土壤全氮的无人机高光谱响应特征及估测模型构建

为更好地体现出光谱与土壤全氮（soil totalnitrogen,STN）含量之间的响应关系,实现以高光谱快速估测土壤全氮含量,该研究以无人机搭载高光谱传感器获取农田土壤高光谱影像,提取光谱反射率并进行数学变换,基于灰色关联度和皮尔逊相关系数提取各光谱中土壤全氮含量的敏感波段,基于敏感波段采用偏最小二乘回归（partialleastsquares regression,PLSR）、岭回归（ridge regression,RR）和随机森林（random forest,RF）构建土壤全氮的高光谱反演模型,筛选出最优模型并对研究区土壤全氮含量进行反演制图。结果表明：1）反射率的倒数光谱中的敏感波段（996～1 003 nm）集中在近红外长波范围内,反射率的一阶微分（first derivative of reflectance,FDR）光谱中的敏感波段（398～459、469和472～1 003 nm）和反射率对数的一阶微分光谱中的敏感波段（398～459、463～973和978～1 003 nm）在可见光和近红外范围内都有分布,反射率的一阶微分光谱中的敏感波段（615～625、632和...     

黑土土壤中全氮含量的高光谱预测分析

为实现快速、准确估测土壤氮素含量水平,推动土壤信息化管理进程,该研究利用ASD2500高光谱仪在室内条件下测定了风干土壤样品的可见—近红外光谱。结果表明,通过不同的变换,光谱反射率对数的一阶导数与土壤全氮含量相关性得到增强,以400～600 nm波段范围内相关性最好。该文确定了以反射率对数的一阶导数光谱预测黑土全氮（TN）含量的最佳回归模型,模型所用的波段为可见光波段的556 nm、近红外的1 642和2 491 nm。同时,也确定了利用由可见光波段550和450 nm组成的归一化光谱指数预测黑土TN含量的最佳预测模型。模型通过验证达到较好的效果：利用反射率对数的一阶导数、归一化光谱指数对土壤TN的预测R2分别为0.863、0.829,均方根误差RMSE分别为0.122、0.152。     

基于高光谱特征的土壤有机质含量估测研究

在室内条件下,利用ASD2500高光谱仪测定了潮土和水稻土自然风干土壤样品的光谱。通过系统分析两种不同类型土壤的高光谱特征差异及其有机质含量的敏感波段区位,建立了土壤有机质含量的光谱估测模型。结果表明,具有相同有机质含量的两种类型土壤整体光谱变化趋势无明显差别,但反射率表现出明显差异,一阶导数变换能较好地显现谱图中的肩峰。潮土和水稻土有机质的敏感波段集中在相同区域,原始反射率在685 nm处相关性最高,而一阶导数光谱在554 nm处相关性最高。通过对整体样本的多元逐步回归分析,筛选出两种土壤有机质相同的敏感波段为800 nm、1 398 nm和546 nm。进一步以一阶导数为自变量,基于1 400nm和554 nm两个波段构建了土壤有机质差值指数SOMDI及估测模型,即Y=4.19 12.85×(R_FD554 R_FD1 400)。利用独立的样本对建立的光谱模型进行了检验,预测决定系数均达0.79以上。上述结果表明,利用高光谱技术可实现土壤有机质的快速监测与诊断。     

