菜油兼用型油菜籽粒油酸含量的高光谱模型构建

【目的】基于高光谱特征初步判别油菜摘薹情况,为实现高光谱反演籽粒油酸含量提供理论指导。【方法】使用FieldSpec 3地物光谱仪采集油菜盛花期叶片光谱数据,采用Agilent GC-MS 7980B气相色谱仪分析摘薹和未摘薹处理的籽粒油酸含量,比较2组处理的平均原始光谱反射率特征,及其油菜叶片原始及一阶微分光谱反射率与籽粒油酸含量相关性,在此基础上构建基于原始光谱特征波长的支持向量机（SVM）判别模型、基于光谱参数的油酸含量二项式模型、基于一阶微分光谱特征波长的油酸含量多元线性逐步回归（MLSR）及偏最小二乘回归（PLSR）预测模型,并利用独立样本T检验对模型精度进行验证。【结果】发现未摘薹及摘薹处理的平均原始光谱反射率曲线在760~1080nm波段存在一定差异。未摘薹及摘薹处理的原始光谱反射率与籽粒油酸含量相关性曲线存在一定差异,未摘薹处理的原始光谱反射率在484~956和1001~1146 nm波段与籽粒油酸含量呈正相关,摘薹处理的原始光谱反射率在1882~2111和2324~2499 nm波段与油菜籽粒油酸含量呈正相关,说明摘薹会影响油菜光谱反射率与籽粒油酸含量的相关性表现。选取位于760~1080 nm波段4个拐点波长（760、920、970和1080 nm）的原始光谱反射率作为自变量,用以构建SVM判别模型,经过多次随机取样比较构建所有SVM判别模型,发现最佳判别模型的训练集样本总体精度为86.1%,验证集样本总体精度为77.8%,说明利用高光谱技术判别油菜是否摘薹具有一定的可行性。光谱参数模型中RVI模型对未摘薹处理油菜籽粒油酸含量的反演效果最佳,且该模型与未摘薹处理籽粒油酸含量的相关系数（-0.705）最高。比较全部油菜籽粒油酸含量预测模型类型,PLSR模型对未摘薹处理籽粒油酸含量预测精度最高,其训练集R2=0.590、RMSE=0.610,MLSR模型对摘薹处理籽粒油酸含量预测精度最高,其训练集R2=0.773、RMSE=0.874。利用独立样本T检验对二者模型测试集样本进行验证,未摘薹样本P=0.839,摘薹样本P=0.858,二者样本实测值与预测值均无显著差异（P>0.05）,模型合理,说明利用高光谱技术对油菜籽粒油酸含量进行预测可行。【建议】引入随机森林等机器学习算法,更好地选取特征波长（显著相关波长或全波段等）,提高光谱数据对油菜籽粒油酸含量的预测能力。后期的试验应侧重于多品种油菜籽粒油酸含量估测研究,探索高光谱技术估测油菜籽粒油酸含量是否具备普遍的可行性。利用高光谱技术反演其他油菜籽粒品质指标,为高光谱遥感监测油菜品质提供理论依据。     

土壤游离氧化铁高光谱特征与定量反演

【目的】建立基于可见-近红外光谱的土壤游离铁精确预测模型,简单、快速、经济地预测土壤游离铁,有助于研究土壤发生和分类。【方法】采集广西壮族自治区的铁铝土、富铁土、淋溶土和雏形土等82个旱地土壤剖面的B层土壤,进行室内土壤化学分析、光谱测定,分析不同光谱变换后的光谱反射率与土壤游离铁含量的相关性。基于特征波段利用偏最小二乘回归(PLSR)和逐步多元线性回归(SMLR)法建立土壤游离铁含量光谱预测模型,通过决定系数(R2)、均方根误差(RMSE)和相对预测偏差(PRD)确定最优模型。【结果】土壤光谱曲线分别在457、800和900 nm波段附近有明显的游离铁吸收和反射峰特征;土壤游离铁含量与原始光谱反射率呈负相关;原始光谱经过微分变换后,游离铁含量与光谱反射率相关性显著提高;基于400～580和760～1 300 nm特征波段和一阶微分光谱变换的SMLR模型预测精度最高,其验证集的R2和RPD分别为0.85和2.62,RMSE为8.41 g·kg~(-1)。【结论】将可见近红外光谱技术应用于土壤游离铁含量高效快速地预测具有良好的可行性。广西旱地土壤光谱反射率与土壤游离铁含量具有高度的相关性,应用逐步多元线性回归方法可以很好地建立土壤游离铁含量反演模型。     

