基于无人机高光谱影像玉米叶绿素含量估算

以无人机为平台搭载高光谱相机获得玉米农田高光谱影像，从中提取光谱特征参数，构建玉米叶片叶绿素含量估算模型，并制作玉米叶片叶绿素含量分布图。结果表明，以红边面积（SDr）、红边一阶微分最大值（Dr）、差值植被指数(DVI)为自变量构建的回归模型建模精度较高，以此反演玉米叶片SPAD值分布图并对填图结果进行精度检验，得出SPAD-Dr模型填图预测效果最佳（R2=0.89,RMSE=1.28,RE=2.31），可以作为玉米叶片叶绿素含量无人机高光谱影像遥感反演估算的基本模型。     

干旱区冬小麦不同生长阶段的光谱特征与叶绿素含量估测研究

通过实测的冬小麦整个生长阶段的叶片光谱与其SPAD值,分析了二者的变化规律,比较了15种高光谱指数与SPAD值的相关性,最后确定不同生长阶段估算小麦叶片SPAD值的最佳植被指数。结果表明:冬小麦叶片SPAD值在整个生育期内的变化规律显示出先升高后迅速下降的趋势,最大值出现在灌浆期;通过15种植被指数与叶片SAPD值的相关性比较,在拔节期,优化的土壤调节植被指数(OSAVI)与冬小麦叶片SPAD值的相关性最高,其模型精度为0.74;在孕穗期和开花期,叶面叶绿素指数LCI与SPAD值的相关性最好,其模型精度为0.72和0.79;在灌浆期R700与SPAD值的相关性最佳,其模型精度为0.70;在乳熟期红边位置REP与SPAD值的相关性最好,其模型精度为0.69。     

干旱区玉米抽雄期叶绿素含量高光谱最佳模型选择

采用相关性、线性和非线性分析法,探讨了玉米抽雄期叶片叶绿素含量与多种高光谱参数之间的关系,并建立了叶绿素含量的定量监测模型。结果表明:(1)原始光谱反射率与叶绿素含量在713 nm处具有最大相关系数r=0.86,光谱反射率一阶微分在760 nm处与叶绿素含量具有最大相关性r=0.84。同时,最大一阶微分分别对应的波长(λr,λb,λy)、绿峰反射率(Rg)和其对应的波长λg、红边内最大一阶微分总和(SDr)、比值植被指数(SDr/SDb,SDr/SDy,(Rg-Ro)/(Rg+Ro))以及归一化植被指数(SDr-SDb)/(SDr+SDb)等10种参数分别与叶绿素含量的相关性达到极显著相关。(2)采用相关性达到极其显著的12种光谱参数进行建模,其中原始光谱、绿色反射峰以及光谱反射率一阶微分、基于红边面积与蓝边面积的比值植被指数和归一化植被指数所建立的10个模型R2都不小于0.72,前两者所建立的指数模型优于线性模型,而后三者所建立的线性模型则优于指数模型。(3)所选取的五个方程中,在760 nm处的光谱反射率一阶微分值所构建的线性模型:y叶绿素=6912x760nm+44.878因其具有最大决定系数和最小的RMSE,并且其模型表达式相对简单,因此是玉米抽雄期叶绿素含量的最佳预测模型,从模型决定系数R2来看,它比其他模型至少提高了11.4%。     

猕猴桃叶片SPAD值高光谱估算模型构建

利用便携式野外光谱辐射仪和叶绿素仪在陕西杨凌蒋家寨村测定了猕猴桃不同生育期叶片光谱反射率及其对应的叶绿素相对含量(SPAD)值,通过分析其光谱反射率、一阶微分光谱和SPAD的相关关系,构建了不同生育期基于红边位置、红边幅值、红边偏度和红边峰度的SPAD估算的单因素回归模型和多元逐步回归模型。结果表明:(1)随着猕猴桃叶片叶绿素含量升高,红边位置"红移",红边幅值随着SPAD值的增大而递减,红边面积有所减小,红边曲线形状由右偏逐渐转变为左偏,峰度值逐渐降低;(2)红边偏度能够更好地反映叶片叶绿素含量;(3)在不同生育期,均以红边偏度建立的单因素模型效果最好,建模R2分别为0.821、0.874、0.842;(4)与单因素多项式回归模型相比,多元逐步回归模型在不同生育期均有更好的建模精度和预测精度,在不同生育期,其预测R2分别为0.848、0.926、和0.850,是估算猕猴桃叶片SPAD值的最佳模型。     