星载高分五号高光谱耕地主要土壤类型土壤有机质含量 估测——以黑龙江省建三江农垦区为例

为了评价国产星载高分五号(GF-5)高光谱影像估测土壤有机质(SOM)含量的潜力,以及不同土壤类型对SOM含量光谱估测精度的影响,本研究以黑龙江省建三江农垦区为研究对象,获取了覆盖研究区域的GF-5高光谱影像和188个土壤样本。对提取的样点GF-5光谱反射率数据进行了反射率倒数、对数、一阶微分等9种光谱数学变换,并采用相关系数法确定了SOM含量的光谱敏感波段。采用偏最小二乘回归(PLSR)线性统计建模方法,对研究区域全部土壤类型以及草甸土、沼泽土、黑土等主要土壤类型,分别构建了光谱全波段和敏感波段的SOM含量估测模型,并进行了精度评价。结果表明,基于GF-5光谱数据的研究区域全部土壤类型的SOM含量估测精度不理想,最优模型精度决定系数(R2)为0.265,均方根误差(RMSE)为4.647%,相对分析误差(RPD)为1.135;不同类型土壤在SOM含量光谱估测精度差异较大,草甸土和沼泽土的SOM含量估测精度不高,但黑土的SOM含量估测精度较高,其中全波段光谱反射率对数一阶微分(LnR)′的SOM含量估测精度最高,R~2=0.729,RMSE=1.065%,RPD=1.850,SOM含量估测模型可用。按照不同土壤类型构建SOM含量估测模型可以进一步挖掘GF-5高光谱遥感估测SOM含量的潜力。     

光谱变换和光谱分辨率对土壤有机质含量估测精度的影响

利用高光谱遥感数据结合统计建模是当前土壤有机质(SOM)含量高光谱估测的主要方法。为了探讨SOM含量高光谱估测适宜的光谱变换方法和光谱分辨率,以黑龙江省建三江黑土区土壤样本为研究对象,采用SR-6500便携式光谱仪在实验室测量土样的光谱反射率。对土壤光谱数据重采样为1、5、10、20、30、40、50、60、70、80、90、100 nm共12种光谱分辨率,经过Savitzky-Golay光谱曲线平滑处理后,将光谱反射率R进行反射率倒数1/R、对数logR、倒数对数log(1/R)、对数倒数1/logR、一阶导数R′、倒数一阶导数(1/R)′、对数一阶导数(logR)′、倒数对数一阶导数[log(1/R)]′和对数倒数一阶导数(1/logR)′共10种光谱变换;利用多元线性逐步回归(MLSR)和偏最小二乘回归(PLSR)的方法建立SOM含量估测模型。结果表明:(1)1/R和(1/R)′光谱变换对于提高SOM含量估测精度的效果较好,其中1/R光谱变换的SOM含量估测精度R2val均高于0.87,(1/R)光谱变换的SOM含量估测精度R2val均高于0.90;(2)5、10 nm光谱分辨率对于1/R和(1/R)′光谱变换下的MLSR与PLSR估测SOM含量的精度都较高,为较适宜的光谱分辨率;(3)SOM含量估测的光谱分辨率并非越高越好,适度的降低光谱分辨率以及选择合适的光谱变换方法,不仅可以减少数据处理的工作量,也可以提高SOM含量的估测精度。     

基于连续统去除法的土壤盐分含量反演研究

通过对新疆维吾尔自治区温宿县、和田县、拜城县191个土样的原始反射率进行连续统去除及连续统去除的一阶微分处理,分析了盐分的高光谱吸收特征及敏感波段,并建立了盐分含量的多种高光谱定量反演模型。结果表明,在400~2 400 nm波段,土壤反射率与盐分含量之间无明显规律。640~700 nm波段的连续统去除数据与含盐量呈极显著负相关,而710~780 nm波段呈极显著正相关。原始反射率经连续统去除处理后,可明显提高反演模型的预测性能。基于盐分光谱指数和吸收特征参数构建的反演模型的稳定性及预测能力不如连续统去除、连续统去除一阶微分的400~2 400 nm或敏感波段的偏最小二乘回归(PLSR)模型。所有模型中,仅有以400~2 400 nm和640~700 nm连续统去除数据所建模型的相对分析误差(RPD)达2.5以上,分别为2.62和2.52,且二者其余各项评价指标差异不大。以640~700 nm波段连续统去除数据构建的PLSR模型对南疆水稻土盐分含量具有很好的反演效果。     

