土壤有机质含量高光谱估测模型构建及精度对比

土壤有机质含量对作物的生长发育有着显著影响。为实现对苹果果园土壤有机质含量快速、实时估测,本研究以山东省烟台市栖霞市苹果园为研究区,采集100个土壤样本,利用ASD FieldSpec3便携式地物光谱仪获取其高光谱反射率,利用定量化学方法测定土壤有机质含量。采用移动平均法对高光谱数据进行预处理,分析果园土壤的反射光谱特征,研究光谱反射率与其有机质含量的相关关系,筛选土壤有机质含量的敏感波长并构建光谱指数后,分别建立多元线性回归模型（MLR）、支持向量机（SVM）和随机森林（RF）模型,并对模型精度进行验证比较。结果表明,筛选出的土壤有机质含量的敏感波长为678、709、1931、1939、1996和2201 nm。用筛选出的波长构建光谱参数,最终构建的光谱指数分别为NDSI_{（678,709）}、NDSI_{（678,1931）}、NDSI_{（678,2201）}、NDSI_{（709,1939）}和NDSI_{（1939,2201）}。建立的MLR、SVM和RF回归模型中,以RF模型精度最优,其校正样本集R²为0.8804,RMSE为0.1423,RPD达到2.25;验证模型的R²为0.7466,RMSE为0.1266,RPD为1.79,建立的RF定量模型反演苹果果园土壤有机质含量效果较好。因此,可以利用RF方法快速预测苹果果园土壤有机质含量,了解土壤养分分布状况,指导农民合理施肥,从而提高果园生产管理效率。     

基于多光谱图像的土壤有机质含量检测系统与APP研究

受到土壤种类、水分等客观因素的干扰,基于图像预测土壤有机质(Soil organic matter, SOM)含量与传统方法在检测精度上仍存在差距,限制了相关技术的推广和普及。为提升基于图像预测SOM含量的精度,本研究提出N＿DenseNet网络模型,在DenseNet169基础上加入多尺度池化模块,通过获取更多的维度特征提升模型的性能,并结合Android端开发SOM实时检测应用程序(APP),通过内网透射实现PC端与手机端数据的及时传输。以黑龙江省友谊县、北京市昌平区、山东省泰安市3地的350份土样为基础,通过手机以及多光谱无人机获取原位土壤的高清图像,R波段、红边波段与近红外波段图像,以丰富数据信息,并通过室内胁迫的方式拍摄土壤样品在不同水分梯度下的图像缓解水分对图像造成的影响。对比不同深度学习模型,基于多光谱图像数据训练的N＿DenseNet表现最好,整体表现优于DenseNet169,测试集R²为0.833,RMSE为3.943 g/kg,R²相比于可见光数据提升0.016,证明了训练过程加入R波段与红边和近红外波段图像后有助于提升...     

基于遗传算法近红外光谱检测土壤养分的研究

利用可见/短波近红外光谱(Vis/SW-NIRS)分析测量土壤速效氮(N)和速效钾(K)。探讨遗传算法在分析测量土壤养分上的应用,根据优化结果采用最小二乘支持向量机(LS-SVM)方法建立校正模型。结果表明,LS-SVM模型优于PLS模型;GA-LS-SVM模型预测速效氮的精度较高。基于遗传算法可见/短波近红外光谱利用LS-SVM建模,可以作为一种土壤理化性质的测定方法。     

近红外漫反射光谱检测土壤有机质和速效N的研究

利用近红外漫反射光谱检测技术对土壤有机质和速效N含量进行了相关研究。通过自行设计的NIR光谱系统测定了150个土壤样品有机质和速效N。126个土壤样品用来建立校正集模型,其余24个用来验证模型的性能。采集完整土壤样品的近红外漫反射光谱,原始光谱经移动窗口平滑处理、SNV和一阶微分预处理后,分别采用最小二乘支持向量机(LS-SVM)和偏最小二乘法(PLS),建立土壤有机质和速效N含量的定量预测数学模型。结果表明采用一阶微分结合最小二乘支持向量机(LS-SVM)所建模型的预测效果较好,土壤有机质和速效N含量定量预测数学模型的决定系数分别为0.8255和0.8015,均方根误差分别为2.84和16.80。近红外漫反射光谱作为一种检测方法,可用于评价土壤有机质和速效N含量。     