多植被指数组合的冬小麦遥感估产方法研究

为了提高大面积冬小麦农田产量快速估算的准确率,选取Landsat 8 OLI卫星遥感数据,计算归一化植被指数NDVI、比值植被指数RVI、绿度植被指数GVI、增强植被指数EVI,分别建立4种植被指数组合与地面冬小麦实测产量的回归方程或神经网络和SVM模型。结果表明:单植被指数的非线性回归方程估产精度高于线性回归方程,冬小麦实测产量与遥感植被指数表现为非线性关系;线性回归方程估产时多植被指数组合精度高于单植被指数,多植被指数组合可实现信息互补,提高遥感估产精度;建立多植被指数组合与实测产量的非线性遥感估产模型时,SVM模型的均方根误差RMSE为339.6kg·hm~(-2),决定系数R~2为0.7852,估产精度高于BP神经网络模型、RBF神经网络模型,可应用于冬小麦遥感估产的快速、准确实现。     

利用光谱特征参数估算病害胁迫下杉木叶绿素含量

为了探索建立炭疽病胁迫下杉木叶绿素含量的高光谱估算模型,促进遥感技术在森林病虫害监测中的应用,通过获取不同发病程度的杉木冠层光谱及相应的叶绿素含量,将冠层光谱数据、一阶微分数据与相应的叶绿素含量分别进行了相关分析。采用逐步回归、主成分回归及偏最小二乘回归方法构建叶绿素含量的估算模型。叶绿素含量与原始光谱在可见光(614～698nm)和近红外区(724nm之后)达到极显著相关,且在近红外区基本趋于稳定;与一阶微分光谱在424～486nm、514～532nm、552～682nm、698～755nm和762～772nm波段全部达到极显著相关;3种建模方法均消除了参数间多重共线性的影响,模型的决定系数全部达到极显著水平,其中逐步回归模型精度最高,相对误差和均方根误差分别为10.71%和0.194。研究表明受到不同程度炭疽病胁迫的杉木冠层光谱反射差异较大,可利用高光谱信息定量估算病害胁迫下的杉木叶绿素含量,且估算精度较高。     

基于垂直植被指数的东北黑土区玉米LAI反演模型研究

本文旨在探讨以不同波段组合垂直植被指数所建立的高光谱模型对玉米叶面积指数(Leaf Area Index,LAI)的反演精度。在不同水肥耦合作用条件下,实测玉米冠层的高光谱反射率与叶面积指数数据以及裸土的高光谱反射率数据,在高光谱红光波段(631~760 nm)与近红外波段(760~1050 nm)逐波段构建土壤线,并在此基础上构建垂直植被指数(Perpendicolar Vegetation Index,PVI),找出与LAI具有最佳相关性波段组合PVI,建立玉米LAI估算模型。结果显示,采样波段间隔越窄,反演精度越高,在采样波段间隔1.4 nm的PVI(R677,R918)反演2004年的玉米LAI模型中,最佳回归方程是指数函数,精度达91.1%,标准差为0.1997,RMSE=0.0399,通过了0.01极显著验证。采用高光谱数据构建的PVI植被指数对玉米LAI的估算可以取得较高的精度。     

不同氮水平下冬小麦农学参数与光谱植被指数的相关性

利用光谱仪通过大田试验测量不同氮素水平及不同生育期冬小麦冠层的光谱反射率,测算叶面积指数(LAI)、叶绿素含量(CHL)、叶绿素密度(CHL.D)、地上鲜生物量和地上干生物量等农学参数;在此基础上分析了不同氮素水平冬小麦生育期内的光谱植被指数的变化,并分析了农学参数与植被指数之间的相关性。结果表明:小麦叶面积指数、叶绿素密度与比值植被指数(RVI)和归一化差值植被指数(NDVI)在各生育期呈显著相关,小麦叶片的叶绿素含量与RVI、NDVI在抽穗期呈极显著相关,而地上鲜生物量、地上干生物量与RVI和NDVI从起身到孕穗期呈显著相关。     

基于Stacking集成学习的猕猴桃叶片叶绿素含量估算

叶绿素含量能有效表征植物光合作用强度，是反映植物生长状况的重要参量之一。以秦岭北麓壮果期猕猴桃叶片为研究对象，分别测定其叶绿素含量和光谱反射率，通过分析380～1 000 nm范围内高光谱参数与叶绿素含量的相关性，筛选出估测模型的输入特征，选择随机森林、极限梯度提升树、K-近邻、LightGBM算法和岭回归作为基模型，线性回归作为元模型，建立基于Stacking集成学习的猕猴桃叶片叶绿素含量估算模型，并通过网格搜索和交叉验证提高模型泛化能力，将Stacking模型与多个单一模型进行比较。结果表明：(1)不同叶绿素含量的猕猴桃叶片高光谱反射率变化趋势基本一致，在380～1 000 nm范围内呈现“一峰两谷一平台”的特点；(2)各高光谱参数与猕猴桃叶片叶绿素含量相关性较好，优化光谱指数和传统光谱指数中与叶绿素含量相关性最高的分别是比值光谱指数(RSI′_581,438,r=0.947)和红边位置(r=0.914);(3)与多个单一模型相比，Stacking集成模型的估算精度最高(R²=0.807,MAE=0.334,RMSE=0.136),同时，其...     