基于去包络线法的番茄叶霉病发病程度估测方法

阐明番茄叶霉病(Fulvia fulva)光谱特征并对其发病程度进行估测,可为番茄叶霉病大面积遥感监测提供依据。本研究通过分析番茄叶霉病不同发病程度下叶片光谱变化特征,筛选对发病程度识别的敏感波段。并利用去包络线法对光谱反射率进行处理,构建基于光谱特征吸收参量的发病程度估测模型。研究结果表明:随着叶霉病病害等级的加深,番茄叶片的原始光谱反射率、光谱敏感度、相对反射率均呈逐渐降低趋势;可见光波段(550~730 nm)和短波红外波段(1 860~2 260 nm)是识别番茄叶霉病发病程度的最佳波段;且随着病害等级的增加,吸收波段位置(λ)向短波方向移动,最大吸收深度(D_c)和吸收面积(A)均呈递增规律。利用光谱参数构建的番茄叶霉病病害等级预测的逐步回归模型R~2达0.81,且模型验证结果较好。研究结果对利用高光谱遥感技术定量估测番茄叶霉病发病程度以及监测、防治农作物病虫害均具有较高的实用价值。     

基于可见-近红外反射光谱的油区农田土壤石油烃含量估测研究

利用可见-近红外光谱技术,研究油区农田土壤在颗粒为2mm、0.25 mm和0.15 mm时的光谱(原始、一阶微分、连续统去除、多次散射校正)反射率与石油烃含量变化的关系,建立并利用偏最小二乘回归模型估测了石油烃含量.结果表明:原始、连续统去除、多次散射校正光谱的反射率对石油烃含量变化的响应在350 ～ 600 nm最敏感(P＜0.05),一阶微分光谱的敏感波段为2 280 nm(|r|=0.81,P＜0.01);光谱预处理能明显提高石油烃含量的估测精度,但土壤研磨对估测精度的影响因光谱预处理方法而异.基于可见-近红外光谱技术,本研究确立了估测油区农田土壤石油烃含量的颗粒粒径(2 mm)和光谱预处理方法(一阶微分),实现了石油烃含量的快速、有效估测,探索了一种可替代传统分析技术的新方法.     

紫色土和黄壤含水率的室内光谱反演

[目的] 选择西南地区代表性土类紫色土和地带性黄壤,分析其光谱信息,构建土壤水分反演模型,估测土壤含水率,为西南地区土壤水分快速监测提供方法依据。[方法] 通过室内配置紫色土和黄壤不同土壤含水率水平,运用地物光谱仪测量其光谱反射率,比较不同含水率条件下两类土壤的高光谱特征;采用多种数学变换和相关分析法提取特征波段,运用多元逐步回归（SMLR）和BP神经网络（BPNN）分别构建土壤含水率的高光谱估测模型。[结果] ①随土壤含水率的增加,紫色土和黄壤的光谱反射率均逐渐降低;在相同含水率条件下,紫色土的光谱反射率低于黄壤。②土壤含水率对可见光波段（380～760 nm）反射率的影响显著低于红外波段（760～2 500 nm）;均在1 400,1 900,2 200 nm附近存在明显水分吸收谷。③经数学变换的紫色土和黄壤光谱反射率均与土壤含水率存在极强的相关性。④基于BPNN建立的土壤水分反演模型整体优于SMLR模型。[结论] BPNN模型为西南地区紫色土和黄壤土壤含水率光谱反演的最优模型,能够快速准确估测紫色土和黄壤土壤水分状况。     

