基于高光谱的春小麦抽穗期叶绿素含量估算方法

对高光谱数据进行预处理是提升高光谱建模精度十分必要且有效的途径。利用高光谱技术分析春小麦作物光谱及其叶绿素含量的变化,对原始光谱反射率及对应的对数、倒数、平方根、对数倒数等4种数学变换及其一阶、二阶微分进行预处理运算,分析春小麦叶片叶绿素含量与预处理后的光谱数据相关性,基于选取的敏感波段对春小麦抽穗期叶绿素含量进行偏最小二乘回归法、BP神经网络2种方法建模并进行模型验证及比较。结果表明:对原始光谱数据数学变换的微分预处理可以明显提高春小麦叶片叶绿素含量与光谱反射率的相关性;通过显著性检验的敏感波段数量经一阶、二阶微分预处理呈现明显增加趋势,对应数学变换的波段数量有所不同;对数变换的二阶微分处理所建立的PLSR模型为最优模型,该模型精度参数为决定系数R■=0.93,校正均方根误差RMSE_c=2.53,预测决定系数R~2_p=0.91,预测均方根误差RMSE_p=2.41,相对分析误差RPD=3.20。说明数学变换的微分预处理过后的模型精度和稳健性有了大幅度的提升,并且运用在高光谱遥感反演春小麦抽穗期叶片叶绿素含量上是可行的。     

基于机器学习的粳稻叶片叶绿素含量高光谱反演建模

叶绿素含量是表征粳稻生长状态的重要指标,高光谱遥感技术能够无损、快速的获取粳稻叶片叶绿素含量。本研究利用2015—2017年沈阳农业大学辽中水稻实验站粳稻叶片高光谱数据,并利用主成分分析法(PCA)、典型相关分析法(CCA)、核典型关联分析法(KCCA)3种方法对粳稻叶片高光谱信息降维,选出较优光谱参数作为叶绿素含量反演模型的输入变量。采用支持向量机回归(SVR)、神经网络(NN)、随机森林(RF)、偏最小二乘法(PLSR)四种机器学习算法建立粳稻叶片叶绿素含量反演模型。结果表明,KCCA降维方法对粳稻叶片高光谱降维效果要优于PCA和CCA两种方法。采用KCCA-SVR方法建立的粳稻叶片叶绿素含量反演模型的模型决定系数R²=0.801,RMSE=1.610,建立的粳稻叶绿素含量反演模型精度最高。该模型良好的预测能力为粳稻叶片叶绿素含量反演研究和养分诊断提供了数据支撑和模型参考。     

基于高光谱成像技术的番茄叶片叶绿素含量检测

叶绿素是植物生长发育必不可少的色素，可用来衡量植物生长状况，为实现番茄叶片叶绿素含量快速、无损检测，以番茄为试验材料，通过高光谱无损检测方法，对番茄叶片叶绿素含量进行监测。提取出82个叶片样本的平均光谱反射率数据(400～1 000 nm),对原始光谱数据分别进行7种预处理(平均平滑、高斯滤波、中值滤波、卷积平滑、归一化、基线校准(baseline)、标准正态化(standard normal variation, SNV),建立PLSR模型，建模结果显示：SNV预处理光谱的建模效果最优。用β权重系数、无信息变量消除变换法(uninformation variable elimination, UVE)、竞争自适应重加权法(compet-itive adaptive weighted sampling, CARS)及连续投影算法(successive project-ion algorithm, SPA)等提取特征波长，并建立了PLSR模型，建模结果表明：CARS法提取特征波长所建立的模型最优，CARS法提取了8个特征波长(732、796、946、953、957、968、983、994...     

核桃叶片氮元素含量的光谱预测模型

【目的】分析325～1 075 nm范围内核桃叶片光谱与叶片氮元素含量的相关性,研究核桃叶片光谱数据预处理和特征波段筛选方法,建立核桃叶片氮元素含量的预测模型,为实现核桃生产中的快速施肥提供参考。【方法】建立多元散射校正、Savitzky-Golay卷积平滑滤波和小波去噪的组合预处理方法;采用连续投影算法筛选出了特征波段;采用特征波段建立核桃叶片氮元素含量的偏最小二乘回归预测模型。【结果】建立的组合预处理方法对核桃叶片光谱去噪效果较好;采用特征波段建立的核桃叶片氮元素含量的预测模型,模型的验证集决定系数R²达到了0.875,均方根误差RMSE达到了0.697 3 mg/g。【结论】与全光谱数据相比,筛选出的特征波段降低了冗余数据和噪声的影响,提取出了有效成分相关的光谱信息,提高了建模质量。     

