小波分析用于土壤速效钾含量高光谱估测研究

【目的】对土壤高光谱数据去噪提纯,提高土壤速效钾含量高光谱估测模型的精度和实用性。【方法】选取土壤有机质、碱解氮、有效磷含量近似而速效钾含量差异较大的样本76个,对土壤样本反射率对数的一阶导数光谱分别基于4种函数进行多层小波离散分解;提取小波低频系数,构建土壤速效钾含量高光谱估测模型。【结果】小波分解1-3层获得的低频系数可用以代表原始光谱。基于各小波函数相同尺度的低频系数,土壤速效钾含量估测建模精度差异不大。其中基于Bior 1.3函数分解的第2层低频系数建模精度略高,作为最佳估测模型,在数据压缩到25%、反映输入光谱信息95.6%的基础上,建模R2达到0.976,RMSE为10.66 mg•kg-1,经验证模型具有较好的预测准确度。【结论】通过小波分析获得小波系数,既提取了土壤高光谱信息,又对数据进行了压缩,结合偏最小二乘回归预测土壤速效钾含量是可行的。     

小波去噪对近红外光谱鉴别转基因菜籽油的影响分析

【目的】建立基于近红外光谱的转基因菜籽油定性鉴别模型,研究小波去噪对光谱的预处理对鉴别准确率的影响。【方法】利用前期已收集的鲁花、金龙鱼等6种品牌的瓶装或桶装的菜籽油共计117份样品,其中转基因菜籽油样品53份、非转基因菜籽油样品64份,采用德国BRUKER公司的MATRIX-F型傅里叶近红外光谱仪对这些样品进行全谱段的光谱采集;利用小波分析对菜籽油光谱数据进行预处理,选用db3小波对光谱进行软阈值去噪;在菜籽油样品近红外光谱数据的基础上,采用判别偏最小二乘法(DPLS)建立转基因菜籽油定性鉴别模型。【结果】对比小波去噪预处理前后转基因菜籽油鉴别的准确率,DPLS鉴别模型的准确率从96.43%提升到了100%。【结论】小波去噪预处理可以有效地提高近红外光谱转基因菜籽油鉴别模型的准确率。     

基于高光谱的南疆盆地苹果光合有效辐射估算模型

【目的】通过将原始光谱数据经过不同的数据变换方式,分析其与苹果冠层PAR的相关关系,建立基于高光谱的南疆盆地苹果冠层PAR的估测模型,旨在为快速、精确、无损伤、大范围的适时、动态监测植被PAR提供有效途径。【方法】基于原始光谱数据的不同数据变换方式,采用相关性分析和逐步回归分析方法。【结果】不同数据变换后的冠层光谱反射率与苹果冠层PAR具有较好的相关性,微分变换后的相关性较原始相关性有所提升。所建模型经过精度评价发现,原始光谱数据经倒数一阶微分变换后估测模型拟合度最高,一阶微分、对数一阶微分次之。【结论】不同数据变换方式后的光谱数据与塔里木盆地苹果冠层PAR有一定的相关性,可以用微分、对数微分、倒数微分变换后的数据建立较理想的塔里木盆地苹果冠层PAR的估测模型。     