基于BP神经网络的橡胶苗叶片磷含量高光谱预测

为验证高光谱技术在橡胶苗叶片磷素营养诊断方面的可行性,该文以砂培橡胶苗为研究对象,利用高光谱仪测得不同磷处理水平下橡胶苗叶片光谱反射率,并应用微分技术求取去噪后光谱反射率一阶和二阶导数,以叶片磷含量和光谱变量相关性分析为基础,选择出叶片磷含量敏感波段,最后以敏感波段为输入变量,结合多重线性回归、偏最小二乘回归和反向传播神经网络模型对叶片磷含量进行预测。结果表明:原始光谱反射率555和722 nm、一阶导数674、710、855、1 091、1 197、1 275、1 718、2 181和2 228 nm以及二阶导数816、890、1 339、1 357和2 201 nm为叶片磷含量敏感波段;反向传播神经网络模型预测精度最高,训练集和验证集中预测值和实测值之间的相关系数r分别为0.964和0.967,均方根误差RMSE分别为0.0139和0.00856,模型性能指数(ratio of performance to deviation,RPD)分别为3.71和3.23,证明高光谱技术可以快速、准确诊断橡胶苗叶片磷含量。     

茄子灰霉病叶片过氧化氢酶活性与高光谱图像特征关联方法

对灰霉病胁迫下茄子叶片过氧化氢酶(CAT)活性的高光谱图像特征进行了研究。采用380～1030nm范围的高光谱图像摄像仪获取健康、轻度、中度、严重染病茄子叶片的高光谱图像信息,基于ENVI软件处理平台提取高光谱图像中对象的漫反射光谱响应特性,并采用平滑、中值滤波、归一化法等预处理方法提高光谱的信噪比。然后采用偏最小二乘回归(PLSR)、最小二乘支持向量机(LS-SVM)和BP神经网络算法来建立叶片高光谱响应特征与CAT活性之间的关系模型。在PLSR模型中,前2个隐含变量能够实现健康、轻度、中度、严重染病茄子叶片的直观定性区分,而基于PLSR模型推荐的9个隐含变量建立的BP神经网络模型的预测集决定系数R2为0.8930,均方根误差为2.17×103。表明基于高光谱图像特性可以实现灰霉病胁迫下茄子病害程度的有效区分,同时证明基于高光谱图像特性的茄子叶片CAT活性的定量检测是可行的。     

利用高光谱遥感技术监测小麦土壤重金属污染

为了探讨基于小麦叶片高光谱间接估测土壤重金属含量的潜力,该研究以江苏省宜兴市徐舍镇为研究区域,于2019－2020年采集农田土壤样品和小麦叶片光谱,经7种不同的光谱变换预处理后,以遗传算法（genetic algorithm,GA）优化的偏最小二乘回归算法（partial least squares regression,PLSR）对预处理后的光谱建立土壤重金属镉（Cd）和砷（As）含量的估测模型,并对模型结果进行精度评价。研究结果表明：1）光谱预处理技术能够突出光谱中的一些隐藏信息,对小麦叶片光谱进行微分变换、多元散射校正、标准正态变换等数学变换后更加有利于提取光谱敏感信息。2）GA-PLSR相较于一般的PLSR方法提高了模型精度,将GA用于光谱波段选择可以优化模型精度和提高稳定性。3）土壤Cd含量的最佳估测模型为标准正态变换预处理光谱与GA-PLSR结合,其外部验证的决定系数为0.87、均方根误差为0.04 mg/kg、相对分析误差为2.72;土壤As含量的最佳估测模型为多元散射校正预处理光谱与GA-PLSR结合,其外部验证的决定系数为0.91、均方根误差为0.32 mg/kg,相对分析误差为3.25。因此,能够利用小麦叶片高光谱间接估测土壤重金属Cd和As含量,该研究为将来实现定量、动态、无损遥感监测大面积农田土壤重金属污染状况提供参考依据。     

