1 실험 배경

엽록소농도는 흔히 식물의 영양협박, 광합성능력과 발전로쇠의 각 단계의 량호한 지시매개변수로서 지물스펙트럼기술과 원격감지기술로 엽록소농도를 탐측하는것은 농업과 자연식물군락 등 연구방향에서 흔히 큰 주목을 받고있다.대부분의 연구는 스펙트럼 반사율과 엽록소 a 또는 총 엽록소 농도의 관계에 집중한다. 어떤 연구는 엽록소 b 또는 엽록소 a와 엽록소 b 농도의 비율을 연구한다. 또 다른 연구는 주로 카로티노이드의 농도나 카로티노이드와 엽록소의 비율을 연구한다.

많은 연구에 따르면 식물 스펙트럼"홍변"은 식물 생장 상황에 민감하게 반응한다. 식물 홍변 변곡점은 식물 반사 스펙트럼 곡선 중 경사율이 큰 점으로 파장 690~720nm 사이에 위치한다. 실험실 실험은 홍변 변곡점의 파장 위치와 잎사귀 샘플의 엽록소 농도에 상관관계가 있음을 실증했다.

본고는 서로 다른 엽록소 농도의 벼 잎사귀의 반사율과 반사율 1단계 미분곡선의 붉은 쪽 측정과 계산을 통해 벼 잎사귀의 반사율과 그 엽록소 농도 간의 상관성 및 벼 잎사귀의 스펙트럼 붉은 쪽 파장 위치와 그 엽록소 농도 간의 관계를 더욱 연구하고자 한다.

2 지물 분광기의 기본 작업 원리

이밖에 지물분광기의 응용은 광물탐사중의 광물감정과 자원추산, 원격탐지응용중의 지표분류와 재해감측 등을 포함하여 광범위하다.예를 들어, 광산 탐사에서 서로 다른 광물은 독특한 스펙트럼 특징을 가지고 있으며, 스펙트럼 분석을 통해 광물의 종류와 분포 상황을 식별할 수 있다.원격 탐지 응용에서 지표 분류는 위성이나 드론에 탑재된 분광기를 통해 진행되며, 지표를 분류하고 모니터링하는데, 예를 들면 숲, 농경지, 도시 등이다.재해 모니터링은 스펙트럼 분석을 통해 자연재해의 범위와 정도를 빠르게 평가한다.

3 랩 설계

사전 준비

이번 실험에서 선택한 품종은 교잡줄기벼 상우1호 (상우99-1) 벼를 연구대상으로 해당 벼를 재배하는 9개 구역에 대해 각각 다른 점의 시비처리를 진행하였는데 그 생장우렬상황이 뚜렷이 다르다.

비료처리가 다른 9개 구역의 상우벼에 대해 각각 10개의 대표적인 기능엽편을 선택하여 엽록소계로 매 엽편의 엽록소농도를 측정하고 매 엽편마다 부동한 엽편위치에서 엽록소농도를 4회 측정한후 엽편을 떼어내고 매 구역의 10개 엽편을 한조로 ATP9100F 휴대용지물분광기를 통해 해빛아래에서 분광반사를 측정한다.10개의 날개가 서로 다른 순서로 상하로 중첩되어 25 ° 의 시야 프로브 거리를 이용하여 날개 높이에서 약 5cm 떨어진 곳에서 각 날개에 대해 신속하게 스펙트럼 측정을 진행하였는데, 그 스펙트럼 측정 범위는 300~1100nm이며, 스펙트럼 해상도는 2nm 이내이다.

데이터 분석 및 처리

400~500nm와 600~700nm 사이에는 청색, 적색 광파 대역의 광복사 비엽록소가 전부 흡수되어 광합성 작용을 진행하여 두 개의 저반사 구역을 형성하는데, 비교적 낮은 반사비를 가지고 있으며, 일반적으로 10% 보다 낮다;그러나 500nm부터 잎의 흡수가 감소하는데, 일반적으로 550nm에서 낮다. 즉 녹색 주파수 대역 부분이다. 여기서 작은 반사봉을 형성한다. 반사율은 약 20% 정도이다. 이것은 식물 잎이 녹색을 띠는 원인이기도 하다.그리고 700nm에서 반사율이 갑자기 상승하여 근적외선 대역에 진입한 후 곡선이 완만해져 고반사 플랫폼 구역이 되는데, 일반적으로 50~60% 에 달하고, 어떤 것은 더 높다.여기서 반사율은 엽록소의 적색파단 흡수구역의 저점에서 근적외선이 엽편 산란으로 인해 반사율이 비교적 높은 과도지역, 즉"홍변"구역으로 불리며, 일반적으로 파장 690~720nm 사이에 위치하며,"홍변"은 반사율의 1단계 미분곡선에서 매우 중요하며, 일부 연구자들은 엽편 홍변과 엽록소 농도 사이의 관계를 이미 실증하였다.빨간색 모서리는 빨간색 모서리 영역의 식물 반사 스펙트럼 곡선에서 경사가 큰 점, 즉 반사율 변화가 빠른 점이다.