基于分数阶微分的葡萄叶片SPAD值高光谱遥感反演研究

【目的】探明高光谱遥感技术反演葡萄叶片叶绿素含量的可能性,构建葡萄叶片叶绿素含量反演模型,为快速且无损估测葡萄长势提供技术参考。【方法】以西南山区成熟期葡萄叶片为研究对象,同步获取冠层叶片高光谱数据和SPAD值,研究不同分数阶(0.0～1.4阶,步长0.2阶)微分光谱反演葡萄叶片SPAD值的能力,构建多个基于特征波段和光谱指数的单因素模型及基于连续投影算法的多因素模型。【结果】不同SPAD值葡萄叶片原始光谱曲线整体一致,在可见光区域反射率较低而在近红外区域反射率高;可见光、近红外区域反射率与SPAD值分别呈反比和正比;随着分数阶上升,特征波段由近红外向红边靠近,光谱指数由近红外与蓝光组合变更为近红外与绿光组合,单因素模型建模变量相关性呈先升后降趋势,在0.6阶达峰值;除0.6与0.8阶外,其余分数阶微分光谱单因素模型建模变量均为DSI;多因素模型优于单因素模型,机器学习算法可提升传统回归模型精度,所有模型以0.6阶下SPA-GA-XGBoost回归模型精度最优,其建模与验证R²分别为0.79和0.75,相应均方根误差(nRMSE)分别为15.54%和14.45%。...     

玉米叶绿素含量高光谱反演的线性模型研究

叶绿素含量是衡量植被生长状况的一个重要指标,高光谱数据具有较高的光谱分辨率,利用其光谱信息建立叶绿素含量的关系模型,已成为监测植被长势的一种有效手段。传统叶绿素含量线性回归模型的输入因子是植被特征提取参数,由于高光谱数据波段间的冗余度较高,导致一般的线性模型的反演精度较低。主成分分析可以减少数据的维数,简化网络结构,得出能反映原始信息的综合变量。本文以盆栽玉米为研究对象,利用植被特征和主成分分析方法提取光谱反演参数,根据所提取的参数建立玉米叶片叶绿素含量的一元线性和多元线性回归模型。结果表明,利用绿峰峰值和近红外反射率均值两参数可在一元线性模型中较好地反演玉米叶片叶绿素含量;而利用分波段提取的主成分能够在多元线性回归模型中更好地反演叶绿素含量,反演精度较高。     

基于高光谱的琯溪蜜柚叶片磷素含量估算模型研究

蜜柚叶片磷素(phosphorus,P)含量是准确诊断和定量评价生长状况的重要指标,为快速、无损、精确地估测磷素含量,需要建立蜜柚叶片磷素含量高光谱估算模型。基于蜜柚叶片高光谱数据和磷素含量实测数据,提取原始光谱及一阶微分光谱特征波段和光谱特征变量,构建单变量估算模型、偏最小二乘回归模型和BP神经网络回归模型,并确定蜜柚叶片磷素含量最佳估算模型。在350～1 050 nm波段,原始光谱和一阶微分光谱与叶片磷素含量在可见光范围内有多波段相关性显著,并出现多个极值。原始光谱敏感波长为549和718 nm,一阶微分的敏感波长为528、703和591 nm。在建立的回归模型中,选择决定系数较高的模型进行精度检验,其中BP神经网络模型的拟合R²(0.775 9)最大,偏最小二乘估算模型的拟合R²(0.749 9)次之。综合建模精度和模型检验精度,确定BP神经网络模型为蜜柚叶片磷含量的最佳估算模型,建模和验证的R²分别为0.71和0.775 9;其次为偏最小二乘估算模型,建模和验证的R²分别为0.64和0.74...     

CARS-SPA算法结合高光谱检测马铃薯还原糖含量

以竞争性重加权自适应选择算法(CARS)结合连续投影算法(SPA)选择马铃薯还原糖含量特征波长,共制备238个样本,比色法测定马铃薯还原糖含量,选择190个样本作校正集,48个样本作验证集,与全光谱和经典变量提取方法比较。结果表明,CARS-SPA算法筛选波段效果最佳,相比于全谱建模其参与建模波长点由203个减少到17个,模型验证集决定系数r~2由0.8464提高到0.8965,均方根误差(RMSEP)由0.0758降到0.0490。结果表明,采用CARS-SPA结合高光谱成像技术检测马铃薯还原糖含量结果可行。     

