基于机器学习法和颜色特征的银杏苗叶片氮含量估测模型研究
文献综述
第一章 前言
氮是植物生长发育必不可缺的大量矿质元素之一，对于植物个体的生长发育极其重要，不仅植物生长过程中进行的多种生理代谢活动都需要有氮的参与，而且氮还是植物体内大多数酶以及叶绿素、核酸和蛋白质的重要组成成分[1]。缺氮会对植物生长过程造成不同程度的伤害，例如，植株叶片面积缩减、光合作用强度降低、叶绿素含量降低，严重情况下导致生物产量降低。缺氮还会造成植物的碳素同化能力降低，植物生长明显受抑制，最后导致了成熟早，产量低,这些都说明了氮素的含量对植物营养及产量的高低十分重要[2]。此外，过量施氮和频繁过度的施氮会导致一些负面影响，并在土壤中残留大量的氮元素，污染土壤环境。同时，还会造成氮肥浪费，影响土壤地下水，又造成一定的环境污染，最终影响作物品质。因此，通过实时估测植物叶片氮素含量，及时合理调控氮肥管理对植物生长发展是不可忽略的重要部分。
然而，当前在苗木生产上对于植株的氮肥使用情况，依旧主要依赖于“目视诊断”与传统经验结合等方式确定，相对易受到地域性限制以及太过迷信经验而缺乏科学认知，因此常导致施肥过量产生一系列不良后果，严重情况时，甚至会引起生物量下降等问题。目前,国内外围绕利用数字图像技术对氮素营养进行氮素监测诊断已成为研究热点[3-8]。然而，虽然大部分研究取得较好的研究进展，但这些研究主要都是针对大田农作物。近年来，数字图像技术已逐渐应用于林木生理生化参数的估测，如利用颜色指数估测叶绿素含量和氮素含量等，但围绕利用数码影像估测银杏等林木叶片氮含量相关的报道较少，且大多数研究多使用颜色指数构建一元或多元线性模型，缺乏使用机器学习法的建模分析。因此，本研究重点考察结合机器学习法和颜色特征参数估测不同水肥条件下银杏苗叶片氮含量的可行性。
1.1 研究背景
1.1.1 银杏的概况及产业价值
银杏（Ginkgo biloba L.），裸子植物，银杏科银杏属，分雌雄异株，树形美观，叶片扇形，秋季叶色转变为金黄色，是许多场地首选的绿化树种[9]。银杏在全世界只有中国有野生类群，因其珍贵的价值向来被赞誉为“植物界熊猫”。银杏喜温暖湿润性气候，所以大多适合在水热条件都较好的地区生长，有充足的水分与日照对它的生长较为有利 [10]。但它的适应性较强，植物病虫害相对较少，还能耐盐、耐旱，在相对贫瘠的土地上依旧可以生长，对大气污染具有一定能力的抗性[11,12]。银杏是一种生长慢、结果较迟但寿命悠长的树种，目前已发现的有生长了数千年的银杏树。根据已有的实践经验，银杏一年四季都可进行栽植，但是，在春季萌芽前、秋季落叶后进行移植更有利于银杏生长，栽植地需要建设较好的交通条件，排灌系统需要较为完善，还需要充足的日照[13]。银杏的栽植范围较广，山区、平原、沿海盐碱地皆可进行栽植。银杏在中国的栽植地主要是江浙一带，还有山东、湖广等地部分地区，目前位于山东省的郯城县是中国现有的规模最大的银杏培育基地。由于银杏独特的叶形、叶色与悠久的栽植历史，所以被广泛应用于各国庭院[14]，而银杏在我国作为园林栽培树种最早的记录更是可以追溯到商周时期。
除此之外，银杏还具有药用、食用、材用等功能。银杏的种仁即“白果”，食用、药用皆可，在食品和医药行业应用较为广泛，不仅产生的经济价值较高，还能产生巨大的社会和人文效益。因此，目前国内外对于研究、开发和应用银杏的热度很高。作为常见的滋补食物，营养丰富，广受大家的喜爱。食用银杏种仁对年轻人可以壮阳健身，对老年人可以强身延寿。例如，银杏叶可制成银杏叶茶、银杏叶酒、银杏叶酸奶等，口感甚佳，又可对身体起保健作用[15]。尤其，银杏具有特殊的医疗作用，对于抗癌，有特殊功效，银杏叶提取物不仅可通过诱导细胞凋亡、调节细胞周期和基因表达来发挥抗癌作用[16]，而且它的提取物能够缓解肝组织的进一步癌变[17]。根据国内外的研究，银杏具有的银杏外种皮多糖对于抗衰老、抗氧化和调节免疫等方面也有一定的功能。而且其外种皮的酚酸性成份对于过敏、癌症、病毒等都具有独特的作用[18-20]，随着研究的深入，或许会有进一步的优秀研究成果。至于银杏的花粉，也是被用来制作成各种防治肿瘤的药品，以及一些可以抗衰老的化妆品等。总之，银杏本身的药用价值和潜力是十分巨大的，由此，也可带来可观的经济价值。银杏作为中药进行药用，已有数千年的历史，在《本草纲目》中，李时珍先生更是列举了18种可以用银杏治疗的疾病。由此可见，银杏已经是我国优秀传统文化的重要载体，是中华文明的一个优秀展现。我国的银杏是公认的种类多且品质优良[21]，同时也是世界银杏的起源和分布中心,而且我国在对于银杏栽培、研究开发和利用上是世界上最早并且成果最丰富的国家[22]。银杏是我国特产植物，全世界70%以上的银杏资源也都在中国[23]，近的如我国周边的一些国家日本等国，远的如美国、欧洲皆是从我国引种栽培的。
