基于CNN和SVM的地面高光谱遥感草地植物识别

物候期和识别模型的选择直接影响植物识别的精度。本研究以蒿类荒漠草地主要植物伊犁绢蒿(Seriphidium transiliense)、角果藜(Ceratocarpus arenarius)以及裸地为识别对象,选择4月、6月、9月3个时期,通过SOC 710 VP高光谱成像仪采集草地群落高光谱数据,在分析地物光谱反射率差异的基础上,利用最佳指数因子(OIF)筛选特征波段,通过卷积神经网络(CNN)和支持向量机(SVM)建立识别模型。结果表明：1)不同物候期的伊犁绢蒿与角果藜在可见光波段均表现为“低-高-低”的光谱反射率趋势,并随月份增加峰谷现象逐渐不明显;红边波段这两种植物表现出快速上升;在NIR平台区4月各识别对象间反射率大小差异最明显。2)利用OIF筛选的识别波段组合在月份间表现一致,为638.64、789.49和923.79 nm。3)在识别精度上,SVM> CNN;4月> 9月> 6月;裸地>伊犁绢蒿>角果藜。综合来看,采用SVM在4月对蒿类荒漠草地主要植物进行识别的精度最高,为92.12%。     

伊犁绢蒿光谱反射率及反演精度对覆盖度变化的响应

为探究覆盖度变化对植物光谱反射率的影响,实现覆盖度和生物量的高精度反演,以伊犁绢蒿(Seriphidium transiliense)为对象,通过室内控制试验获取不同覆盖度下植物光谱反射率,采用最大归一法、一阶微分和二阶微分变换分析其反射率变化,利用归一化植被指数(NDVI)、比值植被指数(RVI)、增强型植被指数(EVI)和土壤调节型植被指数(SAVI)共4种植被指数对覆盖度与生物量进行反演,探讨反演精度对覆盖度变化的响应。结果表明：伊犁绢蒿植物种群的冠层光谱反射率在可见光波段随覆盖度增加逐渐减小,在近红外波段逐渐增加,在680 nm处形成植物特有的红边效应,最大归一化和微分变换突出了植物的光谱特征;光谱反射率差值在可见光波段随覆盖度增加基本稳定;利用植被指数逐级反演覆盖度与生物量时,精度随覆盖度增加整体呈上升趋势;利用土地利用/覆盖变化(LUCC)分覆盖度反演时,提高了覆盖度大于20%的伊犁绢蒿种群的数量特征反演精度,且最佳指数为SAVI。     

施氮水平对马蹄金草坪反射光谱特征及光合色素含量的影响

为促进高光谱遥感技术在草坪营养状况监测中的应用,以马蹄金(Dichondra repens)草坪为材料,研究了不同施氮水平马蹄金草坪反射光谱特征和叶绿素含量的变化,分析了马蹄金草坪高光谱反射率与叶绿素含量的相关性。结果表明,施氮可以显著增加马蹄金草坪草的光合色素含量(P0.05),降低其可见光区光谱反射率;马蹄金草坪草绿波段(520~570nm)光谱反射率与叶绿素含量呈显著负相关关系,以绿波段反射率R570nm与叶绿素b间相关性最高,利用R570nm的变化来反演其叶绿素含量的变化可以达到较好的拟合效果(R2达0.85,P0.01)。试验为利用高光谱遥感技术快速、无损伤探测马蹄金草坪草的色泽和营养状况提供了理论支持。     

基于HJ-1A卫星数据的高寒草地氮素评估-以青海省贵南县及玛沁县高寒草地为例

基于HJ-1A HSI卫星遥感资料,结合2014年青海省玛沁县、贵南县研究区高寒草地野外实测数据,建立了高寒草地氮素含量的估测模型,并对模型进行了精度评价,筛选出最优反演模型,分析了研究区高寒草地氮素的空间分布。结果表明,1)高寒草地HSI的原始光谱反射率、一阶导数光谱反射率及去包络线光谱反射率与地面实测氮素含量有一定的相关性,特别是吸收特征波段1(750.95~791.95 nm)和吸收特征波段3(889.03~921.30 nm)与氮素含量具有显著的相关性;2)基于吸收特征波段1构建的波段深度指数BD_767.99可以较好的估测研究区高寒草地氮素含量,利用此变量拟合的线性回归模型可以解释研究区高寒草地氮素含量变化的44%,模型估测精度可达81.6%;3)贵南研究区氮素含量的空间变异较大,整体而言,西北部和西南部地区氮素含量较高,东北部地区氮素含量较低;玛沁研究区氮素含量的空间变异较小,草地氮素含量水平整体较低。     