接种菌根大豆叶片光谱分析和叶绿素含量估测

为更好地指导矿区进行受损土地的微生物复垦,减少传统监测方法对植物的损害,需要运用快速有效的方法来监测菌根作用下植物的生长状况。对不同生长期的大豆叶片光谱、叶绿素含量、菌根侵染率和菌丝密度测定分析,结果表明:各生长期接菌组叶绿素含量均高于同期对照,其叶绿素含量与侵染率间具有显著正相关性,且叶片光谱反射率在550nm处显著低于对照组。同时根据叶片光谱可见光区域叶绿素敏感波段选择植被指数,然后建立以植被指数为变量的线性模型反演叶绿素含量,结果发现植被指数MCARI反演叶绿素含量的精度及稳定性(R2=0.67)都优于其他指数,其线性模型反演绝对误差为2.504,相对误差为6.57%。该研究结果说明高光谱技术是估测菌根作用下大豆叶绿素含量的一种简单、快捷和无损的有效方法,也为未来利用高光谱数据评估微生物对植物生长的促进作用提供理论与方法支持。     

基于无人机高光谱的马铃薯冠层叶片全氮含量反演

为实现大田马铃薯冠层叶片全氮含量(LNC)的快速反演,利用低空无人机平台搭载成像光谱仪获取马铃薯冠层光谱数据,在综合比较原始反射率(R)、倒数变换反射率(1/R)、一阶微分变换反射率[D(R)]、二阶微分变换反射率[D(2R)]、倒数之对数变换反射率[lg(1/R)]的基础上,选择[D(2R)]用于后续试验。分别使用相关性分析(CA)、竞争性自适应重加权(CARS)、无信息变量消除(UVE)3种算法筛选特征光谱波段,使用偏最小二乘回归(PLSR)、支持向量机(SVM)构建马铃薯冠层LNC估测模型。结果表明：CA、CARS、UVE算法分别筛选出26、12、19个特征波段。在构建的PLSR模型中,用UVE筛选的特征波段建立的预测模型[UVE-D(2R)-PLSR]效果最好,在验证集上的决定系数(R²)和均方根误差(RMSE)分别为0.806 8和0.193 2;在构建的SVM模型中,用CARS筛选的特征波段建立的预测模型[CARS-D(2R)-SVM]效果最好,在验证集上的R²和RMSE分别为0.831 6和0.183 0。两模型对比,CARS-...     

基于星-机光谱融合的棉花叶片SPAD值反演

【目的】为提高棉花叶片叶绿素含量的反演精度,并掌握其在山东省夏津县的空间分布特征。【方法】本研究以山东省德州市夏津县为研究区,以夏津县大李庄棉田为试验区,通过SPAD（soil and plant analyzer development,SPAD）仪实地测定试验区棉花叶片叶绿素含量的相对值（SPAD值）,并获取同期试验区无人机（unmanned aerial vehicle,UAV）近地多光谱图像和研究区Sentinel-2A MSI（MSI）卫星影像;然后分别基于UAV和MSI的光谱反射率,构建并筛选最优光谱参量,采用多元线性回归（multiple linear regression,MLR）建立SPAD值定量反演模型;最后采用二次多项式拟合法融合UAV和Sentinel-2A MSI对应的最优光谱参量,对比分析融合前后模型效果,优选最佳反演模型,实现研究区SPAD值反演。【结果】研究表明,(REG-R)/(REG+R)、R/G、CL(red edge)、NDVI可作为SPAD值的最优光谱参量;基于UAV图像的定量反演模型精度优于基于MSI影像的模型;基于二次多项式拟合后建模R ²提高了0.015—0.057,RMSE降低了0.457—0.638,验证R ²提高了0.040—0.085,RMSE降低了0.387—0.397,RPD提高了0.020—0.139;将融合后的MSI光谱参量代入基于UAV图像的反演模型（Fused MSI-Mod_UAV）,也可获得较高的反演精度,建模R ²达0.672,RMSE为3.982,验证R ²达0.713,RMSE为3.859,RPD为1.685;基于上述模型进行研究区棉花叶片SPAD值反演分析,试验区整体呈南高北低的分布趋势,研究区呈中间低、四周高的分布趋势,均与实地情况一致,具有较好的预测效果。【结论】采用二次多项式拟合法融合无人机和卫星影像数据,可较好地实现区域高精度作物生长指标的定量反演,研究结果可丰富多源遥感融合理论与技术,为后续棉花长势监测与精准生产提供技术参考和数据支持。     