基于IRIV算法优选大豆叶片高光谱特征波长变量估测SPAD值

在植物叶绿素特征波长变量筛选过程中,与叶绿素关系较弱的波长变量极易被忽略,导致这些弱信息变量包含叶绿素的有效信息丢失,因此,确定叶片光谱中弱信息变量对揭示叶绿素高光谱响应规律具有重要意义。该研究以江汉平原大豆鼓粒期的叶片为研究对象,采集80组大豆叶片高光谱和SPAD(soil and plant analyzer development)值,分析SPAD值与大豆叶片反射率相关关系和光谱波长变量自相关关系,基于迭代和保留信息变量法(iteratively retains informative variables,IRIV)筛选大豆叶片的特征波长变量,建立偏最小二乘回归(partial least squares regression,PLSR)和支持向量机(support vector machine,SVM)模型估测SPAD值。结果表明,大豆叶片SPAD值与光谱反射率在可见光波段具有极显著负相关,在近红外波段存在不显著的正相关性(P0.01);可见光、近红外2波段的波长变量之间相关性较弱,但2波段内变量之间的相关性较强;基于IRIV算法确定了大豆叶绿素的特征波长变量,利用特征波长变量建立的估测模型的估测能力高于仅利用强信息波长变量建立的估测模型,表明弱信息变量对估测叶片SPAD值具有重要意义;IRIV-SVM模型估测能力最优,验证集R2和相对分析误差(RPD)分别为0.73、1.82。该文尝试证明了光谱中弱信息变量的重要性,为揭示叶片高光谱响应机理提供了理论依据。     

氮硫互作对冬小麦旗叶衰老、产量和氮素利用效率的影响

试验采用裂裂区设计,小麦品种(烟农19和汶农6号)为主区,施氮(N)量为裂区,设0(N0)、120(N120)、240(N240)kg hm-2三个施N水平,施硫(S)量为裂裂区,设0(S0)、20(S20)、40(S40)、60(S60)kg hm-2四个施S水平。结果表明,汶农6号开花后旗叶超氧化物歧化酶(SOD)活性、旗叶净光合速率、产量和氮素利用效率均高于烟农19。在一定施氮水平下适量施硫显著提高烟农19和汶农6号小麦开花后旗叶SOD活性和可溶性蛋白质含量,提高旗叶净光合速率和开花后干物质积累量,增加植株地上部氮素积累量和籽粒产量;当施氮水平为120 kg hm-2施硫量超过40 kg hm-2和施氮240 kg hm-2施硫量超过20 kg hm-2时,汶农6号植株地上部氮素积累量仍继续增加,但旗叶抗氧化能力和光合同化能力均无明显提高,籽粒产量不再增加,烟农19号旗叶SOD活性、可溶性蛋白质含量和光合速率均降低,植株地上部氮素积累量和籽粒产量均减少。在同一施氮水平下,两小麦品种氮素利用效率总体表现为随施硫量增加而降低的趋势。在土壤有效硫为38.9~42.1 mg kg-1的条件下,适量施用氮肥和硫肥有利于延缓小麦花后旗叶衰老,提高光合同化能力,增加籽粒产量,但不同品种小麦对氮肥和硫肥施用量的响应不同,氮素利用效率较高的品种在较高的氮硫供给水平下仍有较好的光合同化和产量表现,而氮素利用效率相对低的品种对高氮高硫的适应性较差,后期易早衰,影响产量和氮素利用效率。     

旱地冬小麦宽幅匀播光合效应研究

宽幅匀播技术优化了作物群体结构,使小麦显著增产。为了给大面积推广宽幅匀播技术提供理论支撑,以常规条播为对照,采用田间试验研究了旱地冬小麦宽幅匀播的光合效应。结果表明,从拔节期到灌浆期,旱地宽幅匀播冬小麦旗叶叶绿素SPAD值较常规条播高3.1～6.3;盛花期较常规条播小麦旗叶净光合速率(Pn)提高13.4%、气孔导度(Gs)增加34.84%、胞间CO₂浓度(Ci)降低16.05%、蒸腾速率(Tr)提高8.47%。宽幅匀播能显著提高小麦叶片叶绿素含量,改善冬小麦光合特性,使小麦叶片能更有效利用胞间CO₂,提高光合和运输能力,从而显著增加产量。     