基于连续小波变换的干旱胁迫下玉米冠层叶绿素密度估测

测定了玉米各生育时期干旱胁迫下冠层叶绿素密度及冠层光谱数据,利用原始光谱反射率与冠层叶绿素密度进行相关性分析,采用常用植被指数、波段自由组合、连续小波变换构建玉米冠层叶绿素密度估测模型,并用决定系数(R~2)、均方根误差(RMSE)进行精度检验。结果表明:冠层叶绿素密度在抽雄期相较于正常对照,轻度、中度、重度干旱胁迫处理分别下降7.8%、29.5%、44.2%;波段自由组合指数RVI(555,538)、NDVI(555,538)和敏感小波系数bior5.5(26,792)、rbio2.6(22,790)、gaus6(21,791)与叶绿素密度的相关性较高,相关系数绝对值均达到0.900以上;基于敏感小波系数构建的冠层叶绿素密度估测模型验证集R~2均在0.850以上,相较于其他植被指数模型R~2平均提升20.6%,RMSE平均降低32.6%;最优模型为以gaus6(21,791)为自变量的一元线性回归模型,R~2为0.864,RMSE为1.532。利用连续小波变换对光谱数据进行预处理,可以有效提升玉米冠层叶绿素密度估测模型的精度。     

基于高光谱数据的棉花叶绿素密度定量提取研究

利用ASD FieldSpec FR野外光谱仪,测试了棉花(2个品种4水平种植密度)各生育时期的光谱数据及对应的叶绿素密度(CH.D),分析了它们随生育期的变化规律,并对棉花冠层光谱数据与CH.D进行了回归分析.结果表明:用归一化植被指效(NDVI)建立的幂指数模型的相关系数最大(r=0.722**,n=30),可用以较好地提取棉花CH.D;红边斜率与棉花群体CH.D的线性相关达到1%极显著水平(rdλred=0.679**,n=30),用棉花新陆早19号729 nm波段的一阶微分光谱值与群体CH.D建立的线性回归模型,估测棉花新陆早13号的CH.D,实测CH.D与预测CH.D的相关系数r=0.8818**(n=30),估计精度为82.3%,RMSE为0.254 g/m2,说明可以用高光谱遥感数据对棉花冠层CH.D进行遥感定量监测.     

白粉菌侵染后田间小麦叶绿素含量与冠层光谱反射率的关系

 本文对白粉菌侵染后田间小麦叶片叶绿素含量与光谱反射率的关系进行了研究。用不同浓度的药液控制田间病害的发生梯度,于灌浆期对不同严重度小麦冠层的光谱反射率进行了测量,同时测定小麦叶绿素含量并调查病情指数,分析叶绿素含量与病情指数、冠层光谱反射率的关系。结果表明,药剂对叶绿素含量无显著影响;受白粉病危害后,小麦叶片叶绿素含量明显降低,抗性不同的品种之间下降速度存在差异,与病情指数之间也有极显著的相关性。绿光波段与叶绿素含量之间的相关性达到了显著水平;基于多波段建立的模型要优于单波段,可以利用绿光、红光波段的反射率估计叶绿素含量。红边参数与叶绿素含量之间也有较好的相关性,其中以红边面积的相关系数最大。     

冬小麦叶片叶绿素相对含量遥感估算模型研究

在分析前人对叶绿素含量监测方法不足的基础上，利用TM（Thematic Mapper）遥感影像探讨了估算冬小麦不同生育期叶片叶绿素相对含量的可行性。并基于遥感变量与地面实测叶绿素相对含量的相关关系分析结果，建立了冬小麦在拔节期和孕穗期叶片叶绿素相对含量的遥感定量估算模型，为利用遥感技术进行冬小麦的长势监测提供了依据。     

马铃薯受马铃薯甲虫危害后冠层光谱特征的初步研究

使用美国ASD野外便携式光谱仪测量马铃薯受马铃薯甲虫危害后冠层光谱反射率,进行光谱微分、相关分析,得出结论：在750～975 nm范围内,受害后的马铃薯与健康的马铃薯相比冠层光谱反射率下降,红边斜率降低。选择了马铃薯受害后的敏感波段为736～920 nm。     