土壤有机质含量的高光谱特性及其反演

【目的】应用高光谱技术阐释土壤有机质光谱规律及对有机质在土壤中的含量进行定量分析，为土壤肥力测定和评价提供指导。【方法】利用ASD FieldSpec Pro地物光谱仪在自然环境条件下对不同有机质含量的土壤样本进行光谱测量。通过对获取的土壤样品高光谱反射率进行倒数、导数、对数和标准化比值变换，运用统计单相关方法进行分析。【结果】确定了511 nm波长为诊断土壤有机质含量的敏感波段，采用450～750 nm可见光波段反射率均值对507～516 nm敏感范围反射率均值进行标准化比值处理后获得的有机质诊断指数（OII）对土壤有机质含量的估算精度较高，它们存在着简单的线性相关关系。【结论】土壤有机质诊断指数（OII）反演模型为土壤肥力的快速测定提供了新的途径。     

鄱阳湖滨湖区耕地土壤重金属Cr含量高光谱估算研究

【目的】随着工业发展和城市化推进,土壤重金属不断富集,污染范围迅速扩大,及时精准掌握土壤重金属分布和含量至关重要。通过高光谱数据处理分析和估算方法优化,结合植被指数,增加特征因子数量,提高建模预测精度,为鄱阳湖滨湖区耕地土壤质量监测和农业生产提供技术支撑。【方法】以珠海一号高光谱遥感卫星影像和采样点土壤Cr含量检测数据为基础,对原始土壤反射光谱数据进行一阶微分（FD-R）、二阶微分（SDR）、对数(LogR)和对数一阶微分(LogR-FD)变换,分析土壤Cr含量与光谱变量及植被指数之间的相关性,从而确定土壤特征光谱组合;利用偏最小二乘回归模型（partial least square regression,PLSR）和支持向量机模型（support vector machine,SVM）进行土壤Cr含量的预测建模,对建模集和验证集进行模型精度和稳定性分析;根据模型精度对比分析,确定预测的最佳光谱变换、植被指数组合及预测模型。【结果】（1）土壤原始反射光谱、经FD-R、SD-R、LogR和LogR-FD变换后的反射光谱与Cr含量相关系数在b1-b18波段整体上高于b19-b32波段。经L...     

基于SVR 和PLSR 的土壤有机质高光谱估测模型研究

【目的】探讨高光谱遥感数据不同预处理及不同估测算法下土壤有机质估测模型的优劣,为提高土壤有机质估测精度奠定基础。【方法】使用高光谱仪在室内条件下对土壤样品进行光谱测量,对光谱数据进行4种去噪处理(无去噪处理、Savitzky-Golay(S-G)平滑滤波去噪、小波包去噪以及S-G平滑与小波包结合去噪),然后对去噪后的光谱数据进行8种数据变换(原始光谱数据R、倒数1/R、对数log(R)、倒数对数log(1/R)、一阶导数R′、倒数一阶导数(1/R)′、对数一阶导数(log(R))′、倒数对数一阶导数(log(1/R))′),接着对变化后的光谱数据进行3种降维处理(无降维处理、敏感波段降维和主成分分析降维),最后运用支持向量回归法和偏最小二乘回归法分别建立SOM含量估测模型。【结果】研究中所涉及的各种数据预处理和估测算法中,小波包去噪、PCA降维、反射率倒数一阶导数(1/R)′光谱数据变换处理条件下,使用PLSR方法的估测模型精度最高、模型最稳定,可以较精确地估测吉林省伊通县SOM含量。【结论】合适的数据预处理,尤其是小波包去噪和PCA降维相结合,可有效改善光谱数据质量,提高SOM含量估测模型精度及稳定性。     

