基于多核支持向量机的小麦条锈病遥感监测研究

为提高小麦条锈病的遥感探测精度,依据日光诱导叶绿素荧光和冠层反射光谱数据在小麦条锈病遥感探测中的优势及其与病情严重度之间的映射关系,在运用独立分量分析法对光谱数据降维的基础上,利用核学习算法分别确定冠层光谱特征和日光诱导叶绿素荧光特征反映小麦条锈病病情严重度的最优核,同时针对冠层光谱与叶绿素荧光特征组,建立基于不同特征最优核映射的多核学习支持向量机模型,并与基于特征直接拼接的模型结果进行对比。结果表明,对于冠层光谱而言,采用高斯核构建的支持向量机模型可较好估测小麦条锈病病情指数,而日光诱导叶绿素荧光指数则是采用多项式核的效果更优;采用直接拼接法融合叶绿素荧光指数和冠层光谱特征能够在一定程度上改善小麦条锈病病情指数估测精度,决定系数(r~2)最高为0.847,而单独利用冠层光谱信息或者叶绿素荧光信息时,r~2最高仅为0.802;对日光诱导叶绿素荧光和反射光谱特征分别利用其最优核进行映射构建的多核学习支持向量机模型精度最高,r~2为0.915,RMSE为0.090,优于基于特征直接拼接构建的支持向量机模型精度。     

利用随机森林法协同SIF和反射率光谱监测小麦条锈病

小麦受到条锈病菌侵染后,作物的光合能力及色素含量等均会发生变化,日光诱导叶绿素荧光(solar-induced chlorophyll fluorescence,SIF)对作物光合生理的变化比较敏感,而反射率光谱则受作物生化参数的影响较大,为了提高小麦条锈病的遥感探测精度,该文利用随机森林(random forest,RF)等机器学习算法开展了协同冠层SIF和反射率微分光谱指数的小麦条锈病病情严重度的遥感探测研究。首先利用3FLD(three bands fraunhofer line discrimination)算法提取了冠层SIF数据,然后结合对小麦条锈病病情严重度敏感的11种反射率微分光谱指数分别基于RF和后向传播(back propagation,BP)神经网络算法构建了反射率微分光谱指数与冠层SIF协同的小麦条锈病病情严重度预测模型。研究结果表明:RF算法构建的小麦条锈病病情严重度预测模型优于BP神经网络算法,3个样本组中RF模型病情指数(disease index,DI)估测值与实测值间的决定系数R2平均为0.92,比BP神经网络模型(R2的平均值为0.83)提高了11%,均方根误差(root mean square error,RMSE)平均为0.08,比同组BP神经网络模型(RMSE的平均值为0.12)减少了33%,RF算法更适合于小麦条锈病病情严重度的遥感探测。在反射率微分光谱指数中加入冠层SIF数据后,RF模型和BP神经网络模型精度均有所改善,其中RF模型估测值与实测值间的平均R2提高了4%,平均RMSE减少了22%,BP神经网络模型估测值与实测值间的平均R2提高了14%,平均RMSE减少了28%,综合利用冠层SIF和反射率微分光谱指数能够改善小麦条锈病病情严重度的遥感探测精度。研究结果可为进一步实现作物健康状况大面积高精度遥感监测提供新的思路。     

遥感技术在烟草长势监测及估产中的应用进展

烟草长势信息是烟草生产管理的重要依据,全面了解遥感技术在烟草长势监测及估产中的应用进展,为利用遥感技术支撑科学化、精细化烟田管理提供科学参考。在对相关文献分析和归纳的基础上,从地面光谱、无人机遥感、卫星遥感3种尺度对目前遥感技术在烟草长势监测与估产方面的应用进行系统总结,并对进一步研究进行展望。（1）基于地面光谱对烟草的监测,主要是利用反射率光谱及其不同的变换形式、光谱指数和光谱位置变量估测其生理生化参量（氮、磷、钾、生物量、叶面积指数、叶绿素等）,为诊断烟草生长、健康状况、成熟度提供依据,进一步实现烟草长势监测、估产与品质评定。（2）利用无人机遥感技术能够在小尺度上对作物的面积进行提取、监测长势及估产,但受搭载相机分辨率、地形、自身稳定性等影响,不能监测烟草的细微变化。（3）参考LandSat、SPOT、MODIS、HJ-1等光学遥感数据以及SAR数据,利用遥感影像融合、分类等技术能够实现对大面积烟田病害、长势进行监测和产量估计。结合多源、多平台遥感数据,对烟草的参数进行定量研究,并利用同化技术对大尺度上烟草生长过程进行动态监测,来探索烟草的最佳采收期是未来研究的重点。     

