基于分数阶微分和最优光谱指数的大豆叶面积指数估算

高光谱遥感技术可对作物生长状况进行无损、高效地监测,是推动现代精准农业发展的必要手段。以不同施氮水平与覆膜处理下的开花期大豆叶面积指数(Leaf area index, LAI)为研究对象,对原始开花期大豆高光谱反射率数据进行0～2阶微分变换处理(步长0.5),并筛选出各阶光谱指数中与开花期大豆LAI相关性最高的指数作为最优光谱指数进行输入,采用支持向量机(Support vector machine, SVM)、随机森林(Random forest, RF)、遗传算法优化的BP神经网络(BP neural network optimized by genetic algorithm, GA-BP)3种机器学习方法构建大豆LAI预测模型。结果表明：0～2阶光谱指数与大豆LAI相关系数平均值分别为0.616、0.657、0.666、0.669、0.658,相比于原始与整数阶高光谱反射率,分数阶微分变换处理后的高光谱反射率构建的光谱指数与开花期大豆LAI具有更强的相关性;相关系数平均值最高的1.5阶微分处理最优光谱指数波长组合分别为：TVI(687 nm, 754 nm)、DI(687 n...     

基于无人机高光谱分数阶微分的马铃薯地上生物量估算

以马铃薯为研究对象,利用无人机得到现蕾期、块茎形成期、块茎增长期、淀粉积累期和成熟期的高光谱数据,实测了地上生物量（Above ground biomass,AGB）数据。首先,利用成像高光谱影像提取每个生育期马铃薯冠层高光谱反射率数据;然后,利用分数阶微分计算高光谱0~2阶微分（间隔0.2）,将各阶微分下的光谱数据与地上生物量进行相关性分析,挑选出相关系数绝对值较大的前9个微分波段;最后,利用多元线性回归（Multiple linear regression,MLR）、随机森林（Random forest,RF）和人工神经网络（Artificial neural network,ANN）3种方法构建基于分数阶微分光谱的整体、不同品种、不同密度和不同施肥下的马铃薯AGB估算模型,并进行了对比。结果表明：各生育期相关系数绝对值最大值出现的阶数不同,现蕾期为0.8阶微分（470nm）;块茎形成期为1.8阶微分（710nm）;块茎增长期和淀粉积累期为1.6阶微分（718、722、766nm）;成熟期为1.0阶微分（622nm）。相较于整数阶微分,高光谱分数阶微分与AGB的相关性更高,分数阶微分可以提高马铃薯AGB的估算精度。分析了不同生育期整体、不同品种、不同密度和不同施肥下的马铃薯AGB估算模型,3种方法中以9个微分波段为因变量的AGB估算在块茎增长期表现效果最好,利用MLR方法得到的模型精度最高、稳定性最强,其次为RF模型,ANN模型表现效果最差。不同生育期利用3种方法构建的AGB估算模型精度由大到小依次为块茎增长期、块茎形成期、淀粉积累期、现蕾期、成熟期。     

基于分数阶微分的荒漠土壤铬含量高光谱检测

为解决高光谱检测土壤中痕量级重金属含量存在的困难,提高土壤重金属铬含量检测的准确度,利用新疆准东煤田周边168个荒漠土壤样本的重金属铬含量及其对应的高光谱数据,运用分数阶微分算法进行光谱数据预处理,最后利用全部波段进行偏最小二乘建模并进行可视化分析,旨在探讨分数阶微分预处理在高光谱数据估算荒漠土壤重金属铬含量的可能性。结果表明:原始光谱与吸光率变换的分数阶微分模型均在1.8阶微分处达到了最好的精度效果。吸光率变换1.8阶微分模型为最优模型,模型的校正均方根误差为7.68 mg/kg,R_c~2=0.83,预测均方根误差为8.39 mg/kg,R_p~2=0.78,相对分析误差为2.14。最后利用铬含量实测值与光谱预测值通过反距离加权法插值获得研究区土壤重金属铬含量的空间分布,说明利用该方法对土壤重金属铬含量定量检测并进行大尺度的空间分布反演在一定程度上是可行的,为荒漠土壤重金属污染状况的高光谱检测提供了一定的科学依据和技术支持。     