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。     

基于全局敏感性分析与机器学习的冬小麦叶面积指数估算

在小麦叶面积指数(leaf area index,LAI)的估算过程中,光谱变量与机器学习算法(MLs)相结合的方法具有较好的性能,但由于输入参数过多会导致数据冗余,使得计算效率降低。为了提高LAI估算的精度和MLs的计算效率,本研究提出了全局敏感性分析(global sensitivity analysis,GSA)与MLs相结合的方法(简称GSA-MLs)。首先,基于PROSAIL模拟数据集,利用GSA量化植被生长参数对Sentinel-2光谱变量的影响;此外利用4种变量筛选策略对所有光谱变量进行排序,并选择最优变量作为MLs的输入参数。然后,通过偏最小二乘回归(partial least square regression,PLSR)、支持向量机(support vector machine,SVM)和随机森林(random forest,RF)3种MLs对小麦叶面积指数(LAI)进行估算。结果表明:红边植被指数主要受叶绿素含量的影响,而短波红外相关的植被指数主要受等效水厚度的影响,所有光谱变量均会受到参数之间的交互作用。SLAI-SInteraction筛选得到的30个光谱变量在估算小麦LAI表现最佳(R²=0.94,RMSE=0.38)。并且在模型反演过程中运行时间缩短了54.13%。本研究提出了全局敏感性分析与机器学习相结合的方法,该方法提高了机器学习法估算LAI精度以及应用过程中的计算效率和机理性,该方法有较好的适用性。     

苹果冠层叶绿素含量高光谱估算模型

【目的】 研究一种快速、简便、无损的苹果冠层叶绿素含量估测模型。探索苹果品种岩富10号冠层的高光谱特征和叶绿素含量的估测方法,为该地区岩富10号苹果营养的快速诊断奠定基础,为红富士苹果精准化管理和-7光谱尺度研究提供参考依据。【方法】以红富士苹果(Malus domestica Borkh. cv. Red Fuji)主栽品种岩富10号叶绿素含量以及冠层高光谱反射率为数据源,分析叶绿素含量与冠层原始光谱(R)、微分光谱(R')之间的相关关系,利用敏感波段建立新的对应关系,构建岩富10号叶绿素含量的多种回归估测模型,并对不同模型进行了精度评价。【结果】微分光谱用于岩富10号叶绿素含量的估测精度要显著高于原始光谱反射率;利用敏感波段组合新定义的衍生变量拟合程度更优;在多种回归方式中,三次多项式模型的拟合程度最好,最优模型为357 nm等7个波段组合定义的新植被指数所建立的三次多项式模型,其精度为0.839。【结论】应用光谱技术对南疆塔里木盆地阿克苏地区岩富10号叶绿素含量进行定量反演是可行的。     

基于无人机影像阴影去除的苹果树冠层氮素含量遥感反演

【目的】去除无人机多光谱遥感影像中的阴影,以提高苹果树冠层氮素含量反演模型精度。【方法】以山东省栖霞市苹果园为试验区,利用2019年6月采集的无人机多光谱影像,分别基于归一化阴影指数（normalized shaded vegetation index,NSVI）和归一化冠层阴影指数（normalized difference canopy shadow index,NDCSI）去除果树冠层多光谱影像中的阴影,提取非阴影区域果树冠层光谱信息;通过相关性分析方法,将基于原始光谱影像和基于NSVI、NDCSI去除阴影后提取的光谱数据与实测叶片氮素含量进行相关性分析,分别筛选氮素含量的敏感波段并构建光谱参量;采用偏最小二乘（partial least square,PLS）及支持向量机（support vector machine,SVM）方法构建果树冠层氮素含量反演模型并进行精度检验。【结果】绿光波段和红光波段为果树冠层氮素含量反演的敏感波段;阴影削弱了果树冠层的光谱信息,去除阴影前后,冠层多光谱各波段光谱差异较大,在红边波段及近红外波段尤为明显;基于2个阴影指数去除阴影后构建的氮素反演模型精度均有提升,最优模型为基于NDCSI去除阴影后构建的支持向量机氮素含量反演模型,该模型建模集R²和RPD分别为0.774、1.828;验证集R²和RPD分别为0.723、1.819。【结论】基于NDCSI可有效去除无人机多光谱果树冠层影像中的阴影,提高氮素含量反演精度,为果园氮素精准管理提供了有效参考。     