基于高光谱和BP神经网络的玉米叶片SPAD值遥感估算

为了进一步提高玉米叶绿素含量的高光谱估算精度,该文测定了西北地区玉米乳熟期叶片的光谱反射率及其对应的叶绿素相对含量（soil and plant analyzer development,SPAD）值,分析了一阶微分光谱、高光谱特征参数与 SPAD的相关关系,构建了基于一阶微分光谱、高光谱特征参数和 BP 神经网络的 SPAD 估算模型,并对模型进行验证;再结合主成分回归（principal component regression,PCR）、偏最小二乘回归（partial least squares regression,PLSR）以及传统回归模型与 BP 神经网络模型进行比较。结果表明：SPAD 值与一阶微分光谱在763nm 处具有最大相关系数（R=0.901）;以763 nm 处的一阶微分值、蓝边内最大一阶微分为自变量建立的传统回归模型可用于玉米叶片 SPAD 估算;将构建传统回归模型时筛选到的光谱参数作为输入,实测 SPAD 值作为输出,构建 BP 神经网络模型,其建模与验模 R2分别为0.887和0.896,RMSE 为2.782,RE 为4.59%,与其他回归模型相比,BP 神经网络模型预测精度最高,研究表明 BP 神经网络对叶绿素具有较好的预测能力,是估算玉米叶片 SPAD 值的一种实时高效的方法。     

限水灌溉下春季追氮方式对小麦旗叶光合和衰老特性的影响

限水条件下,等量氮不同施用方式对小麦旗叶光合和衰老特性的调控效应不同;不同抗旱性品种对施氮方式的响应也有所差异。与拔节初期1次施氮处理（SF）相比,拔节初期、挑旗期2次施氮处理（DF）增加了供试品种旗叶中后期的叶绿素含量（Chl）、可溶蛋白含量（SP）、RuBPCase活性、气孔导度（Gs）和光合速率（Pn）,延长了叶绿素含量缓降期（RSP）、光合速率高值持续期（PAD）,提高了叶源量（LSC）;使旗叶生长中后期的超氧化物歧化酶（SOD）活性和过氧化物酶（POD）活性增加,细胞的活性氧（O2-）含量和丙二醛（MDA）含量降低。与抗旱品种石麦12相比,DF处理对抗旱性中等的品种石新733的旗叶光合生理参数、光合功能高值持续期具有更大调控效应。DF处理使供试品种的千粒重、产量和水分利用效率增加,其中石麦12后两指标增幅达显著水平。表明在春季适宜施氮量范围内,在肥力中等偏下地力条件下,生育中后期（挑旗期）追施适量氮素,具有提高叶片的细胞保护酶活性、维持细胞的较强活性氧清除能力,改善限水条件下小麦旗叶光合碳同化能力、延缓旗叶衰老、促进子粒灌浆和提高水分利用效率的作用。     

基于自然光照反射光谱的温室黄瓜叶片含氮量预测

利用便携式光谱辐射仪测量了自然光照条件下温室黄瓜叶片的光谱反射率,并计算了反射率光谱的一次微分光谱。反射率光谱以及一次微分光谱与叶片含氮量的相关分析表明,温室内光谱特性与叶片含氮量相关性最大的敏感波段分别是505～664 nm和685～722 nm。当利用原始光谱进行分析时,通过变量筛选得到了4个敏感波长,分别是568、596、640和664 nm。偏最小二乘回归分析(PLSR)以及归一化颜色指数(NDCI)分析都表明,建模时的相关系数R_C>0.800,模型验证时的相关系数R_V>0.700。对微分光谱进行的相关分析结果表明,利用单一敏感波长520 nm就可获得理想模型,建模时的相关系数为0.880,模型验证时的相关系数为0.787。对比原始光谱的PLSR模型与一阶微分光谱的一元线性回归模型可以得知,原始光谱以及一阶微分光谱都可用于温室内叶片含氮量的预测,而且一阶微分光谱在一些特殊的波长处具有更高的预测能力,这些模型将成为开发便携式作物长势诊断仪器的技术基础。