基于特征光谱参数的苹果叶片叶绿素含量估算

果树叶绿素含量的快速、无损、准确监测,可以及时掌握果树的营养水平,对指导果树管理具有重要意义。该文利用2012年和2013年山东省肥城市潮泉镇下寨村的苹果叶片叶绿素含量和叶片光谱数据,分析了叶绿素含量和苹果叶片原始光谱及其变换形式之间的相关性,筛选出较优光谱参数,并利用随机森林法、偏最小二乘法、BP神经网络和支持向量机回归法进行估算和验证。结果表明:1)叶绿素含量与叶片原始光谱及其变换形式之间的最优光谱参数分别为554和708 nm的原始光谱反射率,554和708 nm倒数之对数光谱,535、569、700和749 nm一阶微分光谱以及557和708 nm连续统去除光谱;2)随机森林、偏最小二乘法、BP神经网络和支持向量机估算模型的R2分别为0.94,0.61,0.66和0.60,RMSE分别为0.34,0.78,0.75和0.81 mg/dm2。说明随机森林算法模型用于估算苹果叶片叶绿素含量效果较好,为及时了解果树养分状况及果树营养诊断提供技术支持。     

基于EPO算法去除水分影响的土壤有机质高光谱估算

野外进行土壤有机质的光谱快速预测时需考虑土壤含水量的影响。在室内设计人工加湿实验分别获取9个土壤含水量梯度(0~32%,间隔4%)的土壤光谱数据,分析土壤含水量变化对光谱的影响,再利用外部参数正交化法(external parameter orthogonalization,EPO)进行湿土光谱校正,并结合偏最小二乘回归和支持向量机回归分别建立土壤有机质预测模型。结果表明,土壤光谱反射率随着土壤含水量的增加呈非线性降低趋势,偏最小二乘回归模型的预测偏差比为1.16,模型不可用;经EPO算法校正后,各土壤含水量梯度之间的光谱差异性降低,能实现土壤有机质在不同土壤含水量梯度的有效估算,偏最小二乘回归和支持向量机回归模型的预测偏差比分别提高至1.76和2.15。研究结果可为田间快速预测土壤有机质提供必要参考。     

柑橘叶片叶绿素含量高光谱无损检测模型

针对柑橘叶片叶绿素含量的传统化学检测,不仅耗时长且损伤柑橘叶片,还依赖检测者实操技术,无法集成于精细农业中变量喷施农机具的诸多弊端,该文探讨快速无损检测柑橘叶片叶绿素含量方法。以117棵园栽萝岗甜橙树为研究对象,选用ASD Field Spec 3光谱仪对萌芽期、稳果期、壮果促梢期、采果期共4个生长时期的柑橘叶片进行高光谱反射率采集,并同步采用分光光度法测得叶片的叶绿素含量;以原始光谱及其变换形式作为模型输入矢量,分别在主成分分析(principle component analysis,PCA)降维的基础上利用支持向量机回归(support vector regression,SVR)算法和在小波去噪的基础上利用偏最小二乘回归(partial least square regression,PLSR)算法对柑橘叶片叶绿素含量进行建模预测,全生长期整体建模的校正集和验证集最佳模型决定系数R2分别为0.8713和0.8670,均方根误差RMSE(root-mean-square error)分别为0.1517和0.1544,试验结果表明,高光谱可快速无损地对柑橘叶片叶绿素含量进行精确的定量检测,为柑橘不同生长期的营养监测提供理论依据。     

