无人机高光谱遥感估算冬小麦叶面积指数

为探讨利用低空无人机平台和高光谱影像对冬小麦叶面积指数进行遥感估算，该研究以拔节期冬小麦小区试验为基础，对原始冠层光谱进行一阶导数和连续统去除光谱变换，并在此基础上提取任意两波段组合的差值光谱指数（Difference Spectral Index，DSI）、比值光谱指数（Ratio Spectral Index，RSI）和归一化光谱指数（Normalized Spectral Index，NDSI），以最优窄波段光谱指数进行叶面积指数估算模型的构建。结果表明，最优窄波段指数的构成波段主要位于红边区域，最优窄波段指数与叶面积指数均呈现非线性关系；光谱变换显著提升了光谱变量与叶面积指数的相关性，其中连续统去除光谱所获取的NDSI（738，822）光谱指数与叶面积指数的相关性最佳；窄波段光谱指数和随机森林回归算法的叶面积指数估算模型精度最高，其相对预测偏差为2.01，验证集的决定系数和均方根误差分别为0.77和0.27。基于随机森林回归算法的无人机高光谱叶面积指数估算模型能够准确地实现小区域的叶面积指数遥感填图，为后期作物长势、变量施肥等提供理论依据。     

冬小麦叶面积指数高光谱遥感反演方法对比

冬小麦叶面积指数(LAI,leafarea index)是评价其长势和预测产量的重要农学参数,高光谱遥感能够实现快速无损地监测叶面积指数。该文旨在将田间监测与高光谱遥感相结合,探索研究不同冬小麦叶面积指数高光谱反演方法的模拟精度及适应性。针对国际上普遍应用的2种高光谱遥感反演LAI模型方法,即回归分析法和BP神经网络法,在介绍2种LAI反演模型的基础上,选择位于黄淮海平原的山东省济南市长清区为研究区域,通过ASD地物光谱仪和SunScan冠层分析系统对冬小麦的冠层光谱及LAI变化进行田间观测,然后利用回归分析法和BP神经网络法构建冬小麦LAI反演模型,将模型估算LAI值和田间观测LAI值进行比对,分析评价2种方法的反演精度。结果表明,BP神经网络法较回归分析法估算冬小麦LAI的精度有较大提高,检验方程的决定系数(R2)为0.990、均方根误差(RMSE)为0.105。利用BP神经网络法构建反演模型能较好的对冬小麦LAI进行反演。研究结果可为不同冬小麦长势遥感监测提供理论和技术上的支持,并为大尺度传感器监测冬小麦长势和估产提供参考。     

Comparison of two inversion methods for winter wheat leaf area index based on hyperspectral remote sensing

冬小麦叶面积指数（LAI, leaf area index）是评价其长势和预测产量的重要农学参数,高光谱遥感能够实现快速无损地监测叶面积指数。该文旨在将田间监测与高光谱遥感相结合,探索研究不同冬小麦叶面积指数高光谱反演方法的模拟精度及适应性。针对国际上普遍应用的2种高光谱遥感反演LAI模型方法,即回归分析法和BP神经网络法,在介绍2种LAI反演模型的基础上,选择位于黄淮海平原的山东省济南市长清区为研究区域,通过ASD地物光谱仪和SunScan冠层分析系统对冬小麦的冠层光谱及LAI变化进行田间观测,然后利用回归分析法和BP神经网络法构建冬小麦LAI反演模型,将模型估算LAI值和田间观测LAI值进行比对,分析评价2种方法的反演精度。结果表明,BP神经网络法较回归分析法估算冬小麦LAI的精度有较大提高,检验方程的决定系数（R2）为0.990、均方根误差（RMSE）为0.105。利用BP神经网络法构建反演模型能较好的对冬小麦LAI进行反演。研究结果可为不同冬小麦长势遥感监测提供理论和技术上的支持,并为大尺度传感器监测冬小麦长势和估产提供参考。     