基于无人机多光谱遥感的棉花生长参数和产量估算

及时准确地监测棉花长势和产量是精准农业栽培管理的关键。无人机(UAV)平台能够快速获取高时空分辨率的遥感数据,在作物生长参数和产量估算方面显示出巨大的潜力。以山东省滨州市棉花为研究对象,利用安装在无人机上的多光谱相机获取遥感影像,分别提取各波段反射率,筛选出8种植被指数,采用多元线性回归(MLR)、随机森林(RF)、人工神经网络(BPNN)3种方法分别构建棉花的株高、叶绿素相对含量、单株产量的估计模型并进行验证。结果表明,基于BPNN的预测模型精度明显优于MLR和RF模型,盛花期与成熟期棉花株高估计模型验证集的R²分别为0.842和0.670;叶绿素相对含量估算模型验证集的R²分别为0.725和0.765;产量估算模型验证集的R²分别为0.860和0.846。为无人机遥感在作物生长参数与产量估算领域中的应用提供理论依据,为进一步优化农业生产管理、科学决策提供参考。     

基于岭回归的土壤全氮含量反演模型

全氮含量是土壤肥力的核心指标之一,快速、准确测定耕层土壤全氮含量对农业生产具有重要意义.以南京市江宁区典型水稻田为研究对象,采用棋盘式布点法选取了60个点位,每个点位均在0~30 cm表土层进行取样,利用大疆精灵4多光谱无人机同时获取了土壤样本分别在5个波段(450,560,650,730,840 nm)的光谱反射率,通过土壤全氮含量与光谱反射率多元线性分析,揭示了光谱反射率数据特有的多重共线性问题,构建了基于岭回归的无人机遥感影像反演土壤全氮含量预测模型.计算结果表明,岭回归系数取0.12时,其回归R²达到了0.408,方差膨胀因子均在10以下,且回归系数具有统计学意义.基于岭回归的反演模型可以较好兼顾反演精度与光谱数据多重共线性问题.研究成果可为无人机遥感土壤氮素营养诊断提供理论依据.     

基于无人机多光谱遥感的夏玉米叶面积指数估算方法

无人机多光谱遥感技术可以快速、无损地监测农作物叶面积指数（LAI）。为研究水分胁迫条件下,利用无人机多光谱植被指数估算夏玉米LAI的可行性,本研究基于无人机多光谱遥感系统,结合同时期实地采集的夏玉米LAI,选择5种植被指数,包括归一化差值植被指数（NDVI）、土壤调节植被指数（SAVI）、增强型植被指数（EVI）、绿度归一化植被指数（GNDVI）和抗大气指数（VARI）,作为模型输入参数,使用随机森林回归算法建立全生育期不同灌溉条件下大田玉米冠层植被指数与LAI之间的关系模型,并与一元线性回归和多元线性回归算法建立的模型进行对比分析。结果表明,在充分灌溉条件下,植被指数的多元线性回归模型可以较好地估算LAI（R² = 0.83）;在水分胁迫条件下,植被指数的随机森林回归模型可以较好地估算LAI（R² = 0.74~0.87）,水分胁迫因素对该模型影响较小,且NDVI和VARI对估算LAI的贡献最大。上述结果表明基于无人机多光谱遥感技术,使用随机森林回归算法估算多种灌溉条件下的夏玉米LAI是可行的。该研究为实现快速、准确地监测全生育期不同灌溉条件下的大田夏玉米LAI提供了技术和方法支持。     

玉米冠层叶片氮素营养估测研究——基于近地多光谱图像

运用图像处理技术对不同氮营养成分下玉米冠层叶片的近地CCD多光谱图像进行分析,建立玉米叶片氮素营养含量的快速、非破坏性估测模型。实验基于红通道和近红外通道的CCD图像,通过图像切割提取两个通道的主叶片区域的平均灰度值和叶片周围的土壤平均灰度值,根据土壤平均灰度值比值来调整叶片的近红外平均灰度值,计算玉米叶片的基于灰度的植被指数,建立了氮素营养含量和两个通道的图像灰度以及灰度植被指数间的经验线性模型。经过多元线性回归分析后,两者间的相关系数R可以达到0.704。由此实现了对玉米冠层氮营养含量的快速估测。     

基于支持向量机的有机肥总养分含量NIRS分析

以我国22个省市的120份畜禽粪便为原料的有机肥产品样品为研究对象,利用近红外漫反射光谱法与支持向量机相结合建立了有机肥产品中总养分含量的快速测定模型,并与偏最小二乘法所建模型作了比较.利用偏最小二乘回归法所建立的基于原始样品和干燥粉碎样品的总养分含量近红外模型验证决定系数R_v~2、预测标准差SEP和验证相对分析误差RPD分别为0.96、7.95 g/kg、2.47和0.93、8.02 g/kg、3.58.利用支持向量机回归法所建立的干燥粉碎样品中总养分含量的近红外模型验证决定系数R_v~2、预测标准差SEP和验证相对分析误差RPD分别为0.93、7.38 g/kg和3.88.结果表明,近红外漫反射光谱法可以快速测定畜禽粪便为原料的有机肥产品中总养分含量,与偏最小二乘法相比,支持向量机所建模型具有更高的预测精度.     