冬小麦不同叶位叶片的叶绿素含量高光谱估算模型

科学、高效地获取作物不同叶位叶绿素含量的垂直分布信息,可监测农作物长势状况并进行田间管理。基于冬小麦抽穗期获取的不同叶位叶片的高光谱反射率和叶绿素含量实测数据,将原始光谱、一阶微分光谱、二阶微分光谱、植被指数和连续小波系数与叶绿素含量进行相关性分析,筛选相关性较强的光谱特征参数,然后分别采用偏最小二乘回归、支持向量机、随机森林和反向传播神经网络4种机器学习算法构建冬小麦上1叶、上2叶、上3叶和上4叶的叶绿素含量估算模型,并根据精度评估结果筛选不同叶位叶绿素含量估算的最佳模型。结果表明,上1叶、上2叶和上3叶采用小波系数结合偏最小二乘回归构建的叶绿素含量估算模型精度最高,建模和验证R²分别为0.82和0.75、0.80和0.77、0.71和0.62;上4叶采用植被指数结合支持向量机构建的叶绿素含量估算模型效果最佳,建模和验证R²为0.74和0.79。研究结果可为基于遥感技术精准监测作物营养成分的垂直变化特征提供理论和技术支撑。     

冬小麦不同叶位叶片的叶绿素含量高光谱估算模型

科学、高效地获取作物不同叶位叶绿素含量的垂直分布信息,可监测农作物长势状况并进行田间管理。基于冬小麦抽穗期获取的不同叶位叶片的高光谱反射率和叶绿素含量实测数据,将原始光谱、一阶微分光谱、二阶微分光谱、植被指数和连续小波系数与叶绿素含量进行相关性分析,筛选相关性较强的光谱特征参数,然后分别采用偏最小二乘回归、支持向量机、随机森林和反向传播神经网络4种机器学习算法构建冬小麦上1叶、上2叶、上3叶和上4叶的叶绿素含量估算模型,并根据精度评估结果筛选不同叶位叶绿素含量估算的最佳模型。结果表明,上1叶、上2叶和上3叶采用小波系数结合偏最小二乘回归构建的叶绿素含量估算模型精度最高,建模和验证R2分别为0.82和0.75、0.80和0.77、0.71和0.62;上4叶采用植被指数结合支持向量机构建的叶绿素含量估算模型效果最佳,建模和验证R2为0.74和0.79。研究结果可为基于遥感技术精准监测作物营养成分的垂直变化特征提供理论和技术支撑。     

冬小麦叶绿素含量高光谱检测技术

以大田冬小麦叶绿素含量为研究对象,首先利用高光谱成像系统以线扫描方式获取其反射光谱图像,选择感兴趣区域(ROI)并计算出光谱平均反射率值;然后分别针对其原始光谱和一阶差分光谱,通过相关分析和逐步回归分析,得到能反映叶绿素含量变化的7个最佳优化波长;进而基于该优化波长采用多元线性回归(MLR)方法组建模型,通过假设检验剔除对模型贡献不显著的3个波长变量.选用剩余的4个波长即710.85、767.42、650和520 nm作为自变量重新建立模型,基于校正集和预测集模型的决定系数R2分别为0.843 4和0.709 3.研究结果表明,利用高光谱技术检测大田冬小麦叶绿素含量的方法是可行的.     

冬小麦叶绿素含量高光谱检测技术

以大田冬小麦叶绿素含量为研究对象,首先利用高光谱成像系统以线扫描方式获取其反射光谱图像,选择感兴趣区域（ROI）并计算出光谱平均反射率值;然后分别针对其原始光谱和一阶差分光谱,通过相关分析和逐步回归分析,得到能反映叶绿素含量变化的7个最佳优化波长;进而基于该优化波长采用多元线性回归（MLR）方法组建模型,通过假设检验剔除对模型贡献不显著的3个波长变量。选用剩余的4个波长即710.85、767.42、650和520nm作为自变量重新建立模型,基于校正集和预测集模型的决定系数R2分别为0.8434和0.7093。研究结果表明,利用高光谱技术检测大田冬小麦叶绿素含量的方法是可行的。     

