景與廣闊的提升空間的。本次測(cè)試的創(chuàng)新之處在于利用了光譜儀來測(cè)定植物葉片的反射率，操作十分便捷，并且測(cè)定的結(jié)果較為精準(zhǔn)。

4.2 展望

鑒于自身學(xué)術(shù)水平的限制，在實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)上需要更加的周全完善，有許多的因素需要去定量分析，只做定性的分析使得觀點(diǎn)有些蒼白。

參考文獻(xiàn)：

[1]：張儀，我國精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀（J），現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技2017年7期.

[2]：光譜技術(shù)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用與展望（D），張瑞美，彭世彰.俊增.

[3]：董力偉，我國精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀（D），北京衛(wèi)星導(dǎo)航生產(chǎn)力促進(jìn)中心.

[4]：山西農(nóng)業(yè)大學(xué)，2016級(jí)工學(xué)院研究生文獻(xiàn)綜述，光譜成像檢測(cè)技術(shù)在農(nóng)產(chǎn)品檢測(cè)方面的應(yīng)用和發(fā)展.