1実験の背景

葉緑素濃度はしばしば植物栄養ストレス、光合成能力と老化の各段階を発展させる良好な指示パラメータであり、地物スペクトル技術とリモートセンシング技術による葉緑素濃度の探査は農業や自然植物群落などの研究方向で大きな注目を集めている。大多数の研究はスペクトル反射率とクロロフィルaまたは総クロロフィル濃度の関係に集中し、一部はクロロフィルbまたはクロロフィルaとクロロフィルb濃度の比を研究し、その他の研究は主にカロテノイド濃度またはカロテノイドとクロロフィルの比に焦点を当てている。

多くの研究により、植生スペクトルの「赤辺」は植生の成長状況に敏感であり、植生の赤辺の曲がり点は植物反射スペクトル曲線の中で傾きの大きい点であり、波長690 ~ 720 nmの間に位置し、実験室の実験により赤辺の曲がり点の波長位置と葉サンプルの葉緑素濃度に正の相関関係があることを確認した。

本文は異なる葉緑素濃度の水稲葉片の反射率及び反射率一次微分曲線の赤辺測定と計算を通じて、水稲葉片の反射率と葉緑素濃度の相関及び水稲葉片のスペクトル赤辺波長位置と葉緑素濃度の関係をさらに研究した。

2地物分光計の基本的な動作原理

また、鄒地物分光計の応用は広く、鄒には鉱物探査における鉱物鑑定と資源推定、鄒及びリモートセンシング応用における地表分類と災害監視などが含まれる。例えば、鄒鉱物の探査において、異なる鉱物は独特なスペクトル特徴を持っており、鄒はスペクトル分析によって鉱物の種類と分布状況を識別することができる。‌リモートセンシングの応用において、‌地表分類は衛星または無人機搭載の分光計を通じて行い、‌は地表に対して分類と監視を行い、‌は森林、‌農地、‌都市などである。鄒災害モニタリングはスペクトル分析を通じて自然災害の範囲と程度を迅速に評価する。

3実験室設計

前準備

今回の実験選択品種は交雑茎稲常優1号（常優99-1）水稲を研究対象とし、当該水稲を栽培した9つの区域に対してそれぞれ異なる点の施肥処理を行い、その生長優劣状況は明らかに異なっていた。

9つの異なる施肥処理された地域の常優水稲に対してそれぞれ10の代表的な機能葉を選択し、葉緑素計を用いて各葉の葉緑素濃度を測定し、各葉は異なる葉位置で葉緑素濃度を4回測定し、その後葉を取り外し、各領域の10葉を1組としてATP 9100 F手持ち式地物分光計を通じて日光下でスペクトル反射測定を行った。10個の羽根を異なる順序で上下に重ね、25°視野プローブを用いて羽根の高さから約5 cmの距離で各羽根を迅速にスペクトル測定し、そのスペクトル測定範囲は300 ~ 1100 nm、スペクトル分解能は2 nm以内であった。

データ分析と処理

400 ~ 500 nmと600 ~ 700 nmの間で、青、赤の光帯域の光放射によるクロロフィルの全吸収による光合成2つの底反射領域を形成し、比較的低い反射比を有し、一般的に10%未満である、500 nmから葉の吸収が減少するのは、一般的に550 nmで低い、すなわち緑色帯域部分であり、ここに小さな反射ピークが形成され、反射率は約20%前後であり、これも植物の葉が緑色を呈する原因である、それから700 nmで反射率が急に上昇し、近赤外帯域に入ると曲線が緩やかになり、高反射プラットフォーム領域となり、一般的に50%~ 60%に達し、あるものはもっと高い。ここで反射率は葉緑素の赤色帯域吸収領域の低点から近赤外まで葉身散乱により反射率が比較的高い遷移領域、すなわち「赤辺」領域と呼ばれ、一般に波長690 ~ 720 nmの間に位置し、「赤辺」は反射率の一次微分曲線において重要であり、一部の研究者は葉身赤辺と葉緑素濃度の関係を実証した、「赤いエッジ」これは「赤いエッジ」領域の植物反射スペクトル曲線における傾きが大きい点、すなわち反射率の変化が速い点である。

