بخشی از مقاله
چکیده
تخمین دقیق پارامترهای بیوفیزیکی و بیوشیمیایی گیاهان در زمینه های مختلفی مانند کشاورزی، اکولوژی و هواشناسی اهمیت بسزایی دارد. در میان محصولات کشاورزی ایران، اهمیت استراتژیکی-اقتصادی پسته ضرورت توجه بیشتر به برنامه ریزی جهت افزایش تولید این محصول را آشکار می سازد.هدف اصلی این مطالعهمقایسه توانایی روش های آماری چند متغیره1SMLRو2PLSRدر پیش بینی غلظت کلروفیل و نیتروژن برگ درختان پسته با استفاده از داده های انعکاسی فراطیفی می باشد.
داده های طیفی از برگ درختان پسته در اتاق تاریک با دستگاه طیف سنجتهیه شدند. میزان کلروفیل برگ ها با دستگاه کلروفیل مترSPADقرائت شدند و همچنین آزمایشات شیمیایی جهت تعیین غلظت کلروفیل و نیتروژن نمونه ها در آزمایشگاه شیمی انجام شد.نتایج بدست آمده از روش های چند متغیره نشان داد که مدلPLSRبا داده های انعکاسی مشتق اول بهترین دقت را در پیش بینی نیتروژن دارد R2cv = 0.77 - ، - RRMSEcv = 0.08 و در پیش بینی غلظت کلروفیل، مدل هایPLSRوSMLRدقت تقریبأ یکسانی داشتند
به طور کلی نتایج این تحقیق نشان داد، داده های انعکاسی فراطیفی پتانسیل بالایی در پایش سلامت و وضعیت رشد محصولات کشاورزی، مخصوصا برگ درختان پسته دارند و همچنین داده های انعکاسی تبدیل شده نسبت به داده های طیفی اولیه دارای توانایی بالاتری در پیش بینی پارامترهای بیوسیمیایی هستند.
-1 مقدمه
در راستای کشاورزی پایدار، پایش سلامت گیاه، کشف استرس، تعیین ظرفیت فتوسنتز و مقدار محصول اموری اجتناب ناپذیرند.[4] کلروفیل و نیتروژن گیاهان دو نمونه از مهمترین پارامترهای بیوشیمیایی گیاهان می باشند که نقش اساسی در وضعیت سلامت گیاه دارند. اهمیت نیتروژن در زندگی گیاه به این دلیل است که در یک سلول گیاهی، نیتروژن یک جز اساسی آمینواسدها، نکلئواسیدها و کلروفیل که از مهمترین پایه های فرایند متابولیسم در سلول گیاه هستند، می باشد
کلروفیل برگ نیزمهمترین رنگدانه در فعالیت های فتوسنتزی گیاه می باشد.
یک گیاه سالم نسبت به گیاه بیمار میزان کلروفیل بالاتری دارد. بنابراین ظرفیت کلروفیل برگ معیار مناسبی برای ارزیابی فعالیت فتوسنتزی، کشف استرس گیاه و وضعیت غذایی برگ می باشد و اندازه گیری آن در مدیریت کشاورزی دقیق از اهمیت ویژه ای برخوردار است.
اندازهگیری پارامترهای گیاهی به روش های آزمایشگاهی علاوه بر صرف وقت و هزینه زیاد، توانایی مدل کردن این پارامترها را در سطح وسیعی ندارند. با توجه به این که مشخصه های طیفی گیاهان در طول موج های مختلف تحت تاثیر ساختار درون سلولی و برون سلولی برگ و غلظت مواد بیوشیمیایی از جمله کلروفیل، نیتروژن و میزان آب موجود در گیاه است [2]، می توان با استفاده از رفتارهای طیفی اندازه گیری شده توسط سنجنده های سنجش از دور میزان هر یک از این پارامترها با سرعت بیشتر و هزینه کمتر و به صورت غیر تخریبی تعیین کرد
سنجش از دور از سنجنده های چند طیفی تا سنجش از دور فرا طیفی توسعه پیدا کرده است. در سنجش از دور چند طیفی به علت قرار گرفتن میانگین اطلات چند باند در یک باند، بسیاری از اطﻻعات مفید که در باندهای باریک موجود باشند در این طول موج های پهن از بین می رود
با پیدایش سنجش از دور فرا طیفی و امکان اخذ بازتاب گیاهان در طول موج های باریک و فراوان در محدوده طول موج های 400 تا2500 نانومتر باعث شده است که پارامترهای گیاهی که اندازه گیری آنها با سنسورهای چند طیفی مشکل بود آسان تر شوند .اخیرا مطالعات زیادی در رابطه با استخراج کلروفیل و نیتروژن برگ با استفاده از داده های سنجش از دوری انجام شده است
عمومأ محققین برای تخمین پارامترهای گیاهان با استفاده از سنجش از دور، از تکنیک های تک متغیره مبتنی بر شاخص های گیاهی استفاده می کنند. این شاخص ها معمولأ از اطلاعات دو باند تشکیل می شوند و لذا حجم عظیمی از اطلاعات در سایر باندها نادیده گرفته می شود.استفاده از تکنیک هایی که قادر باشند از تمامی اطلاعات طیفی بهره گیرند، می توانند تخمین پارامترهای گیاهی را بهبود بخشد
بر خلاف روش های تک متغیره، روش چند متغیره SMLR از چندین باند طیفی در پیش بینی پارامترها استفاده می کند و در مطالعات زیادی برای پیش بینی پارامترهای بیوفیزیکی و بیوشیمیایی گیاهان استفاده شده است.