基于CARS-PLSR算法的土壤有效磷高光谱反演研究

【目的】 剔除土壤高光谱中包含的大量冗余和无效信息,探明土壤有效磷（SAP）的敏感波段,简化SAP的高光谱估算模型并提高模型的预测精度。【方法】 文章以四川省崇州市西河流域110个土壤样本为研究对象,利用ASD Fieldspec3地物光谱仪在室内条件下测定350~2 500 nm波段范围的土壤高光谱数据。对光谱数据进行预处理后,采用连续投影算法（SPA）和竞争性自适应重加权算法（CARS）优选的波长变量作为建模参数,运用偏最小二乘回归（PLSR）方法建立模型并比较其精度。【结果】 结果表明,标准正态变换预处理方法是SAP的最佳土壤光谱数据预处理方法。基于标准正态变换后的光谱数据,CARS、SPA算法可将预测SAP的关键波段变量分别压缩至54和13个,CARS-PLSR模型与SPA-PLSR模型相比,相关系数由0.894提高到0.945,均方根误差由5.73降低到3.56。【结论】 土壤高光谱数据经标准正态变换后,采用CARS-PLSR算法可有效提高有效磷含量预测的鲁棒性。该结果可为高光谱数据快速反演土壤有效磷含量提供理论依据。     

基于人工神经网络的大豆叶面积高光谱反演研究

【目的】探索不同高光谱模型监测大豆叶面积指数LAI的精度。【方法】实测不同水肥耦合作用下，大豆冠层的高光谱反射率与叶面积指数（Leaf Area Index）数据，对二者进行相关分析；采用敏感波段(801nm,670nm)构建RVI, NDVI, SAVI, OSAVI 和MTVI2植被指数，建立大豆LAI估算模型；最后采用相关系数较大的波段作为神经网络模型的输入变量进行大豆LAI的估算。【结果】大豆LAI与光谱反射率在可见光波段呈负相关、近红外波段呈正相关、红边处相关系数由负变正；微分光谱在三边处与大豆LAI关系密切，在红边处取得最大回归确定性系数（R2 = 0.86）。植被指数可以较为精确反演大豆LAI，确定性系数R2>0.84。人工神经网络模型可以大大提高大豆LAI的估算水平，当隐藏层节点数为2时，R2为0.92，随着隐藏层节点数的增加，R2可高达0.96；在没有黄熟期数据干扰的情况下，神经网络可以进一步提高大豆LAI的反演精度，R2可高达0.99。【结论】与基于植被指数建立的模型相比，神经网络模型可以有效避免因LAI过高而出现的过饱和现象，大大提高了LAI的反演精度。     

黄土高原煤矿区复垦农田土壤有机质含量的高光谱预测

【目的】针对黄土高原丘陵地多、地形复杂、有机质含量低、采样困难以及因采煤活动引起大面积土地损毁等问题,在土地复垦与综合整治过程中,为快速定量监测与评估复垦农田土壤质量提供一种新的方法。【方法】以山西省襄垣县复垦农田土壤为研究对象,选取由北向南土地损毁中间条带状区域采集样品152个,进行室内土壤农化分析、光谱测定,运用ParLes 3.1软件对光谱曲线进行多元散射校正（multipication scatter correction,MSC）、基线偏移（baseline offset correction,BOC）和Savitzky-Golay filter平滑去噪预处理。对土壤原始光谱反射率（raw spectral reflectance,R）作一阶微分（first order differential reflectance,D（R））和倒数的对数变换（inverse-lg reflectance ,lg（1/R））,分析3种不同变换形式的光谱数据与土壤有机质含量的相关性,相关系数通过P=0.01水平显著性检验来确定显著性波段的范围。基于全波段（400-2400 nm）和显著性波段利用偏最小二乘回归（partial least squares regression,PLSR）分析方法建立该区域土壤有机质含量高光谱预测模型,通过模型精度评价指标：决定系数（coefficient of determination,R²）、均方根误差（root mean square error,RMSE）和相对预测偏差（residual prediction deviation,PRD）确定最优模型。【结果】通过P=0.01水平显著性检验的波段范围为：R的400-1 800、1880-2 400 nm;D（R）的420-790、1 020-1 040、2 150-2 200 nm;lg（1/R）的400-1 830、1 860-2 400 nm。光谱与有机质含量的相关系数绝对值最大的波段是R的800 nm;D（R）的600 nm;lg（1/R）的760 nm。进行D（R）变换,光谱曲线的吸收特征更加明显,相关系数在可见光（400-800 nm）波段范围内有所增加,其最大值由0.72提高到了0.82;基于显著性波段的PLSR建模效果优于全波段,其中lg（1/R）变换的预测精度为最佳,具有很好的预测能力,其校正模型的R²和RMSE分别为0.95、7.64,预测模型的R²、RMSE和RPD分别为0.85、3.00、2.56;基于全波段的R-PLSR和lg（1/R）-PLSR模型具有较好的预测能力,其预测模型的R²、RMSE和RPD分别为0.79、3.64、2.10和0.79、3.53、2.17,而D（R）-PLSR模型只能进行粗略估测,其预测模型的R²、RMSE和RPD分别为0.61、5.43、1.41。综合分析全波段和显著性波段3种光谱数据的预测精度,发现基于显著性波段的R-PLSR、D（R）-PLSR、lg（1/R）-PLSR模型均取得了显著的预测效果。【结论】研究区土壤光谱反射率与土壤有机质含量具有高度的相关性,应用偏最小二乘回归分析方法可以很好地建立土壤有机质含量反演模型。     