Hyperspectral signal decomposition and symptom detection of wheat rust disease at the leaf scale using pure fungal spore spectra as reference

This study establishes a method to detect and distinguish between brown rust and yellow rust on wheat leaves based on hyperspectral imaging at the leaf scale under controlled laboratory conditions. A major problem at this scale is the generation of representative and correctly labelled training data, as only mixed spectra comprising plant and fungal material are observed. For this purpose, the pure spectra of rust spores of Puccinia triticina and P. striiformis, causal agents of brown and yellow rust, respectively, were used to serve as a spectral fingerprint for the detection of a specific leaf rust disease. A least-squares factorization was used on hyperspectral images to unveil the presence of the spectral signal of rust spores in mixed spectra on wheat leaves. A quantification of yellow and brown rust, chlorosis and healthy tissue was verified in time series experiments on inoculated plants. The detection of fungal crop diseases by hyperspectral imaging was enabled without pixel-wise labelling at the leaf scale by using reference spectra from spore-scale observations. For the first time, this study shows an interpretable decomposition of the spectral reflectance mixture during pathogenesis. This novel approach will support a more sophisticated and precise detection of foliar diseases of wheat by hyperspectral imaging.     

石羊河流域下游民勤荒漠植物光谱特征分析

选取石羊河流域下游民勤10种典型荒漠植物进行地面反射光谱测定,通过分析荒漠植物光谱特征、红边参数及对比荒漠植物与农作物光谱数据,提取荒漠植物识别的波段和所需波段光谱分辨率。结果表明:1)10种荒漠植物具有相似的光谱曲线形状,但是不同荒漠植物种由于叶子的组织结构、色素含量和含水量不同,使得反射率大小又具有各自的特点;5个波段区间光谱曲线差异显著,用于识别荒漠植物。2)荒漠植物红边位置都靠近长波方向;沙蒿的红边幅值最大,锦鸡儿最小;沙拐枣的红边面积最大,泡泡刺最小。3)荒漠植物光谱反射特征在680nm、970nm、1450nm和2190nm附近与农作物有较大差异,光谱分辨率在可见光和近红外波段需要30nm或更窄,在中红外波段需要50nm或更窄。     

A laboratory-based comparison of a molluscicide and an alternative food source (red clover) as means of reducing slug damage to winter wheat

Slugs are major pests of many crops in the UK, including winter wheat, yet current methods of control are often unreliable. This study investigates the potential use of red clover, as an alternative food source, to reduce the amount of damage caused to winter wheat by the field slug, Deroceras reticulatum (Müller). Two laboratory-based studies, each conducted over a 7-day period, investigated the effects of red clover seedlings and commercial metaldehyde pellets on damage to winter wheat seeds and seedlings. The results indicate that metaldehyde applications, in the form of commercially available pellets, resulted in significantly greater protection to wheat seeds compared with red clover, whereas metaldehyde and red clover were equally as effective in reducing damage to wheat seedlings. A further laboratory experiment investigated the effect of two slug population densities (48 and 16 adults m(-2)) and high and low red clover seed rates (125% and 75% of a standard rate) on damage to wheat seeds. Results showed that, at the highest slug population density, red clover sown at 125% of the standard rate gave 99% protection to wheat seeds, compared with the 75% seed rate which gave 55%. At the lower slug population density, both seed rates of red clover resulted in similar levels of protection. Implications for the potential use of red clover as an alternative food source for reducing damage to winter wheat in field conditions are discussed.     

卫星遥感结合地面观测估算中国西北区东部地表能量通量

采用定西麦田微气象观测站和试验区其它地区36个自动气象站、91个常规气象站资料,结合NOAA-16卫星的AVHRR资料,用地表能量平衡算法(SEBAL)推导中国西北区东部4~8月的日平均地表净辐射、感热、潜热、土壤热通量密度和波文比的区域分布特征,并按土地覆盖类型的不同分别统计沿黄灌区、冬春小麦雨养农田、草地、森林和沼泽草甸等不同地表的能量通量特征。结果显示:作物不同生育期,自南向北由湿润的常绿林区经半干旱雨养农业区直到干旱的荒漠地带,地表能量输送存在巨大的地区差异。计算结果与实测值之间的平均绝对百分误差为4%~21%,两者基本相符,该方法在算法上解决了用卫星资料反演地气温差的难点问题,提高了感热通量区域分布的计算精度。