基于高光谱的小麦旗叶净光合速率的遥感反演模型的比较研究

植物净光合速率是植物生产的基础,是体现植物生长状况的重要生理指标。本文将小麦旗叶高光谱波段反射率进行一阶导数变换后与净光合速率（Pn）进行相关性分析确定敏感波段,分别采用二次多项式逐步回归（QPSR）、偏最小二乘法（PLSR）、BP神经网络法（BPNN）3种方法构建小麦旗叶的净光合速率反演模型,并对3种模型的预测精度进行比较分析。结果表明：（1）将小麦旗叶的原始光谱进行一阶导数变换后与Pn进行相关性分析确定的敏感谱区集中在750~925 nm之间,确定的6个敏感波段分别是：760、761、767、814、815、889 nm;（2）基于QPSR、PLSR、BPNN3种方法以及敏感波段的反射率一阶导数构建的Pn估测模型预测精度都较高,说明用这3种方法以及敏感波段对Pn的估测是可行的,其中模型估算能力顺序为QPSR > BPNN > PLSR,说明小麦旗叶Pn的最佳高光谱分析模型为小麦叶片750~925 nm反射率一阶导数变化后的QPSR模型。     

基于高光谱特征参数优选的土壤盐分含量建模及其验证

目的 研究不同维度光谱变换下土壤盐分反演模型及其验证。方法 以博斯腾湖西岸湖滨绿洲为研究区,面向ASD高光谱数据,利用17种一维数学变换光谱和3种二维变换光谱指数,分别与实测土壤盐分进行相关分析,得到0.01显著性检验水平下初步优选的光谱特征参数,基于VIP准则选入最佳自变量实现PLSR模型构建,进行精度验证。结果 研究区干季土壤平均反射率随含盐量的增加而高于湿季土壤平均反射率,尤其体现在590、800、1 810、2 150 nm处;17种一维单波段光谱变换中,对数倒数的一阶微分(1/lgR)变换与土壤盐分含量相关性最好,峰值敏感波段为1 083 nm,相关系数绝对值|r|最高达0.63;3种二维两波段光谱变换中,归一化光谱指数NDSI(R_{1 780},R_{1 742})与土壤盐分含量相关性最好,相关分析决定系数R ²最大值为0.57;基于特征归一化光谱指数结合VIP准则进行自变量筛选的PLSR估算模型效果最佳,土壤盐分建模集和验证集的决定系数 {R_{\mathrm{V}}}^2 达0.77,均方根误差RMSEV为0.64 g/kg,相对分析误差RPD为2.11。 结论 利用归一化光谱指数NDSI建立PLSR高光谱模型可有效地对研究区土壤盐分进行定量估算。     

基于CARS-BPNN的江西省土壤有机碳含量高光谱预测

【目的】探讨光谱变量选择及依据土壤类型进行分层校准两种方法对高光谱预测土壤有机碳（SOC）精度的影响。【方法】以江西省为研究区,490个土壤样本为研究对象,对研究区内的所有样本以及不同土壤类型样本分别通过竞争性自适应重加权采样（CARS）算法筛选特征波段,并采用偏最小二乘回归（PLSR）、支持向量机（SVM）、随机森林（RF）、反向传播神经网络（BPNN）4种模型,对比不同土壤类型下SOC在全波段以及CARS算法筛选后特征波段的预测精度。进而,还对比了全局校准和分层校准下SOC在全波段以及CARS算法筛选后特征波段的预测精度。【结果】（1）红壤筛选的特征波段为484、683—714和2 219—2 227 nm,水稻土筛选的特征波段为484、689—702和2 146—2 156 nm。红壤采用CARS-BPNN模型预测效果最佳（R ²=0.82）,较全波段建模验证集R ²提升0.07。水稻土采用CARS-RF模型预测效果最佳（R ²=0.83）,较全波段建模验证集R ²提升0.13。（2）在总体样本上,分层校准相比全局校准精度有所提升。采用CARS-BPNN进行分层校准预测效果最佳（R ²=0.82）,较全局校准验证集R ²提升0.06。【结论】采用CARS-BPNN进行分层校准能够较好地预测江西省土壤有机碳含量,本研究可为其他类似地区预测土壤属性提供科学依据。     

桉树叶片光合色素含量高光谱估算模型

色素在植物的生理生态过程中非常重要,利用高光谱数据,揭示光谱反射率上特征波段与光合色素含量间的关系将有助于理解光合色素光谱反射特征的规律,同时为利用高光谱遥感技术快速无损监测植物叶片光合色素提供了技术支持.利用野外采集的桉树叶片样本,在实验室内测定了叶片的高光谱反射率及对应的叶绿素、类胡萝卜素含量.利用光谱分析技术和统计学方法对光谱数据进行处理分析,提取了光谱特征参量,并建立叶绿素、类胡萝卜素含量与光谱特征参量间的估算模型.通过精度检验,研究结果表明以(SDr-SDb)/(SDr+SDb)为变量建立的指数模型估算效果最佳.