基于分数阶微分光谱指数的小麦条锈病遥感监测模型构建

为提高小麦条锈病的遥感监测精度,该研究利用分数阶微分能够突出光谱的细微信息以及描述光谱数据间微小差异的优势,在对条锈病胁迫下小麦冠层光谱数据进行分数阶微分处理的基础上,构建了两波段和三波段分数阶微分光谱指数,并将其应用于小麦条锈病的遥感探测。研究结果表明,1.2阶次微分光谱与小麦条锈病冠层病情严重度的相关性最高,较原始反射率光谱、一阶微分光谱和二阶微分光谱分别提高了20.9%、3.9%和20.5%;基于分数阶微分光谱指数的最优分数阶次及其对应波长构建的三波段分数阶微分光谱指数对小麦条锈病的探测能力优于两波段分数阶微分光谱指数,其中分数阶微分光化学指数与冠层病情严重度的相关系数达到0.875;以分数阶微分光谱指数为自变量构建的高斯过程回归（Gaussian Process Regression,GPR）模型对小麦条锈病冠层病情严重度的预测精度优于反射率光谱指数,其训练数据集及验证数据集病情指数（Disease Index,DI）预测值和实测值间的决定系数较反射率光谱指数分别提高了3.8%和19.1%,该研究结果对进一步实现作物健康状况大面积高精度遥感监测具有重要意义。     

基于成像高光谱的苹果树叶片病害区域提取方法研究

【目的】对带病斑苹果树叶片的高光谱图像进行病斑提取,为作物病虫害的遥感监测提供支持。【方法】对带有病斑的苹果树叶片成像高光谱图像,从传统基于光谱特征和面向对象特征2个方向入手进行病斑提取。为减少高光谱图像波段之间的冗余,首先对高光谱图像采用PCA变换进行降维处理,利用降维之后的前11个波段,分别采用波谱角分类和面向对象分类的方法提取苹果树叶片病害区域。【结果】由于同物异谱和异物同谱现象的存在,波谱角分类算法在提取病斑时,对叶柄和叶脉产生了错误的分类,而且以像元为分类单位的波谱角分类,在分类结果图中存在椒盐噪声,而面向对象分类则避免了这一现象的发生。【结论】采用面向对象分类方法提取苹果叶片病斑的结果优于基于光谱特征的波谱角分类方法,其总体精度和Kappa系数分别为98.44%和0.97。     

棉花黄萎病病情严重度的连续统去除估测法

该文利用地面高光谱数据遥感监测棉花黄萎病病情严重度.通过分析黄萎病不同病情严重度下棉花单叶光谱变化特征,筛选对病情严重度识别的敏感波段,利用连续统去除法对光谱反射率进行处理并构建基于光谱特征吸收参量的病情严重度估测模型.红光光谱(650～700 nm)是识别棉花单叶黄萎病病情严重度的最佳波段,且随受害棉叶病情严重度增加,红光光谱吸收波段位置向长波方向移动,吸收波段深度及特征吸收峰面积减小,二者与病情严重度呈极显著线性相关关系.以红光波段特征吸收峰右半端面积为自变量建立的线性模型具有最大决定系数,最小均方根误差,为棉花单叶黄萎病病情严重度估测的最佳模型.研究结果表明,利用高光谱遥感技术能够有效地监测棉花黄萎病病情严重度,为进一步深入研究棉花黄萎病的遥感监测机理提供理论依据.     

基于PLS算法的棉花黄萎病高空间分辨率遥感监测

棉花黄萎病危害程度大,发生范围广,已成为中国乃至世界上棉花主要病害之一。论文基于野外定位调查数据及高空间分辨率遥感影像,利用变量投影重要性（VIP）准则筛选最优变量,用偏最小二乘回归（PLS）方法建立棉花黄萎病病情严重度的定量估测模型,并利用已建立的估测模型和高分辨率IKONOS影像获取了不同病情严重度的空间分布图。研究结果表明：在所分析的13个遥感因子中,增强植被指数（EVI）、再归一化植被指数（RDVI）、全球环境监测指数（GEMI）、差值植被指数（DVI）、修改型土壤调整植被指数（MSAVI）、归一化植被指数（NDVI）为棉花黄萎病病情严重度遥感估测的敏感因子,能够有效估测棉花黄萎病病情严重度,其模型预测值与实测值间的R2、RMSE和RE分别为0.78、0.45、9.2%。论文利用PLS算法和高分辨率卫星影像实现了棉花黄萎病病情严重的遥感监测,研究结果对实现大范围农作物病虫害的遥感监测具有重要的参考价值。     