基于无人机多光谱遥感的大豆生长参数和产量估算

为适应现代农业发展对作物生长动态、连续、快速监测的要求，本文基于无人机多光谱遥感技术，以西北地区大豆作为研究对象，分别筛选出与大豆叶面积指数(Leaf area index, LAI)、地上部生物量和产量相关性较好的5个植被指数，采用支持向量机(Support vector machine, SVM)、随机森林(Random forest, RF)和反向神经网络(Back propagation neural network, BPNN)分别构建了大豆LAI、地上部生物量和产量的估计模型，并对模型进行了验证。结果表明，基于RF模型构建的大豆LAI和地上部生物量预测模型的精度显著高于SVM与BP模型，LAI估计模型验证集的R²为0.801,RMSE为0.675 m²/m²,MRE为18.684%;地上部生物量估算模型验证集的R²为0.745,RMSE为1 548.140 kg/hm²,MRE为18.770。而在产量的估算模型构建中，在大豆开花期(R4)基于RF模型构建的大豆产量预...     

基于校正WOFOST模型的枣树生长模拟与水分利用评价

为实现定量化分析温、光和水资源对果树生长的影响,本研究以成龄骏枣树为研究对象,提出了基于校正WOFOST模型的枣树生长和水分运移模拟方法.利用2016和2017年的田间试验观测数据,重点校正WOFOST模型的物候学发育、初始化、绿叶、CO2同化、干物质分配、呼吸作用和水分利用参数.在田间尺度,完成总地上生物量(TAGP...     

Evaluation of fertigation scheduling for sugarcane using a vadose zone flow and transport model

Micro-irrigation has become an optimal means for providing water and nutrients to crops. There is an ample space for improving fertilizer use efficiency with micro-irrigation, if the movement and reactions of fertilizers in the soil are well understood. However, the rhizosphere dynamics of nutrients is very complex, depending on many factors such as soil temperature, pH, water content, and soil and plant characteristics. Many factors cannot be easily accurately quantified. However, using state-of-the-art modelling techniques, useful and reliable information can be derived.An attempt was made to evaluate the reactive transport of urea in the root zone of a sugarcane crop under drip irrigation, and to quantify the fluxes of urea, ammonium, and nitrate into the crop roots, volatilization fluxes, and deep drainage using a numerical model. This quantification helped in designing an optimal fertigation schedule. Various parameters used in the model were taken from either the literature or the field study. A typical scenario, based on the recommended total quantity of urea for sugar cane crop under drip irrigation in India, was tested using HYDRUS-2D. The total amount of urea was divided into fortnightly doses, depending on the stage of crop growth. For this scenario, the modelled crop uptake was found to be 30% higher than the crop demand. Consequently, an optimal fertigation schedule was developed that reduced the use of urea by 30% while at the same time providing enough N for its assimilation at all stages of crop growth. This type of modelling study should be used before planning field experiments for designing optimal fertigation schedules.     

Postharvest residual soil nutrients and yield of spring wheat under water deficit in arid northwest China

In areas where two crops are grown per year or three crops every 2 years, the status of residual soil nutrients after the harvest of the first crop is critical to the crop to be grown immediately after, while the postharvest soil nutrient status can be influenced by irrigation applied to the test crop. This study determined the effect of various soil water treatments applied to the test crop on the status of postharvest residual soil nutrient pools in an arid environment. Spring wheat (Triticum aestivum L.) was grown as test crop under conditions of full- (as control), high-, moderate-, and low-water conditions during jointing, booting-heading, and grain filling stages, in 2003 and 2004. Compared to the control, grain yield and water use efficiency (WUE) were significantly increased by subjecting the wheat crop to moderate-water conditions during various growth stages, and low-water conditions at jointing stage in both years. Soil C at harvest decreased linearly with increased grain yield of the test crop. Moderate- to high-water conditions during jointing stage resulted in 12-24% greater soil C in the top 40 cm depth in 2003, with a marginal difference in 2004. Water treatments impacted the status of residual soil nutrients in 2003; soil total N and available soil P in the top 40 cm depth were significantly higher in low- to moderate-water treatments compared to the control, while in 2004 significantly higher total N and P, available N, P and K were found only in the top 20 cm depth. Increased yield of wheat test crop with moderate-water resulted in increased postharvest residual soil nutrients, whereas the ratios of C/N, C/P, and C/K were largely influenced by years and were less related to water treatments. We conclude that the determination of postharvest soil C and nutrient elements may provide useful information in monitoring potential changes of soil nutrient status over time in the intensified cropping systems, and that the recommendation of fertilization for the crop to be grown immediately following the first crop can be established by simply analyzing the productivity of the first crop without intensive measurements of soil nutrients.     