基于CNN和SVM的无人机多光谱遥感草地植物识别

为选择最佳的物候期、飞行高度和识别模型提高植物识别的精度，本研究以伊犁绢蒿(Seriphidium transiliense)荒漠草地主要植物伊犁绢蒿、角果藜(Ceratocarpus arenarius)以及裸地为识别对象，选择4月、6月、9月3个飞行时期，15m，30m，60m 3个飞行高度，通过无人机搭载多光谱相机采集草地群落多光谱数据，在分析光谱反射率差异的基础上，利用最佳指数因子(Optimum index factor，OIF)筛选特征波段，通过卷积神经网络(Convolutional neural network,CNN)和支持向量机(Support vector machines,SVM)建立识别模型。结果表明：地物反射率4月＞6月＞9月，15m＞30m＞60m；不同飞行高度下OIF值一致，但在月份间具有差异，4月敏感波段为Green，Red和NIR，6月和9月敏感波段为Red，Red edge，NIR；在识别精度上SVM＞CNN，4月＞9月＞6月，15m＞30m＞60m，裸地＞伊犁绢蒿＞角果藜。综合来看，采用SVM在4月、15m飞行高度下进行识别的总体精度最高，达到86.23%。     

基于反射率及导数的草原植被冠层光合有效吸收分量高光谱反演

利用ASD便携式野外光谱仪和光量子仪实测了6种草原植被类型关键生育期的反射光谱数据和光合有效辐射值,利用可见光波段处反射率及近红外波段区处一阶导数分别与fPAR建立逐步回归方程,同时,将各波段反射率与各波段导数光谱建立逐步回归方程。结果表明:典型草原光合有效辐射分量与可见光反射率相关性好于近红外波段反射率,其中在405和470 nm波段相关性最好;fPAR与一阶导数相关关系在855和965 nm波段处较强。fPAR与405和470 nm反射率以及965 nm一阶导数的多波段逐步回归分析结果取得了较单波段和NDVI最优的估算效果,R²达0.939。利用高光谱数据进行fPAR估算时,需要综合考虑可见光和近红外波段信息,同时也要充分考虑反射率与反射率导数的方法。水分强吸收的光谱波段具有提高fPAR估算精度的潜力。     

基于高光谱数据的高寒草甸氮磷钾含量估测方法研究——以青海省贵南县及玛沁县高寒草甸为例

以青海省玛沁县和贵南县高寒草甸作为典型研究区,利用地物光谱仪采集了20块样地的高光谱数据,并测定了对应样地所有样方中牧草的养分含量,分析了牧草中氮磷钾素含量与冠层原始光谱反射率和一阶微分光谱反射率之间的相关关系;采用回归统计方法,基于光谱位置变量,光谱面积变量及植被指数变量构建了高寒草甸氮磷钾素的估测模型,并对模型进行了精度评价.结果表明,1)与原始光谱反射率曲线相比,一阶微分光谱反射率曲线能较好地反映牧草中N,P,K素所对应的敏感波段;2)高寒草甸牧草中N,P,K素含量与冠层高光谱相关性较强的波段大多分布在红光区域(680~760 nm);3)基于光谱位置变量构建的估测模型能更好地反演高寒草甸N,P,K素含量.其中,以光谱位置变量R'_708.88为自变量的对数模型对氮素含量估测效果较好,R²为0.67,估测精度达到83.56%;以光谱位置变量R'_704.85为自变量的对数模型对磷素含量估测效果较好,R²为0.55,估测精度达到92.15%;以光谱位置变量R'_697.36为自变量的对数模型对钾素含量估测效果较好,R²为0.86,估测精度达到82.44%.     