基于平稳小波变换的冬小麦覆盖度高光谱监测

在2010与2011年度冬小麦生长季,通过大田小区试验,实测了冬小麦冠层的高光谱反射率与覆盖度。分析了不同覆盖度下的冬小麦冠层光谱特征以及不同生育期冬小麦冠层光谱反射率与覆盖度的相关性,建立了基于归一化植被指数(NDVI)与比值植被指数(RVI)、小波能量系数的不同生育期冬小麦覆盖度估算模型。结果表明:覆盖度越大,冬小麦光谱反射率在可见光波段越小,在近红外波段越大。在可见光波段,光谱反射率与覆盖度负相关,在"红边"处,由负相关变成正相关。在返青期、拔节期,NDVI估算效果好(R2为0.835 9、0.805 7);在抽穗期、灌浆期,RVI估算效果好(R2为0.803 1、0.829 4)。在返青期、拔节期、抽穗期、灌浆期,以高频、低频小波能量系数为自变量的冬小麦覆盖度估算模型的R2分别达到0.911 2、0.895 4、0.880 2、0.927 5。     

基于高光谱和PLS-LS-SVM的冬小麦叶绿素含量检测

定量测定小麦叶片叶绿素含量在小麦估产、农情监测等方面具有重要意义.本研究验证高光谱成像技术结合偏最小二乘-最小二乘支持向量机(PLS-LS-SVM)建模方法预测大田冬小麦叶绿素含量的可行性.首先利用所搭建高光谱成像系统以线扫描方式获取大田冬小麦叶片反射光谱,进而得到其立方体图像数据,并在小麦叶片光谱图像上选择感兴趣区域计算出光谱平均反射率值.为保证PLS-LS-SVM模型的鲁棒性和预测稳定性,首先通过PLS方法解决多重共线性问题并将输入变量维数减至4维,然后利用LS-SVM进行训练建模.所建叶绿素含量预测模型的决定系数达R2=0.8459,预测均方根误差RMSEV=0.4370.研究结果表明,基于高光谱成像系统,采用PLS-LS-SVM建立模型用来预测大田冬小麦叶绿素含量是完全可行的.     

基于双变量同化和交叉小波变换的冬小麦单产估测

为进一步提高陕西省关中平原冬小麦产量估测的精度,利用集合卡尔曼滤波算法(EnKF)将CERES-Wheat模型模拟的0～20 cm土壤含水率和叶面积指数(LAI)与遥感观测的条件植被温度指数(VTCI)和LAI进行同化,同时利用交叉小波变换分析冬小麦各生育时期同化VTCI和LAI与产量之间的共振周期,通过计算小波互相关度获得各生育时期同化VTCI和LAI的权重,进而构建基于加权VTCI和LAI的冬小麦单产估测模型。结果表明,在样点尺度,经过EnKF同化的VTCI和LAI能够综合表达模型模拟值和遥感观测值的变化趋势;在区域尺度,无论是否同化,经过交叉小波变换的各生育时期VTCI和LAI分别与产量之间存在特定的共振周期,同时发现,同化有助于对关键生育时期的特征提取;相较于未同化构建的估产模型,经过同化构建的估产模型的归一化均方根误差为13.23%,决定系数为0.50,平均相对误差为10.58%,精度略有提升,且估测产量的分布与统计产量的分布更为一致,因此认为将同化与交叉小波相结合构建的双变量单产估测模型精度更高,可为进一步实现高精度的区域产量估测提供研究基础。     

基于正交变换与SPXY样本划分的冬小麦叶绿素诊断

冬小麦叶绿素含量的准确预测,可为冬小麦田间精细化管理提供依据。采集冬小麦冠层400~900nm范围反射光谱,经一阶微分预处理后,为了抑制由于连续波长自变量多重共线性对叶绿素含量诊断模型的干扰,利用Gram-Schmidt正交变换算法初步提取叶绿素敏感波长特征参数为848、620、677nm。在定量模型的建立过程中,对比了传统随机样本集划分与以空间中样本间距离远近为指导的SPXY样本集划分方法,并讨论了大田冠层反射光谱对叶绿素浓度诊断的最优精度,研究结果表明,以620nm和677nm两个敏感波长结合SPXY样本划分方法建立的多元线性回归模型预测精度较高,且叶绿素质量浓度为0.3mg/L分辨间隔时,建模决定系数和验证决定系数分别达0.730和0.739,可为无损检测冬小麦拔节期叶绿素含量提供技术支持。     