ASD Field Spec3野外便携式高光谱仪诊断冬小麦氮营养

氮素营养诊断关键在于氮营养指数(nitrogen nutrient index,NNI)预测。对于冬小麦氮营养指数预测模型而言,如何选取预处理方法和建模方法不一而足,不同预处理和模型选取对预测结果精度的影响程度目前还不清楚。该研究以ASD Field Spec3野外便携式高光谱仪采集乐陵市冬小麦冠层高光谱数据,采用10种光谱预处理方法并结合3种模型(偏最小二乘回归、BP神经网络和随机森林算法)建立多种冬小麦氮营养指数高光谱预测模型。对比模型预测精度表明最佳的高光谱建模方法为随机森林算法结合SG卷积平滑预处理所建模型(预测集R2=0.795,RMSE=0.125,RE=11.7%)精度高、可靠性强,是筛选出最佳的冬小麦氮营养指数高光谱预测模型。该研究结果对冬小麦氮营养指数高光谱预测建模具有科学价值,为筛选最优高光谱预处理方法和预测模型提供技术参考。     

基于氮素营养指数的冬小麦籽粒蛋白质含量遥感反演

基于遥感实现小麦籽粒蛋白质含量提早估测对农业生产具有重要意义。为提高预测小麦籽粒蛋白质含量的准确度,该研究引入能更好反映作物氮素营养状况的农学参数－氮素营养指数,作为衔接遥感信息与产终籽粒蛋白质含量的桥梁。在田间试验的基础上,探讨氮素营养指数与其他农学参数在诊断籽粒蛋白质含量上的优劣,并基于“遥感参数－氮素营养指数－籽粒蛋白质含量”间关系,利用主成分回归算法构建估测籽粒蛋白质含量的遥感反演模型。结果表明,相比于其他参数,冬小麦旗叶期氮素营养指数能更好的反映产终籽粒蛋白质含量;以氮素营养指数为中间变量,所建遥感反演模型能准确预测小麦籽粒蛋白质含量,模型的预测决定系数为0.48,预测标准误差为0.38%,相对误差为2.32%。     

基于多源无人机影像特征融合的冬小麦LAI估算

为探讨无人机多源影像特征融合估测作物叶面积指数的能力,该研究以冬小麦为研究对象,利用多旋翼无人机搭载高清数码相机和UHD185成像光谱仪获取研究区冬小麦关键生育期（扬花期、灌浆期）的可见光和高光谱影像。综合考虑可见光、高光谱影像特征与冬小麦叶面积指数的相关性及影像特征重要性进行特征筛选,然后,以可见光植被指数、纹理特征、可见光植被指数+纹理特征、高光谱波段、高光谱植被指数及高光谱波段+植被指数分别作为输入变量构建多元线性回归、支持向量回归和随机森林回归的叶面积指数估测模型（单传感器数据源）;以优选的两种影像特征结合支持向量回归、随机森林回归构建叶面积指数估测模型（两种传感器数据源）,比较分析单源与多源影像特征监测冬小麦叶面积指数的性能。进一步地,考虑到小区土壤空间异质性会影响冬小麦叶面积指数估测结果,该研究探讨了不同影像采样面积下基于单源遥感数据构建的小麦叶面积指数估测模型精度。研究结果表明：在扬花期和灌浆期,使用两种影像优选特征构建的随机森林回归估测模型精度最佳,验证集决定系数分别为0.733和0.929,均方根误差为0.193和0.118。可见光影像采样面积分别为30%和50%,高光谱影像采样面积为65%时,基于单源影像特征构建的随机森林回归估测模型在扬花期和灌浆期效果最好。综上,该研究结果可为无人机遥感监测作物生理参数提供有价值的依据和参考。     