干旱区基于高光谱的棉花遥感估产研究

【目的】揭示棉花产量与冠层光谱植被指数相关关系,建立棉花高光谱估算模型,促进高光谱技术在棉花长势监测和估产中应用。【方法】结合棉花生长发育规律,对棉花各时期冠层进行高光谱反射率测定,根据光谱曲线特征构建高光谱植被指数,基于棉花盛蕾期至吐絮后期7次地面光谱和产量测定,对光谱反射率与产量进行统计分析。【结果】各生育期可见光波段、近红外波段及短波红外波段光谱反射率与产量间分别达显著负相关、显著正相关与显著负相关水平。根据棉花冠层光谱波形特征,利用植被红边波段560 nm反射峰、670 nm吸收谷、近红外波段890 nm反射峰、980 nm和1 210 nm两个弱水汽吸收谷、短波红外1 650 nm和2 200 nm反射峰,设计归一化差值光谱指数,并与棉花产量进行相关分析,利用上述波段组合定义的归一化差值光谱指数与产量在各生育期均达显著或极显著相关,而VARI_700抗大气植被指数在各生育期均达极显著相关。【结论】以VARI_700抗大气植被指数建立各生育期的产量预报模型,为实现棉花营养生长期长势监测与产量预报提供依据。     

基于高光谱成像估测冬小麦不同生育时期水分状况

【目的】研究实时、快速估测冬小麦不同生育时期水分状况并构建模型,为冬小麦水分精准管理提供科学依据。【方法】以新疆典型滴灌冬小麦为研究对象,应用高光谱成像技术获取冬小麦冠层光谱信息,并对原始光谱反射率进行平滑和数据变换,利用一元线性回归(Simple linear regression,SLR)、主成分回归(Principal components regression,PCR)和偏最小二乘回归(Partial least squares regression,PLSR)3种建模方法,对冬小麦冠层原始光谱及变换光谱分别构建植株水分含量估测模型。【结果】冬小麦冠层原始光谱反射率与植株水分含量相关性不高,对原始光谱反射率进行数据变换可以显著增强与水分含量的相关性和相关波段数,其中倒数一阶微分变换与冬小麦植株水分含量的相关系数最大,为-0.893 0,但不同变换最优相关系数所对应的波段位置并不固定。PLSR方法的模型精度最高,对数变换的PLSR模型估测精度最高,模型$R_{p}^{2}$、RMSE_p、RPD值分别为0.880 8、3.251 2%、2.934 3;冬小麦不同生育时期估测模型精度存在差异,拔节期、抽穗期估测模型精度较低,灌浆中期最高,其估测模型$R_{p}^{2}$、RMSE_p、RPD值分别为0.904 8、1.381 1%、3.454 7。【结论】利用高光谱成像技术对估测冬小麦植株水分含量是可行的,在灌浆中期的估测效果最佳。