基于红光和近红外反射光谱特征参数反演草地地上生物量

2013年6~10月测定东非狼尾草+白三叶混播草地冠层反射光谱和地上生物量;分析红光波段和近红外波段反射光谱特征参数与牧草鲜重及干物质之间的相关关系;构建并检验基于红光单波段和植被指数(NDVI、RVI、DVI)反演草地地上生物量回归模型。结果表明:红光波段反射率与草地地上生物量之间存在显著相关性;地上生物量的增加能够显著降低"红谷"反射率,显著升高近红外850.0nm处反射率;选用红光单波段反射率、红光波段构建的植被指数RVI或红光与近红外波段构建的植被指数NDVI,均能够精确反演草地鲜草产量和干物质产量;适宜估产的植被指数因季节和草地生物量的差异而不同,在6月11日,植被指数RVI反演模型估测的草地生物量与实测值的模拟效果最好,10月12日,植被指数NDVI反演模型估测的草地生物量与实测值的模拟效果最好。     

不同盖度下伊犁绢蒿荒漠草地光谱特征及盖度反演精度研究

基于覆盖度变化影响地面光谱特征以及导致反演精度不高的问题,本研究借助SVC HR-768便携式光谱仪,于4月28日对伊犁绢蒿荒漠草地群落特征、地面光谱进行测定,研究在18～30%、31～40%、41%～50%、51%～60%4个覆盖度下群落冠层光谱变化特征,进而采用光谱波段,NDVI、RVI、DVI和SAVI对其进行反演。结果表明:(1)植物反射光谱随群落覆盖度的增加而降低。(2)覆盖度和反射率成负相关,可见光波段的相关系数与覆盖度无明显规律,近红外的部分波段内,覆盖度越大,相关系数越大。(3)采用相关性较大的单一波段进行反演时,覆盖度越大,反演精度越好;当覆盖度30%, DVI反演精度最高;而当覆盖度30%,SAVI对覆盖度的反演精度最好。     

退化伊犁绢蒿荒漠草地群落特征与地面光谱反射率相关性分析

利用便携式光谱仪,采集围栏内外伊犁绢蒿(Seriphidium transiliense)荒漠草地群落的光谱反射率,并测定其群落数量特征,研究两者之间的相关性,围栏内外对比,并筛选出敏感波段进行回归分析,建立预测模型。结果表明:围封的退化伊犁绢蒿荒漠草地得到了一定恢复;一阶微分后的光谱数据与草地群落的相关性明显提高,归一化不但可以提高相关水平,更加突出了围栏内外的差异;根据筛选出的敏感波段做回归分析,比较显著性和相关性,确定预测模型,围栏外盖度以677.4~729.6nm波段建立,y=-232746x3+65081x2-5386.9x+165,相关系数达到0.82(P0.01),围栏内盖度以622~754.3nm波段建立,y=-1040.5x2+526.78x-8.3912,相关系数为0.73(P0.01);围栏外地上生物量以1 904nm和624.8~734.9nm波段建立,y=0.0773x2-6.5177x+159.41,y=10.46e8.7018x,相关系数分别为-0.86(P0.01)和0.86(P0.01);围栏内地上生物量以622~729.6nm波段建立,y=2875x2-328.02x+46.013,相关系数为0.82(P0.05),而地面光谱反射率及两种处理方法与群落的平均高度、密度相关性较低。     

退化伊犁绢蒿荒漠草地高光谱特征分析

利用SVC HR-768 便携式光谱仪测定围栏内、外不同退化梯度伊犁绢蒿（Seriphidium transiliense）荒漠草地植物群落的光谱反射率,以及该类草地退化过程中的优势种伊犁绢蒿（减少种）、叉毛蓬（Petrosimonia sibirica）（增加种）、萹蓄（Polygonum aviculare）（侵入种）和裸地的光谱反射率,为实现伊犁绢蒿荒漠草地的高光谱遥感监测奠定基础。结果表明：在近红外波段,特征种与裸地的光谱反射率为裸地>萹蓄>伊犁绢蒿>叉毛蓬。萹蓄光谱反射率对退化草地植物群落的反射特征影响很小。退化草地植物群落冠层光谱反射率主要受伊犁绢蒿和叉毛蓬反射特征的影响,与优势种重要值成正相关关系,中度退化草地植物群落光谱反射率为围栏内>围栏外;重度和极度退化草地植物群落光谱反射率为围栏内<围栏外。     