结合SPA和PLS法提高冬小麦冠层全氮高光谱估算的精确度

【目的】 冠层高光谱全波段信息可以在小麦拔节期快速无损地估算叶片的氮含量。本研究结合连续投影算法 (SPA) 和偏最小二乘 (PLS) 技术,筛选了冬小麦拔节期冠层光谱对叶片氮含量的敏感特征波段,以期为冬小麦关键生育期氮素含量的遥感估算提供理论依据和技术支持。 【方法】 以陕西关中地区2015—2016年冬小麦小区试验为基础,基于连续投影算法 (SPA) 提取冬小麦叶片全氮含量的冠层光谱敏感波段,并结合偏最小二乘 (PLS) 回归法建立基于敏感特征波段的冬小麦拔节期叶片氮含量估算模型。 【结果】 SPA算法从冬小麦338～2510 nm的冠层光谱中优选出了1985 nm、2474 nm、1751 nm、1916 nm、2507 nm、1955 nm、2465 nm和344 nm共计8个叶片全氮含量的敏感特征波段,波段数目下降了98.9%,有效降低了光谱信息的冗余;基于敏感特征波段构建的叶片氮含量偏最小二乘回归模型的决定系数和均方根误差分别为0.82和0.28,模型验证方程的决定系数和均方根误差分别为0.84和0.21,模型的相对预测偏差大于2,具有较高的精度和良好的预测能力。 【结论】 与常用植被指数的叶片氮含量估算模型相比,连续投影算法 (SPA) 结合偏最小二乘 (PLS) 方法的叶片氮含量估算精度更高,稳定性更强,可以作为冬小麦拔节期叶片氮含量的高光谱估算方法。      

基于无人机数码影像和高光谱数据的冬小麦产量估算对比

作物产量准确估算在农业生产中具有重要意义。该文利用无人机获取冬小麦挑旗期、开花期和灌浆期数码影像和高光谱数据,并实测产量。首先利用无人机数码影像和高光谱数据分别提取数码影像指数和光谱参数,然后将数码影像指数和光谱参数与冬小麦产量作相关性分析,挑选出相关性较好的9个指数和参数,最后以选取的数码影像指数和光谱参数为建模因子,通过MLR(multiple linear regression,MLR)和RF(random forest,RF)对产量进行估算。结果表明:数码影像指数和光谱参数与实测产量均有很强的相关性。利用数码影像指数和光谱参数通过MLR和RF构建的产量估算模型均在灌浆期表现精度最高,在灌浆期,数码影像指数和光谱参数构建的MLR模型R~2和NRMSE分别为0.71、12.79%,0.77、10.32%。对模型对比分析可知,以光谱参数为因子的MLR模型精度较高,更适合用于估算冬小麦产量。利用无人机遥感数据,通过光谱参数建立的MLR模型能够快速、方便地对作物进行产量预测,并可以根据不同生育期的产量估算模型有效地对作物进行监测。     

基于小波特征和冬小麦生理参数的土壤水分高光谱模型优化

土壤水分是影响作物生长的关键因子,在精准灌溉中估算土壤含水率有重要意义,结合作物生理参数与叶片光谱特性,能够在一定程度上增强土壤含水率遥感监测模型的稳定性。为了提高土壤含水率遥感监测模型在冬小麦多种物候期的适用性以及迁移能力,该研究通过连续小波变换增强光谱对叶片不同生化生理指标的响应后,通过变量投影重要性分析方法对冬小麦叶片含水率、叶绿素、叶面积指数敏感的光谱特征进行特征筛选,结合偏最小二乘回归构建土壤含水率模型,并与土壤含水率所选特征建立的监测模型在独立年份数据与不同传感器之间进行比较。结果表明,土壤含水率变化显著改变了冬小麦叶绿素以及叶面积,进而影响了小麦冠层光谱,小尺度小波变换可以增强冬小麦冠层光谱和土壤含水率的相关性（相关系数由0.46提升至0.61）。综合基于地面非成像数据集和机载成像数据集进行的模型验证结果,基于叶绿素所选小波特征在2021年高光谱非成像数据集和2022年机载成像数据集构建的土壤含水率监测模型表现最优,其中基于1尺度叶绿素小波特征构建的模型效果最好,其在独立非成像数据集验证中决定系数为0.541,均方根误差为2.42%,在成像数据集验证中决定系数为0.687,均方根误差为1.92%。因此,通过冬小麦叶片叶绿素与连续小波变换选取的光谱特征进行土壤含水率监测的适用性更强,可以进一步提高土壤含水率监测模型的准确性及稳定性。     