단파 대역 관련 분석

시질소량이 다른 급수의 벼의 잎사귀(9개 시료)의 파장별 스펙트럼 반사율과 이들의 엽록소 농도를 단일 연관 분석한다.그림 5는 다음과 같은 두 가지 상관 계수 그래프를 보여 줍니다.

① 420nm에서 720nm까지 두 가지는 마이너스 상관관계를 나타낸다. 파장이 증가함에 따라 마이너스 상관계수는 급격히 증가하여 460nm에 이르렀고 상관계수는 -0.6에서 560nm에 이르렀으며 상관계수는 -0.8에 달했고 그 후에 686nm에 이르렀고 상관계수는 -0.95에 달했다.

② 686nm에서 726nm까지, 양자는 마이너스 관련 큰 값에서 헛되이 0이 되고, 이어서 745nm에서 플러스 관련 값으로 계속 증가하며, 관련 계수는 약 0.92이다.

③ 726nm에서 1000nm까지 940nm 부근의 상관계수가 약간 떨어진 것을 제외하고 이들의 상관계수는 줄곧 좋은 상관관계를 유지하고 있으며 상관계수는 0.9 정도에 달한다.

양자 관련성의 상술한 변화는 주로 식물 반사 스펙트럼이 가시광선 범위에서 엽록소의 영향을 많이 받기 때문이다. 벼 잎의 생장 과정에서 엽록소 함량이 증가함에 따라 엽육 세포의 간극수가 증가하여 가시광선 반사율이 낮아지고 근적외선 반사율이 높아지며 가시광선 범위 내에서 양자는 강한 마이너스 관계가 되고 근적외선 범위 내에서 강한 상관관계가 있다.686nm에서 745nm 사이에서 양자는 음의 상관관계에서 헛되이 양의 상관관계로 바뀌었고 726nm에서 상관계수가 0에 가깝다. 이것은 주로 벼잎의 엽록소가 가시 스펙트럼 반사율에 큰 영향을 미치고 벼잎 구조가 근적외선 스펙트럼에 큰 영향을 미치기 때문에 그 경계에서 양자의 상관관계가 매우 작다.

벼잎의 붉은 변곡점 파장 위치

엽록소 농도와 관련된 관계

ATP9100F 핸드헬드 지물 분광기는 이산형 데이터를 수집하기 때문에 공식 (1) 을 통해 근사하게 스펙트럼 데이터를 1단계 도수로 계산할 수 있다.

여기서: R (람다_i)'은 파장 i(람다)입니다._i)의 1 단계 미분 반사 스펙트럼,λ_i+1, λ_iλ_i-1은 인접 파장입니다.

공식 (1) 을 이용하여 9개 구역에서 선택한 통풍되지 않는 엽록소 농도의 벼잎 반사 스펙트럼을 각각 1단계 도수로 취하여 그 붉은 변곡점의 파장 위치를 얻는다

엽록소 농도 를 자변량 x 로 하고 벼 잎사귀 의 붉은 변 변곡점 파장 위치 를 인변량 y 로 하여 선형 회귀 분석 을 하다

벼 잎사귀 반사 붉은 변곡점과 엽록소 농도 사이에는 좋은 상관성이 있으며, 복상관계수(R²) 0.88에 달하는데 이는 실험실실험에서 이미 실증한 홍변변곡점의 파장위치와 엽편견본의 엽록소농도가 정관계라는 리론과 부합되며 이로부터 야외지물분광기의 데터를 리용하여 벼엽편의 엽록소농도를 정량적으로 추산하고 분석할수 있다는것을 알수 있다.

4 결론

이번 실험은 벼 잎사귀의 반사 스펙트럼 특징을 분석한 토대에서 그 스펙트럼 반사율과 그 반사 홍변 위치와 잎사귀 엽록소 농도 사이의 상관성을 연구·분석했다.연구 결과는 다음과 같습니다.

(1) 벼의 잎사귀 반사율과 엽록소 농도 사이의 상관성은 파장 스펙트럼 구간과 밀접한 관계를 가지며 420~726nm 사이에는 마이너스 관계를 보이고 726~1000nm 사이에는 플러스 관계를 가진다.450~686nm와 750~770nm 사이에서 비교적 높은 상관성을 유지하고 686nm에서 높은 상관성을 가지며 상관계수는 0.95보다 크고 726nm에서는 0이다.이에 따라 이번 실험 결과는 지물 하이 스펙트럼 기술로 벼 엽록소 농도를 탐지할 수 있는 가능성과 최상위 주파수 대역 선택의 필요성을 보여줬다.

(2) 벼잎의 엽록소 함량은 그 반사 스펙트럼의 붉은 변곡점 위치와 좋은 선형 관련 관계를 가지므로 높은 스펙트럼 정량을 이용하여 벼잎의 엽록소 농도를 추산하는 기술 방법과 경로를 제공한다.