海南岛橡胶林叶面积指数遥感估算模型比较研究

叶面积指数(LAI)是描述植被生长状况和冠层结构的一个重要参数,快速获取大面积植被与作物LAI对于生态系统科学研究、农林业生产指导具有十分重要的理论和实践意义.本研究选取海南岛典型热带作物——橡胶树为研究对象,构建基于卫星遥感植被指数的橡胶林LAI估算模型并分析其变化规律.结果表明,相较于归一化植被指数(NDVI)、绿...     

不同生育阶段土壤水分和养分空间变异与冬小麦产量关系的研究

以江苏省姜堰市沈高农场为例,分析了冬小麦生育期内土壤水分和养分产量的空间变异性,主成分-逐步回归的适当组合,能较为满意地降低土壤特性与产量关系分析中多重共线性的干扰,分析结果表明,土壤水分属弱变异性,养分属程度不同的中等变异性;所测土壤特性与产量关系的亲疏大致为:有机质和全氮量最密切,其次是速效氮,再次是速效钾,接下来是土壤水分和速效磷。     

基于数字化植物表型平台（D3P）的田间小麦冠层光截获算法开发

冠层光截获能力是反映作物品种间差异的重要功能性状，高通量表型冠层光截获对提高作物改良效率具有重要意义。本研究以小麦为研究目标，利用数字化植物表型平台（D3P）模拟生成了100种冠层结构不同的小麦品种在5个生育期的三维冠层场景，记录了从原始冠层结构中提取的绿色叶面积指数（GAI）、平均倾角（AIA）和散射光截获率（FIPAR_dif）信息作为真实值,进一步利用上述三维小麦场景开展了虚拟的激光雷达（LiDAR）模拟实验，生成了对应的三维点云数据。基于模拟的点云数据提取了其高度分位数特征（H）和绿色分数特征（GF）。最后，利用人工神经网络（ANN）算法分别构建了从不同LiDAR点云特征（H、GF和H+GF）输入到FIPAR_dif、GAI和AIA的反演模型。结果表明，对于GAI、AIA和FIPAR_dif，预测精度从高到低对应的点云特征输入为GF+H > H > GF。由此可见，H特征对提高目标表型特性的估算精度起到了重要作用。输入GF + H特征，在中等测量噪音（10%）情况下，FIPAR_dif和GAI的估算均获得了满意精度，R²分别为0.95和0.98，而AIA的估算精度（R²=0.20）还有待进一步提升。本研究基于D3P模拟数据开展，算法的实际表现还有待通过田间数据进一步验证。尽管如此，本研究验证了D3P协助表型算法开发的能力，展示了高通量LiDAR数据在估算田间冠层光截获和冠层结构方面的较高潜力。     

基于遥感与气象数据的冬小麦主产区籽粒蛋白质含量预报

开展小麦籽粒蛋白质含量的监测预报研究对于指导农户调优栽培、企业分类收储、期货小麦价格、进口政策调整等具有重要意义.本研究以冬小麦主产区(河南省、山东省、河北省、安徽省和江苏省)为研究区域,构建了冬小麦籽粒蛋白质含量多层线性预测模型,并实现了2019年冬小麦蛋白质含量预报.为了解决预测模型在年际扩展和空间扩展存在偏差的问...     

基于近红外光谱信息的土壤电导率预测模型研究

利用土壤含水率与近红外光谱土壤反射率和土壤电导率三者之间的关系,以土壤含水率为中间变量,间接表达土壤光谱反射率和土壤电导率之间的关系。土壤含水率与土壤光谱反射率存在指数关系,土壤含水率与土壤电导率存在线性关系,消除中间变量（土壤含水率）,得到土壤光谱反射率和土壤电导率之间的关系。以土壤水分敏感波段1450nm作为研究对象,研究土壤电导率的预测模型,分别建立指数预测模型和对数预测模型,并分别对两种模型进行验证。本文实验建模集样本72个,验证集样本48个,土壤电导率对数预测模型R2达0.80,土壤电导率指数预测模型R2达0.85,预测效果均可满足农田电导率估算,但对数模型在土壤电导率较低区间预测效果不理想,因此土壤电导率指数预测模型预测效果优于对数模型的预测效果。研究结果表明,土壤光谱反射率预测土壤电导率的方案可行,并为光谱信息预测土壤电导率提供了新思路。