基于无人机高光谱影像的引黄灌区水稻叶片全氮含量估测

实时监测水稻氮素状况对于评估水稻长势及精准田间管理意义重大。为确定宁夏引黄灌区水稻叶片全氮含量的最优高光谱估测方法,该文依托不同氮素水平水稻试验,基于成像高光谱数据和无人机高光谱影像,综合运用统计分析及遥感参数成图技术,对比分析光谱指数与偏最小二乘回归方法预测水稻叶片全氮含量的精确度和稳健性。结果表明,以组合波段738和522 nm光谱反射率的一阶导数构成的比值光谱指数(ratio spectral index,RSI)构建的线性模型为水稻叶片全氮含量的最优估测模型(检验R2为0.673,均方根误差为0.329,相对分析误差为2.02);无人机高光谱影像反演的水稻叶片全氮含量分布范围(1.28%~2.56%)与地面实际情况较相符(1.34%~2.49%)。研究结果可为区域尺度水稻氮素含量的空间反演及精准农业的高效实施提供科学和技术依据。     

利用相关矩阵法优化光谱指数的冬油菜氮素营养诊断

近年来高光谱技术由于无损和高效等优点成为了现代精准农业发展的必要手段方法。为实现冬油菜无损、快速的氮素盈亏诊断，该研究以连续两年(2022—2023年)不同覆盖及施氮处理下冬油菜蕾薹期采集的90份植物样品(地上部生物量和植株氮浓度)和高光谱实测数据为数据源，根据原始光谱和一阶微分(first-order differential,FD)光谱与氮营养指数(nitrogen nutrition index,NNI)的相关系数计算了8种(共16个)典型的光谱指数，随后利用相关矩阵法提取最佳光谱组合，并根据与NNI相关系数的计算结果筛选最优光谱指数，最后将最优光谱指数分为3组模型输入变量，分别采用支持向量机(support vector machine,SVM)、随机森林(random forest,RF)、极限学习机(extreme learning machine,ELM)和反向神经网络(back propagation neural network,BPNN)构建冬油菜蕾薹期NNI估算模型。结果表明一阶微分光谱指数与NNI的相关系数均大于原始光谱指数，3个组合选择的光谱指数与NNI的相关...     

基于GF-1卫星数据的冬小麦叶片氮含量遥感估算

以陕西关中地区大田和小区试验下的冬小麦为研究对象,探讨基于国产高分辨率卫星GF-1号多光谱数据的冬小麦叶片氮含量估算方法和空间分布格局。基于GF-1号光谱响应函数对地面实测冬小麦冠层高光谱进行重采样,获取GF-1号卫星可见光-近红外波段的模拟反射率,并构建光谱指数,利用与叶片氮含量在0.01水平下显著相关的8类光谱指数,分别建立叶片氮含量的一元线性、一元二次多项式和指数回归模型。通过光谱指数与叶片氮含量的敏感性分析,以及所建模型的综合对比分析,获取适合冬小麦叶片氮含量估算的最佳模型。结果表明:模拟卫星宽波段光谱反射率和卫星实测光谱反射率间的相关系数高于0.95,具有一致性;改进型的敏感性指数综合考虑了模型的稳定性、敏感性和变量的动态范围,敏感性分析表明比值植被指数对叶片氮含量的变化响应能力最强;综合模拟方程决定系数、模型敏感性分析、精度检验和遥感制图的结果,认为基于比值植被指数建立的叶片氮含量估算模型适用性最强,模拟结果与实际空间分布格局最为接近,为基于GF-1卫星数据的区域性小麦氮素营养监测提供了理论依据和技术支持。     