基于小波技术的冬小麦植株组分含水率估测模型

为研究光谱对冬小麦植株组分含水率的估测能力,分析小波技术对光谱信息的分离规律,以冬小麦冠层光谱数据与相应的冬小麦植株叶片、茎秆、麦穗含水率的测定值为数据源,先采用小波技术分离冬小麦冠层光谱信息,再将分离的光谱信息与冬小麦各植株组分的含水率进行相关性分析,并提取敏感波段;最后利用偏最小二乘算法构建冬小麦植株组分含水率的估测模型,并进行了验证与评价。研究表明:经小波技术分解后,冬小麦冠层光谱内的吸收特征逐分解水平分离至高频信息内,且各分解水平所代表的吸收特征按强度依次分布于高频信息的分解水平H1～H10内;冬小麦麦穗含水率估测模型的精度与稳定性较强,茎秆次之,叶片稳定性最差,说明扬花期后的冬小麦水分供给已不再适合只采用叶片含水率进行评定,应增加或替换检测指标。     

冬小麦叶绿素含量空间分布成图方法与精度分析

作物叶绿素含量能够反映作物的生长情况,建立大田叶绿素空间分布模型能够直观地表现田间作物长势情况,为开发车载式作物长势空间分布分析系统提供技术支撑,进行了基于地统计学的冬小麦叶绿素含量空间分布成图方法及精度分析。首先,采集了67个样区中心点叶绿素含量和GPS信息,基于地统计学理论讨论了利用稀疏样本点数据建立高精度空间分布图的可行性。随机划分建模集和验证集,基于建模样本分别使用反距离插值法（IDW）和普通克里金插值法（OK）绘制了冬小麦叶绿素含量田间分布图,然后对验证集数据进行分析,比较了2种方法的检测精度,并讨论了实验过程中可能存在的误差源。2种插值方法拟合的预测数据与验证数据均存在正相关关系,基于IDW插值与验证数据相关系数为0.722,协方差为1.361;基于OK插值与验证集数据相关系数为0.517,协方差为0.798。结果表明,IDW插值分析方法更适用于采样点分布不均且距离较近的稀疏样本点空间分布成图。     

基于遥感多参数和IPSO-WNN的冬小麦单产估测

冬小麦是我国的主要粮食作物之一。为进一步准确地估测冬小麦产量,以陕西省关中平原为研究区域,选取冬小麦主要生育期与水分胁迫和光合作用等密切相关的条件植被温度指数（VTCI）、叶面积指数（LAI）和光合有效辐射吸收比率（FPAR）作为遥感特征参数,采用改进的粒子群算法优化小波神经网络（IPSO-WNN）以改善梯度下降方法易陷入局部最优的缺陷,并构建冬小麦产量估测模型。结果表明,IPSO-WNN模型的决定系数R2为0.66,平均绝对百分比误差（MAPE）为7.59%,相比于BPNN（R2=0.46,MAPE为11.80%）与WNN（R2=0.52,MAPE为9.80%）,IPSO-WNN能够进一步提高模型的精度、增强模型的鲁棒性。采用灵敏度分析的方法探究对冬小麦产量影响较大的输入参数,结果发现,抽穗-灌浆期的FPAR对冬小麦产量影响最大,其次拔节期的VTCI、抽穗-灌浆期和乳熟期的LAI以及返青期和拔节期的FPAR对冬小麦产量的影响较大。通过IPSO-WNN输出获取冬小麦综合监测指数I,构建I与统计单产之间的估产模型以估测关中平原冬小麦单产,结果显示,估测单产与统计单产之间的R2为0.63,均方根误差（RMSE）为505.50kg/hm2,相比于前人的研究较好地解决了估产模型存在的“低产高估”的问题,因此,本文基于IPSO-WNN构建的估产模型能够较准确地估测关中平原冬小麦产量。     

基于IBAS-BP算法的冬小麦根系土壤含水率预测模型

为在节水灌溉系统中精确测量和预测根系土壤含水率,将传统天牛须算法每次迭代过程中的一只天牛改进为一个天牛种群,建立了基于改进天牛须搜索算法优化的IBAS-BP预测模型,并利用实测浅层土壤含水率数据,对深度50 cm冬小麦根系土壤含水率进行预测.结果 表明,与PSO-BP预测模型、GA-BP预测模型以及原始BAS-BP模型...     