基于CC-MPA特征优选算法的小麦条锈病遥感监测

为了弥补一次性建模分析的缺陷,提高小麦条锈病遥感监测模型的运行效率和精度,根据模型集群分析（Model population analysis,MPA）算法的特点,综合利用光谱区间选择算法和光谱点选择算法的优势,提出了一种联合相关系数（Correlation coefficient,CC）与MPA的特征变量优选算法。在利用CC算法对全波段光谱进行特征变量选择的基础上,分别利用基于MPA思想开发的竞争性自适应重加权采样法（Competitive adaptive reweighted sampling,CARS）和变量组合集群分析法（Variable combination population analysis,VCPA）进一步优选对小麦条锈病敏感的特征变量,并利用偏最小二乘回归（Partial least squares regression,PLSR）算法构建了小麦条锈病遥感监测的CC-CARS和CC-VCPA模型。结果表明：联合CC-MPA算法优选的特征变量构建的CC-CARS和CC-VCPA模型精度均高于CC、CARS和VCPA算法。3组验证集样本中,CC-CARS模型预测病情指数（Disease index,DI）与实测DI间的R2V较CC模型和CARS模型至少分别提高了6.78%和6.66%,RMSEV至少分别降低了15.31%和10.98%,RPD至少分别提高了18.08%和12.34%。CC-VCPA模型预测DI与实测DI间的R2V较CC模型和VCPA模型至少分别提高了9.58%和0.73%,RMSEV至少分别降低了20.78%和3.86%,RPD至少分别提高了26.22%和4.02%。基于CC-MPA的光谱特征优选算法是一种有效的特征选择方法,尤其是利用CC-VCPA方法选择的特征变量数更少,模型预测效果更好,研究结果对光谱特征优选及提高作物病害遥感监测精度具有重要的参考价值。     

3FLD和反射率荧光指数估测小麦条锈病病情严重度的对比分析

为研究小麦条锈病病情严重度和日光诱导叶绿素荧光强度的关系,确定适合于探测小麦条锈病病情严重度的叶绿素荧光因子。本文分别利用3FLD(three bands Fraunhofer Line Discrimination)和反射率指数2种方法提取了日光诱导叶绿素荧光强度,对比分析了这2种方法估测的日光诱导叶绿素荧光强度在小麦条锈病病情严重度遥感探测中的应用潜力。利用3FLD方法计算的O2-A和O2-B波段叶绿素荧光强度与小麦条锈病病情严重度均达到了极显著相关,复相关系数分别为0.677 2和0.492 4。基于反射率指数估测日光诱导叶绿素荧光时,叶绿素荧光反射率比值指数R_(740)/R_(720)、R_(440)/R_(690)、R_(740)/R_(800)以及叶绿素荧光一阶导数光谱指数D_(705)/D_(722)、D_(730)/D_(706)与小麦条锈病病情严重度均达到了极显著相关,尤其是比值指数R_(440)/R_(690)与小麦条锈病病情指数的相关性最高,复相关系数达到了0.718 7。基于辐亮度的3FLD算法和基于反射率的叶绿素荧光比值指数2种方法提取的叶绿素荧光强度均能够实现小麦条锈病病情严重度的遥感探测,但利用反射率方法提取的日光诱导叶绿素荧光强度构建的小麦条锈病病情严重度估测模型优于3FLD算法,更适合小麦条锈病病情严重度的遥感探测。论文的研究结果为基于卫星平台的叶绿素荧光遥感探测小麦条锈病提供了重要的理论依据。     

冬小麦生育期内土壤氮素的时空变异

【目的】研究冬小麦生育期内土壤溶液中硝态氮及铵态氮的时空变化特征及变量追肥对其含量变化的影响,以期为田间作物的栽培与管理提供参考依据。【方法】以国家精准农业研究示范基地2013-2014年小麦试验为例,采用常规统计分析与地统计分析两种方法分别探索土壤溶液中硝态氮与铵态氮在时间序列上的变化特征及空间结构特征,并采用普通克里金插值法获取硝态氮与铵态氮空间分布图,最终比较分析了冬小麦生育期内硝态氮与铵态氮的空间变化规律。【结果】通过常规统计分析发现冬小麦起身期至收获期内,土壤溶液中铵态氮含量受追肥影响不明显,整体呈降低趋势,而硝态氮含量受追肥影响,呈先降低后升高又降低的趋势;在起身、拔节、开花与灌浆期,不同追肥处理间铵态氮的变化没有显著差异,在收获期,D、S处理与其他不同处理间有显著或极显著差异;硝态氮的变化在起身与开花期,不同处理间没有显著差异,在拔节期,BH处理与其他各处理间均有极显著差异;在灌浆期,CK处理与T处理、D处理、S处理间均有极显著差异;在收获期,D处理与其他各处理间有显著或极显著差异。通过地统计分析发现起身、拔节、收获期的铵态氮空间分布均一度较高,连续性强,空间自相关性好,而开花、灌浆期其空间分布差异较大,受随机因素影响严重;拔节、灌浆、收获期的硝态氮空间分布连续性强,均一度高,空间自相关性好,而起身、开花期其空间分布差异较大,空间自相关性较弱。分析对比硝态氮与铵态氮的空间插值图发现硝态氮在起身与拔节期,试验区北部含量低于南部,到开花与灌浆期整个试验区硝态氮含量普遍较高,到收获期变为北部含量高于南部;铵态氮在起身期,试验区北部含量低于南部且由北往南含量逐渐升高呈条带状分布,到开花与灌浆期其空间分布差异较大,到收获期北部含量明显高于南部。【结论】变量追肥对于铵态氮的变化趋势没有影响,提高了硝态氮含量且主要发生在开花期,同一生育期内不同处理之间对于它们含量的变化是有差异的。