基于卫星光谱尺度反射率的冬小麦生物量估算

为探索基于光学卫星遥感数据的冬小麦地上生物量估算方法,本研究通过3年田间试验,获取冬小麦4个关键生育期（拔节期、抽穗期、开花期和灌浆期）和3种施氮水平下的地上生物量以及对应的近地冠层高光谱反射率数据。通过将高光谱数据重采样为具有红边波段的RapidEye、Sentinel-2和WorldView-2卫星波段反射率数据,构建任意两波段归一化植被指数。同时,将卫星波段反射率数据与6种机器学习和深度学习算法相结合,构建冬小麦生物量估算模型。研究结果表明：任意两波段构建的最佳植被指数在冬小麦开花期对生物量的敏感性最强（决定系数R2为0.50～0.56）。在不同施氮水平条件下,高施氮水平增强了植被指数对生物量的敏感性。Sentinel-2波段数据所构建的植被指数优于其他两颗卫星波段数据。对6种机器学习和深度学习算法,总的来说,基于深度神经网络（Deep Neural Networks,DNN）算法所构建的模型要优于其他算法。在单一生育期中,在拔节期（R2为0.69～0.78,归一化均方根误差为26%～31%）和开花期（R2为0.69～0.70,归一化均方根误差为24%～25%）的估算精度最高。Sentinel-2波段数据与DNN算法结合的估算精度最高,在全生育期中预测精度R2为0.70。施氮水平的提高同样增强了DNN模型的估算精度,3颗卫星波段数据在300 kg/hm2施氮条件下的预测精度R2都在0.71以上,均方根误差小于219 g/m2。研究结果揭示了光学卫星遥感数据在不同生育期和施氮条件下估算冬小麦生物量的潜力。     

不同生育时期冬小麦籽粒蛋白质含量的高光谱遥感监测模型

为研究不同氮磷水平下冬小麦籽粒蛋白质含量高光谱遥感监测模型,提高模型精度,本文通过连续5年定位试验研究不同氮磷耦合水平下,不同生育时期冬小麦冠层光谱反射率、植株氮含量以及成熟期籽粒蛋白质含量,以相关、回归等统计分析方法,建立基于不同生育时期植株氮含量的籽粒蛋白质含量监测模型;然后通过灰色关联度分析,筛选植株氮含量的最佳植被指数,以偏最小二乘回归法,建立基于植被指数的植株氮含量监测模型;最后以植株氮含量为链接点,按照"植被指数—植株氮含量—籽粒蛋白质含量"之间的联系,建立融合植被指数与植株氮含量的冬小麦成熟期籽粒蛋白质含量监测模型。结果表明:在拔节期、孕穗期、抽穗期、灌浆期、成熟期基于植株氮含量建立的成熟期籽粒蛋白质含量监测模型,具有较好的监测精度;拔节期、孕穗期、抽穗期、灌浆期、成熟期分别基于修正叶绿素吸收反射率指数(MCARI_1)、归一化差值叶绿素指数(NDCI)、修正归一化差异指数(mNDVI)、MCARI_1、NDCI植被指数建立植株氮含量监测模型,监测精度(R~2)分别为0.826、0.854、0.867、0.859和0.819;以植株氮含量为链接点,通过"植被指数—植株氮含量—籽粒蛋白质含量"的间接联系,建立基于拔节期、孕穗期、抽穗期、灌浆期、成熟期植被指数且融合植株氮含量的籽粒蛋白质含量监测模型,R~2分别为0.935、0.972、0.990、0.979和0.936;以独立数据对模型进行验证,模型预测值与实测值间相对误差(RE)分别为11.26%、10.74%、8.41%、10.25%和11.36%,均方根误差(RMSE)分别为2.221 g×kg~(-1)、1.825 g×kg~(-1)、1.214 g×kg~(-1)、1.767 g×kg~(-1)和2.137 g×kg~(-1)。说明基于不同生育时期植被指数链接植株氮含量可以对成熟期籽粒蛋白质含量进行有效监测,且模型具有较好的年度间重演性和品种间适应性。     