モノバンド相関解析

窒素施用量の異なるレベルのイネの葉（9サンプル）の各波長におけるスペクトル反射率とそれらのクロロフィル濃度を単相関分析した。【図5】図5から明らかに分かるように、両者の相関係数図を示す。

①420 nmから720 nmまで、両者は負の相関関係を呈し、波長の増加に伴い、負の相関係数は急激に増大し、460 nmまで、相関係数は-0.6、560 nmに達し、相関係数は-0.8に達し、その後686 nmまで、相関係数は-0.95に達した、

②686 nmから726 nmまで、両者は負相関の大きな値から徒然にゼロになり、続いて745 nmにおける正相関の値まで増加し続け、相関係数は約0.92である、

③726 nmから1000 nmまで、940 nm付近の相関係数がわずかに低下した以外、両者の相関係数はずっと良好な正の相関関係を維持し、相関係数は0.9前後に達した。

両者の相関性の上述の変化は主に植物反射スペクトルが可視光範囲で葉緑素の影響を大きく受け、イネの葉の成長過程で葉緑素含有量の増加に伴い葉肉細胞隙間数が増加し、それにより可視光反射率が低下し、近赤外反射率が上昇し、可視光範囲内で両者が強い負相関であり、近赤外帯域範囲内で強い正相関であることをもたらした。686 nmから745 nmの間では、両者は負の相関値から正の相関値に徒然に変化し、726 nmでは相関係数がゼロに近い。これは主に水稲葉葉の葉緑素が可視スペクトル反射率に与える影響が大きいのに対し、水稲葉構造が近赤外スペクトルに与える影響が大きいためであり、その境界では両者の相関性が小さい。

水稲の葉の赤辺の変曲点の波長位置

そのクロロフィル濃度と相関関係

ATP 9100 Fハンドヘルド地物分光計が収集したのは離散型データであるため、分光データを式（1）により近似的に1次導関数計算することができる。

そのうち：R（λ_i）’は波長i（λ_i)における1次微分反射スペクトル、λ_i+1, λ_iλ_i-1は隣接波長である。

式（1）を用いて9つの領域で選択された非通風葉緑素濃度のイネ葉反射スペクトルに対してそれぞれ1次導関数を取り、それによってその赤辺の変曲点の波長位置を得る

クロロフィル濃度を引数x、イネ葉の赤辺変曲点波長位置を原因変数yとして、線形回帰分析を行う

イネ葉の反射赤辺の変曲点とクロロフィル濃度の間には良好な相関性があり、複素相関係数（R²）は0.88に達し、これは実験室の実験で実証された赤辺の変曲点の波長位置と葉サンプルの葉緑素濃度が正の相関理論と一致しており、これにより野外地物分光器データを用いて水稲葉の葉緑素濃度を定量的に推定し、分析することが可能であることがわかる。

4結論

今回の実験は水稲葉片の反射スペクトル特徴を分析した上で、そのスペクトル反射率とその反射赤辺位置と葉葉葉葉緑素濃度の相関性について研究と分析を行った。研究結果：

（1）水稲葉片の反射率と葉緑素濃度の間の相関性は波長スペクトル段と密接な関係があり、420 ~ 726 nmの間に負の相関が現れ、726 ~ 1000 nmの間に正の相関がある、450 ~ 686 nmと750 ~ 770 nmの間では両者は高い相関を維持し、686 nmでは両者は高い相関を達成し、相関係数は0.95より大きく、726 nmでは0である。そこで今回の実験結果は、地物高分光技術によるイネ葉緑素濃度の検出可能性と最適な帯域選択の必要性を示した。

（2）水稲葉葉緑素含有量と反射スペクトルの赤辺変曲点位置との間に良好な線形相関関係があり、それによって高スペクトルを利用して水稲葉葉葉緑素濃度を定量的に推定する技術方法と方法を提供した。