基于高光谱特征波长的冬小麦水分含量估测模型

【目的】以高光谱技术为核心,结合理化数据,建立快速、无损的冬小麦冠层水分含量估算模型,为利用高光谱技术进行小麦水分含量的无损检测提供参考。【方法】测定两种冬小麦的叶片、植株含水量,采集其光谱数据作SG平滑、一阶导数和二阶导数处理,分析其相关关系,构建冬小麦叶片和植株含水量的多种估算模型,进行精度评价。【结果】不同光谱数据处理中一阶导数变换能够显著增加与小麦含水量的相关性,叶片含水量在456 nm波长处达到了最大负相关,相关系数为0.87,植株含水量在457 nm波长处达到了最大负相关,相关系数为0.890 9;偏最小二乘回归构建的水分含量估测模型拟合精度优于线性和多元回归模型,线性模型采用R₆₅₀、SG₁₉₄₄、R′₄₅₆、R″₆₈₁构建的模型估测叶片含水量较好,估测植株含水量R₆₆₄、SG₆₆₃、R′₄₅₇、R″ ₆₈₁精度较高; 多元线性回归和偏最小二乘回归都是采用一阶导数变换构建的模型拟合精度最高,叶片和植株水分含量估测模型的外部检验R²分别达到0.803 2、0.867 0、0.854 0、0.885 6。【结论】小麦原始光谱一阶导数变换后能够显著提高与水分含量的相关性,利用PLSR方法构建的小麦水分含量估测模型拟合精度最高。     

基于高光谱成像的烟田土壤pH估测

【目的】为实现区域尺度上烟田土壤pH的快速估测。【方法】以四川省296份烟田土壤为研究对象,利用高光谱成像获取土壤390～2500 nm波段的光谱反射率,系统研究12种光谱预处理方法、2种特征波段选择方法和4种建模方法对烟田土壤pH高光谱估测模型精度的影响。【结果】在600～2500 nm范围内,不同pH的光谱反射率曲线差异明显;原始光谱经单一预处理或组合预处理方法处理后,建立的估测模型精度均有所提高;其中一阶导数(First derivative, D1)组合标准正态分布(Standard normal variate, SNV)为最佳光谱预处理方法。竞争自适应重加权采样算法(Competitive adaptive reweighted sampling, CARS)筛选出93个土壤pH特征波段,主要集中在近红外波段800～2500 nm。无论使用光谱全波段还是主成分分析降维得到的光谱特征,核岭回归(Kernel ridge regression, KRR)和支持向量机(Support vector machine, SVM)两种建模方法都取得了比偏最小二乘回归(Partial l...     

星载GF-5 AHSI 高光谱影像不同光谱波段土壤有机质 含量预测精度比较

【目的】探讨星载高分五号（GF-5）高光谱影像不同光谱波段对SOM 含量预测精度差 异，明确有效光谱波段范围，以便提高SOM 含量高光谱预测精度。【方法】该研究以黑龙江 省建三江农垦区为研究区域，将GF-5 可见短波红外高光谱相机（AHSI）获取的高光谱数据 划分为可见光- 近红外（VNIR）、短波红外（SWIR）和VNIR-SWIR 3 种不同光谱波段，并 将光谱反射率进行了9 种光谱数学变换；分别采用多元逐步回归（MLSR）和偏最小二乘回 归（PLSR）构建SOM 含量预测模型，评价分析了3 种不同光谱波段预测SOM 含量的精度差 异。【结果】在MLSR 模型中，VNIR-SWIR 的对数倒数一阶微分SOM 含量预测精度相对较 高，验证精度决定系数R2 val 为0.383，均方根误差RMSEP 为5.009；在PLSR 模型中，VNIR 反射率的SOM 含量预测精度较高，验证精度R2 val 为0.359，RMSEP 为4.170。【结论】GF-5 AHSI SOM 含量预测精度较高的光谱波段为VNIR 和VNIR-SWIR。卫星数据质量、研究区域 自然条件、数据预处理过程、建模方法选择等因素共同影响SOM 含量预测模型精度，通过 技术和方法改进，GF-5 数据预测SOM 含量的潜力更大。     

烟台地区土壤重金属镍高光谱估测模型

快速监测土壤重金属污染程度,对发展精细农业、保障食品安全和社会经济可持续发展具有重要意义。本文基于山东省烟台市的70个土壤样本数据,首先分析了土壤重金属镍的分组光谱特性;对土壤光谱反射率进行一阶微分、倒数的一阶微分、对数的一阶微分等六种变换并计算出光谱反射率变换值与土壤镍含量的相关系数,根据极大相关性原则选取光谱特征;然后建立基于BP神经网络的土壤重金属镍含量光谱估侧模型;并利用其它2种建模方法对镍含量进行建模,验证BP神经网络模型的有效性。结果表明,土壤光谱反射率随镍含量的升高而降低,呈现负相关性;以(1/R1015)′、(1/R2286)′、(1/ln(R925))′和(1/ln(R1911))′为估测因子,所建镍含量估侧模型的决定系数为R2=0.912,平均相对误差为14.279%。研究表明,利用高光谱技术定量估测土壤镍含量是可行的。     