玉米氮营养指数的高光谱计算模型

快速、准确、动态地诊断大面积玉米氮营养状态对于评价玉米长势、预测产量和指导农业生产均具有重要的意义。该研究利用北京昌平、长春市西北市郊的四间房村2个试验区的玉米冠层高光谱数据演变得到的多种光谱参数,采用逐步回归分析方法,建立了玉米氮营养指数与高光谱参数的定量关系,提出了玉米氮营养指数的敏感光谱参数及预测方程。研究结果显示,红边/绿边比值参数、红边/近红外比值参数、红边敏感点参数与玉米氮营养指数高度相关,是诊断玉米氮营养指数的敏感光谱参数。通径分析得到红边/绿边比值参数、红边/近红外比值参数与玉米氮营养指数的通径系数分别为-0.14942和-0.35218,表明玉米氮营养指数对红边/绿边比值参数、红边/近红外比值参数有间接影响,红边敏感点参数与玉米氮营养指数的通径系数为1.41549,表明红边敏感点参数对玉米的氮营养指数高度敏感。基于敏感光谱参数的玉米氮营养指数多元回归预测模型的相关系数R为0.95507,观测值与拟合值的拟合误差小于0.1,均方根误差为0.06016,F值达到了167.727,显著水平P为0.0045。由此可以得出利用敏感光谱参数定量分析玉米氮营养指数是可行的。     

基于高光谱维数约简与植被指数估算冬小麦叶面积指数的比较

高光谱遥感反演LAI时,由于实际样本数远小于光谱维数,易导致基于全谱段建立的模型不稳定。针对该问题,该文提出将基于原始光谱反射率与LAI相关性和基于光谱曲线特征的2种波段选择方式分别与主成分回归(PCR)或偏最小二乘回归(PLSR)结合的高光谱维数约简方法,估算冬小麦LAI。并选择归一化植被指数(NDVI)、增强型植被指数(EVI)、重归一化植被指数(RDVI)、修正土壤调节植被指数(MSAVI)和三角形植被指数(TVI)5种代表性植被指数,利用2009、2010年实测大田冬小麦冠层高光谱和LAI数据,将提出的基于维数约简的方法与基于植被指数的LAI估算方法进行了比较,独立样本集验证结果和交叉验证结果均表明,提出的基于维数约简的方法比基于植被指数方法的估算精度高,在交叉验证结果中,基于维数约简的方法R2最高达到0.818,相应RMSE为0.685。该研究可为后续基于高光谱的LAI估算提供参考。     

基于无人机图像分割的冬小麦叶绿素与叶面积指数反演

叶绿素含量与叶面积指数是反映作物长势的重要理化参数,准确、高效定量估计小麦叶绿素含量与叶面积指数对于产量预测和田间管理决策具有重要意义,无人机(Unmanned Aerial Vehicle,UAV)遥感影像具有高空间分辨率的优势,被广泛应用于作物理化参数反演,但现有叶绿素含量与叶面积指数反演模型受土壤、阴影等背景噪声...     

基于高光谱的双季稻分蘖数监测模型

旨在阐明双季稻分蘖数与冠层反射高光谱间的定量关系,构建基于高光谱的双季稻分蘖数监测模型。基于不同早、晚稻品种和施氮水平的田间试验,于关键生育期(分蘖期、拔节期和孕穗期)测定早、晚稻分蘖数,同步使用FieldSpec HandHeld 2型高光谱仪采集早、晚稻冠层反射高光谱数据,分别利用光谱指数法和连续小波变换构建新型光谱指数和敏感小波特征对双季稻分蘖数进行监测,建立双季稻分蘖数光谱监测模型,并用独立试验数据进行检验。结果表明,新型光谱指数和敏感小波特征对双季稻分蘖数的监测效果优于其他类型光谱参数(植被指数和“三边”参数),其中位于红边区域的小波特征db7(s9,w735)监测早稻分蘖数时表现最优,监测模型R2为0.754,模型检验相对均方根误差RRMSE为0.128;位于红边区域的小波特征mexh(s6,w714)监测晚稻分蘖数时表现最优,监测模型R2为0.837,模型检验RRMSE为0.112。研究结果可为双季稻分蘖数快速无损监测和群体质量精确调控提供理论基础与技术支持。