این رگرسیون بعضی مواقع هنگام استفاده از داده های فرا طیفی، متاثر از مشکل هم خطی است .[12] این مشکل معمولأ زمانی ایجاد می شود که تعداد مشاهدات کمتر از تعداد متغیرهای مستقل باشند و داده های ورودی همبستگی بالایی را نشان می دهند
روش آماری چند متغیره PLSR بر خلاف روش SMLR از تمامی اطلاعات سرتاسر طیف بهره می برند و برای آنالیز داده های یی که مشکل هم خطی دارند مناسب می باشد.[10] این روش نیز در پیش بینی پارامترهای گیاهی در مطالعات گذشتگان استفاده شده است
تمام مدل های نامبرده به طور گسترده در کشاورزی دقیق با استفاده از داده های سنجش از دوری برای کاربردهای مختلف استفاده شده اند. ایران عمدهترین تولید کننده پسته در جهان میباشد.[1] اهمیت استراتژیکی-اقتصادی محصول پسته در استان کرمان و ایران ضرورت توجه بیشتر به برنامه ریزی جهت افزایش تولید این محصول را آشکار می سازد.مرور تحقیقات داخلی و خارجی نشان داد که ارزیابی وضعیت این محصول با استفاده از سنجش از دور بسیار محدود می باشد.
در این راستا هدف اصلی این مطالعه ارزیابی توانایی سنجش از دور در تخمین پارامترهای بیوشیمیایی برگ درختان پسته می باشد. دیگر اهداف این مطالعه مقایسه دقت روش های آماری چند متغیره SMLR و PLSR با استفاده از داده های انعکاسی اولیه و تبدیل شده با مشتق اول در پیش بینی پارامترهای بیوشیمیایی کلروفیل و نیتروژن می باشد.
-2 مواد و روش ها
در این مطالعه نمونه ها از باغ پسته مرکز تحقیقات پسته کرمان در استان کرمان با طول جغرافیایی : 57 0309تا57 0345شرقیو عرض جغرافیایی:30 2311تا30 2327شمالی تهیه شدند. 75 نمونه از درختان پسته در دوره رشد گیاه تهیه شد. در هر روز نمونه گیری پس از چیدن حدود 50 برگ از هر درخت، کلروفیل برگ ها در کمترین زمان ممکن با دستگاه کلروفیل متر SPAD-502 قرائت شد.
عدد نشان داده شدهتوسط SPAD-502 بدون واحد است .[20] سپس نمونه ها در ظرف حاوی یخ به آزمایشگاه مرکزی دانشگاه تحصیلات تکمیلی صنعتی و فناوری پیشرفته کرمان جهت انجام آزمایشات شیمیایی و طیفی انتقال داده شدند. اندازه گیری های طیفی در آزمایشگاه سنجش از دور انجام شد. در محل اندازه گیری دیوارها و سقف با مواد سیاه رنگ مات به منظور جلوگیری از بازتاب های زائد پوشانده شده بود. هر گروه برگ از نمونه ها به صورت توده ای3 بر روی یک سطح کاملأ مشکی پخش شدند. سپس به منظور اندازه گیری های طیفی، سنسور طیف سنج با زاویه 25=FOV را در ارتفاع 15 سانتی متری سطح برگ با کمک سه پایه به صورت کاملأ عمود نصب گردید.
در این مطالعه دستگاه طیف سنجASD Field Spectrometer III با محدوده نمونه برداری 350 تا 2500 نانومتر، با فاصله نمونه برداری 1/4 نانومتر در محدوده طیفی 350 تا 1000 نانومتر و 2 نانومتر در محدوده طیفی 1000 تا 2500 نانومتر برای اندازه گیری های طیفی استفاده شد.
به منظور روشن کردن هدف از یک لامپ هالوژن 300 وات که در نزدیکی سنسور قرار داشت استفاده شد. از هر نمونه 12 مرتبه طیف اندازه گیری گردید و در انتها از 12 طیف تهیه شده میانگین گرفته شد. البته قبل از هر اندازه گیری دستگاه طیف سنج با صفحه سفید4 کالیبره گردید. شکل1 انعکاس های طیفی تهیه شده از کلیه نمونه ها را نشان می دهد. طیف های تهیه شده با یکدیگر تفاوت هایی دارند که دلیل این تفاوت ها را می توان دلیل بر تفاوت مقادیر پارامترهای بیوفیزیکی و بیوشیمیایی برگ ها دانست.
شکل.1 بازتاب های طیفی کلیه نمونه های برگ درختان پسته
سپس به منظور کالیبره کردن دستگاه کلروفیل متر، 50 نمونه برگ به روش آزمایشگاهی Lichtenthaler در آزمایشگاه شیمی اندازه گیری شد.[27] در این مطالعه با رگرسیون توانی و ضریب تعیین 0/9 داده های بدون واحد کلروفیل متر کالیبره شدند و از این معادله رگرسیونی برای سایر نمونه ها که در رگرسیون شرکت نداشتند استفاده شد. غلظت نیتروژن نمونه ها نیز در آزمایشگاه تحقیقات جهاد کشاورزی کرمان با استفاده از روش کجلدال5اندازه گیری شد. جدول1 خلاصه ای از وضعیت مقادیر اندازه گیری شده برای نمونه های اندازه گیری شده در این تحقیق را نشان می دهد.
جدول .1 اطلاعات آماری پارامترهای بیوشیمیایی اندازه گیری شده