冬小麦冠层水平叶绿素含量的高光谱估测

【目的】利用高光谱数据对抽穗期冬小麦冠层叶绿素含量进行估测,旨在为叶绿素含量快速准确估测提供参考。【方法】利用ASD便携式野外光谱仪和SPAD-502叶绿素仪实测了冬小麦抽穗期冠层光谱反射率及叶绿素含量,并对原始光谱反射率及其一阶导数光谱与叶绿素相对含量进行了相关分析,建立了基于敏感波段、红边位置、原始光谱峰度和偏度、一阶导数光谱峰度和偏度的叶绿素估算模型,并进行检验,从中筛选出精度最高的模型。【结果】冬小麦冠层光谱曲线特征与叶绿素含量之间有着密切联系。基于原始光谱一阶导数偏度和峰度的冬小麦(抽穗期)叶绿素含量估算模型拟合精度优于其他4种估算模型,决定系数R2分别为0.847和0.572,均方根误差RMSE分别为0.397和0.697,相对误差RE分别为61.0%和119.0%,拟合精度优于其他4种估算模型。【结论】原始光谱一阶导数的偏度和峰度作为自变量能很好地估测抽穗期小麦冠层叶绿素含量。     

基于不同光谱变换的剑湖茭草鲜生物量估测研究

通过实地采集剑湖湿地茭草反射光谱和现场测量鲜生物量,基于24种光谱变换对茭草反射光谱特征进行分析,选取16种光谱变换筛选全波段(350～2 350 nm)中对茭草鲜生物量敏感的特征波段,构建其鲜生物量估测模型。结果表明:不同形式的光谱变换更容易分析光谱特征,对数倒数和倒数的变换增强了可见光波段的特征。对数倒数一阶微分变换增强了近红外波段的特征,倒数二阶微分和对数倒数二阶微分增强了短波红外的特征,4～5尺度的连续小波变换适合分析原始光谱特征。连续小波变换后最大相关系数为0.734;其次为二阶微分变换,最大相关系数为-0.730。基于立方根二阶微分变换构建的多元回归模型对茭草鲜生物量估测效果最佳,R2、RMSE、P和RPD分别为0.88、1 044.90 g/m2、83.95%、2.64。     

基于一阶微分变换方法的南方丘陵稻田土壤电阻率高光谱特性研究

通过对土壤电导率和光谱测定,分析了南方丘陵稻田土壤电阻率特征、原始光谱数据及重采样光谱数据特征。在光谱重采样基础上进一步构建光谱包络线去除变换、光谱反射率倒数(1/R)、对数[ln(1/R)]、平方根(R0.5)、一阶微分等单一或复合变换模型。通过横向、纵向综合比较分析不同模型的反射率与电阻率相关性分析的曲线差异,着重探讨了基于一阶微分的数据变换模型间土壤电阻率与光谱反射率间相关性强弱,结果表明:(1)基于一阶微分变换的模型可以对重叠混合光谱进行分解以便识别,扩大样品之间的光谱特征差异,发掘敏感波段的光谱吸收、反射特征;(2)综合反射率的平方根的一阶微分变换、反射率的倒数的对数及反射率对数的一阶微分等模型得出,在波段为382 nm处,土壤电阻率与光谱反射率间相关系数最高达0.788,在波段为555~560 nm,多个微分变换模型相关性系数在0.7以上,可为后续反演因子的确定及土壤电阻率高光谱估测回归模型的建立提供参考。