基于双参数和Morlet多时间尺度特性的冬小麦单产估测

为进一步研究冬小麦在不同时间尺度下长势及产量变化情况,以陕西省关中平原为研究区域,选择与作物长势密切相关的条件植被温度指数（VTCI）和叶面积指数（LAI）作为研究指数,Morlet小波作为函数,利用小波变换和交叉小波变换分别分析不同时间尺度下冬小麦各生育时期VTCI和LAI与单产时间序列间的主振荡周期和共振周期。通过计算小波互相关度,确定各生育时期VTCI和LAI的权重,从而分别构建基于加权VTCI、加权LAI的单参数和双参数估产模型。结果表明,不同生育时期VTCI和LAI与单产间存在不同的主振荡周期和共振周期;通过小波变换构建的基于加权VTCI、加权LAI单产估测模型的归一化均方根误差（NRMSE）分别为16.88%、13.58%,决定系数（R2）分别为0.259、0.520,基于双参数的估产模型NRMSE为13.52%, R2为0.531,表明基于双参数估产模型精度更高。通过交叉小波变换构建的基于加权VTCI、加权LAI单产估测模型的NRMSE分别为16.83%、13.56%,R2分别为0.263、0.522,基于双参数的估产模型NRMSE为13.40%,R2为0.533,表明基于交叉小波构建的估产模型比基于小波变换的估产模型精度均有所提高。利用共振周期构建的双参数估产模型对关中平原2011—2018年冬小麦的单产进行估测,结果显示,产量分布呈现西部高东部低的空间分布特征。     

基于小波能量系数和叶面积指数的冬小麦生物量估算

生物量是评价作物长势及产量估算的重要指标,科学、快速、准确地获取生物量信息,对于监测冬小麦生长状况以及产量预测等具有重要意义。以冬小麦为研究对象,通过相关性分析,选取相关性较好的小波能量系数,同时耦合叶面积指数,基于支持向量回归算法、随机森林算法、高斯过程回归3种算法构建冬小麦生物量估算模型。结果显示,基于小波能量系数,分别利用支持向量回归算法、随机森林算法、高斯过程回归进行生物量估算,4个生育期的验证R2分别是0.55、0.40、0.39;0.75、0.70、0.83;0.84、0.92、0.93;0.84、0.89、0.85。表明高斯过程回归模型估算精度最优。叶面积指数耦合小波能量系数,利用支持向量回归算法、随机森林回归算法、高斯过程回归进行生物量估算,4个生育期的验证R2分别是0.76、0.73、0.77;0.76、0.72、0.84;0.87、0.94、0.94;0.85、0.90、0.91。表明高斯过程回归算法估算精度最优,并且在一定程度上能够克服冠层光谱饱和现象,提高模型估算精度。以小波能量系数和叶面积指数为输入变量结合高斯过程回归算法建立冬小麦生物量估算模型,可以提高生物量估算精度,为基于遥感技术的作物参数快速估算提供参考。     

基于连续统去除法的冬小麦叶片全氮含量估算

以陕西省关中地区冬小麦小区试验为基础,获取不同生育期冬小麦的冠层高光谱数据,提取其连续统去除光谱和7类吸收特征参数,对比原始冠层光谱和连续统去除光谱对叶片氮含量的响应,分析连续统去除光谱吸收特征参数对叶片氮含量的估算能力。结果表明:连续统去除光谱在721~727 nm波段与叶片氮含量呈极显著负相关,相关系数为-0.851;吸收特征参数增强了对叶片氮含量的估算能力,400~550 nm波段吸收特征参数与叶片氮含量的相关性弱于550~770 nm波段;叶片氮含量与550~770 nm和400~770 nm的吸收峰总面积、吸收峰左面积以及吸收峰右面积呈显著正相关,与面积归一化最大吸收深度呈显著负相关,且相关系数绝对值均在0.8以上;550~770 nm波段的吸收峰总面积建立的叶片氮含量指数估算模型精度最高,R2达到0.82,模型检验结果稳定,可用来定量估算冬小麦叶片氮素含量水平。