基于高光谱成像技术的伊犁绢蒿荒漠草地主要植物识别参数的筛选

为获得伊犁绢蒿荒漠草地主要植物最佳识别参数，本研究利用SOC710 VP成像光谱仪于4月采集群落影像，以伊犁绢蒿（Seriphidium transiliense）、角果藜（Ceratocarpus arenarius）、叉毛蓬（Petrosimonia sibirica）和裸地为识别对象，基于光谱学响应与峰谷特性选取8个位置参数、2个面积参数、4个植被指数，按照显著性差异从小到大逐一筛选敏感参数，并使用Fisher判别分析进行精度验证。结果表明：4种识别对象的反射率大小在可见光和近红外波段表现出不同的特征；用筛选出的红谷位置、红边位置、红谷幅值、蓝边面积、NDVI₁、RVI₁和RVI₂进行判别，精度分别为伊犁绢蒿91.11%、角果藜80.56%、叉毛蓬91.11%、裸地100%，总精度为92.13%。本试验筛选出的识别参数建立判别模型可为进一步对群落影像进行物种定量分类提供依据。     

当前(1970—2000)与未来气候变化情境下中国醉马芨芨草潜在分布预测

醉马芨芨草(Achnatherum inebrians)是我国西北、华北地区严重危害草地畜牧业和生态安全的主要毒害草之一，但其在药用、造纸、脱毒后饲用等方面有一定利用价值。本研究利用优化的MaxEnt模型预测了当前(1970—2000年)条件下和未来(2050 s和2070 s)4种气候变化情景下的醉马芨芨草潜在分布。结果显示：影响当前醉马芨芨草分布的关键环境变量与其适生阈值为12月平均最高气温(—7.5~7.9℃)、海拔(1 053.8~4 590.9 m)、最冷季降水量(1.6~24.6 mm)和降水量变异系数(25.5~111.5)；当前醉马芨芨草主要分布于新疆、西藏、四川、青海、甘肃、内蒙古、宁夏、陕西和山西等省区；在未来4种气候情景下，醉马芨芨草适生区面积均会增加，并向高纬度和高海拔地区迁移。研究为醉马芨芨草的防治和资源利用、草地生态学研究和草地放牧管理提供了理论依据和参考。     

冰草组织培养再生体系建立及耐旱转基因研究

本研究以冰草属植物中的4个品种——蒙古冰草新品系(A.mongolicum Keng)、航道冰草(A.cristatum cv.Fairway)、诺丹冰草(A.desertorum cv.Nordan)和一个种间杂种冰草——蒙农杂种冰草(A.cristatum×A.desertorum cv.Hycrest-Mengnong)为材料,分别以幼穗为外植体建立了冰草组织培养再生体系。在此基础上,以调控脯氨酸生物合成最后一步的关键酶的突变体基因P5CS为目标基因,bar基因为筛选标记基因,用基因枪法轰击幼穗诱导的愈伤组织,获得转基因植株。利用PCR方法从拟南芥(Arabidopsis thaliana)基因组DNA中分离得到了CBF4及其启动子,并对CBF4启动子进行了序列分析和初步的功能分析。     

Establishment of TaqMan Real-time PCR Assay for Detection of Arcanobacterium pyogenes

The study was aimed to establish a specific and sensitive TaqMan Real-time PCR assay for detection of Arcanobacterium pyogenes (A.pyogenes).Based on the conservative sequence of pyolysin (PLO) gene of A.pyogenes published in GenBank, specific primers and TaqMan probes were designed. The TaqMan Real-time PCR assay was established, and the specificity and sensitivity were tested.The specificity test results showed that only A.pyogenes exhibited typical curves.The detection sensitivity of this assay was 77.6 fg genomic DNA per 20 μL reaction, and 63 CFU/mL for pure cultures.16 out of 23 clinical samples were positive detected by the TaqMan Real-time PCR assay, which were consistent with API Coryne identification.The TaqMan Real-time PCR assay developed in this study was specific and sensitive for detection of A.pyogenes, and it could be used for identification and epidemiological investigation of A.pyogenes.     

不同动物对醉马草种子扩散的影响

动物通过皮毛携带、搬运等方式对种子在空间上的扩散产生不同影响,是植物种子实现远距离扩散的重要途径。以草原毒害草醉马草（Achnatherum inebrians）为研究材料,采用野外模拟及控制性试验,测定了马、牛、羊皮毛附着和保留种子的能力,以及鼠类、蚂蚁对种子的搬运能力,分析动物对醉马草种子的扩散规律。结果表明,马、牛、羊模型种子的附着率：羊 > 牛 > 马（P<0.05）,种子掉落率：羊 < 牛 < 马（P<0.05）;随着行走天数的延长,种子在马、牛、羊皮毛上的附着率呈下降趋势。马的背部以及牛、羊的背、侧部最易附着种子;种子的侧部最易附着在皮毛上,以种子顶部附着的种子最不易掉落。24 h内鼠类、蚂蚁对种子的扩散范围分别为0~15 cm和0~40 cm。综上所述,家畜对醉马草种子起到远距离扩散作用,且羊比马、牛更容易增加种子的扩散强度。蚂蚁、鼠类对醉马草种子起到短距离扩散作用。     

化脓隐秘杆菌TaqMan实时荧光定量PCR检测方法的建立

本试验旨在建立检测化脓隐秘杆菌(Arcanobacterium pyogenes,A.pyogenes)特异、灵敏的TaqMan实时荧光定量PCR检测方法。根据GenBank公布的化脓隐秘杆菌溶血素(pyolysin,PLO)基因高保守序列,设计特异性引物和探针建立检测体系,用于化脓隐秘杆菌的快速检测,并对该方法的特异性和灵敏度进行检测。结果显示,本试验建立的TaqMan实时荧光定量PCR方法仅对化脓隐秘杆菌的检测结果为阳性;该方法最低检测DNA浓度为77.6 fg,最低检测细菌浓度为63 CFU/mL。采用本研究建立的方法检测23份林麝临床病例样品,共鉴定出16株化脓隐秘杆菌,与API Coryne生化鉴定方法的结果相同。本研究为化脓隐秘杆菌的检测提供了一种灵敏、特异、快速的检测方法,其可用于化脓隐秘杆菌的诊断和流行病学调查。     

竞争效应对红色型豌豆蚜繁殖的影响

为明确种间竞争和种内竞争效应对红色型豌豆蚜生长和繁殖产生的影响,本研究以红色豌豆蚜克隆、绿色型豌豆蚜克隆及豌豆修尾蚜克隆作为试验材料,选用琼脂法,首先制备4种竞争试验区(1头区,2头区,种内竞争区和种间竞争区),观察各试验区蚜虫的种群动态,另准备3个(红色型、绿色型及豌豆修尾蚜)高密度种群处理,分别往里放入1头4龄红色克隆若虫,统计其3日总产蚜数。结果发现,种内竞争区和种间竞争区,二者的竞争效应都非常明显,竞争区混合种群的增殖率高于2头区,种间竞争区红色克隆胜利组单头红色克隆第10天新生蚜数高于其他处理。此外,高密度的绿色克隆和豌豆修尾蚜种群均能抑制红色克隆的繁殖。因此,红色型豌豆蚜能通过评估竞争种和同伴的相对密度来控制繁殖,无论是种间竞争还是种内竞争均能影响其繁殖,且种间竞争可能加速它的繁殖速率。     

Detection of genomic DNA of the crayfish plague fungus Aphanomyces astaci (Oomycete) in clinical samples by PCR

A diagnostic procedure, based on a polymerase chain reaction method (PCR) was developed to detect infection of crayfish with the Oomycete Aphanomyces astaci. A set of oligonucleotide primers was designed to specifically amplify A. astaci DNA in the ITS region surrounding the 5.8S rDNA gene. The PCR amplifies a 115 bp amplicon. The specificity of the primers was demonstrated by testing on 27 A. astaci strains and against 20 non-A. astaci Oomycetes and 5 fungal species. Most of the non-A. astaci Oomycete or fungal species included in the study are either known parasites of freshwater crayfish cuticle or can be found in their natural environment. Specificity was also tested against crayfish tissue and some known parasites and bacteria infecting crayfish.

A protocol for the extraction of A. astaci DNA from infected crayfish tissue was developed. The optimised method allows the detection of two genome equivalents of purified A. astaci genomic DNA.

The method was tested on noble crayfish (Astacus astacus), artificially infected with A. astaci. Detection of A. astaci was possible at the very first time of sampling, which was 2 days after the beginning of spore exposure.