应用红外光声光谱技术及支持向量机模型测定土壤有机质含量

快速测定土壤有机质含量对作物生产和土壤肥力评价具有重要意义,红外光声光谱技术的应用为土壤有机质快速测定提供了可能。本研究以江苏省南京市溧水区水稻土土样为材料,探究了红外光声光谱技术在有机质测定中的应用。采用主成分分析、偏最小二乘和独立成分分析,分别提取了土壤光谱的主成分、偏最小二乘潜变量和独立成分,并以提取的信息输入支持向量机,从而构建了三种支持向量机校正模型。同时,偏最小二乘也被用于建立校正模型,作为支持向量机模型的对照。预测结果表明,基于独立成分的支持向量机模型效果最好,预测相关系数R2、均方根误差RMSEP和实际测量值的标准差与光谱模型预测值标准差的比值即RPD值分别为0.808、0.575和2.28。F检验表明,该模型显著优于基于主成分的支持向量机模型,但与基于偏最小二乘潜变量的支持向量机模型,以及经典偏最小二乘模型没有显著差异。t检验表明,各校正模型对有机质的预测结果与化学测定结果没有显著差异。因此,红外光声光谱技术为土壤有机质的快速测定提供了新的技术手段。     

结合SPA和PLS法提高冬小麦冠层全氮高光谱估算的精确度

【目的】 冠层高光谱全波段信息可以在小麦拔节期快速无损地估算叶片的氮含量。本研究结合连续投影算法 (SPA) 和偏最小二乘 (PLS) 技术,筛选了冬小麦拔节期冠层光谱对叶片氮含量的敏感特征波段,以期为冬小麦关键生育期氮素含量的遥感估算提供理论依据和技术支持。 【方法】 以陕西关中地区2015—2016年冬小麦小区试验为基础,基于连续投影算法 (SPA) 提取冬小麦叶片全氮含量的冠层光谱敏感波段,并结合偏最小二乘 (PLS) 回归法建立基于敏感特征波段的冬小麦拔节期叶片氮含量估算模型。 【结果】 SPA算法从冬小麦338～2510 nm的冠层光谱中优选出了1985 nm、2474 nm、1751 nm、1916 nm、2507 nm、1955 nm、2465 nm和344 nm共计8个叶片全氮含量的敏感特征波段,波段数目下降了98.9%,有效降低了光谱信息的冗余;基于敏感特征波段构建的叶片氮含量偏最小二乘回归模型的决定系数和均方根误差分别为0.82和0.28,模型验证方程的决定系数和均方根误差分别为0.84和0.21,模型的相对预测偏差大于2,具有较高的精度和良好的预测能力。 【结论】 与常用植被指数的叶片氮含量估算模型相比,连续投影算法 (SPA) 结合偏最小二乘 (PLS) 方法的叶片氮含量估算精度更高,稳定性更强,可以作为冬小麦拔节期叶片氮含量的高光谱估算方法。      

基于LS-SVM的草莓固酸比和可滴定酸近红外光谱定量模型

为提高草莓固酸比和可滴定酸近红外光谱定量模型的性能,该文采用偏最小二乘法提取的潜在变量作为最小二乘-支持向量机模型的输入变量,建立了两指标的近红外定量模型,并与偏最小二乘模型结果进行了比较,建模所使用的光谱范围为6000～12500 cm-1。结果表明,草莓可滴定酸和固酸比偏最小二乘模型校正相关系数、校正和预测均方根误差分别为0.430、0.096%、0.096%及0.688、0.926和1.190,而两指标的前10个潜在变量得分作为输入变量的最小二乘—支持向量机模型各项性能均远优于偏最小二乘模型,其校正和预测相关系数、校正和预测均方根误差以及剩余预测偏差分别为：可滴定酸0.965、0.967、0.028%、0.027%、3.881;固酸比0.980、0.973、0.258、0.373、3.111。研究表明,潜在变量作为最小二乘支持向量机模型的输入变量可在较大程度上改善草莓可滴定酸和固酸比指标近红外定量模型的预测性能和稳定性。     

柑桔黄龙病近红外光谱无损检测

为探讨快速无损检测柑桔黄龙病的可行性,应用近红外光谱技术结合机器学习方法进行研究。在4000~9000cm-1光谱范围内,采集黄龙病、缺素和健康3类叶片样本的近红外光谱。采用一阶导数、平滑和多元散色校正组合的光谱预处理方法,消除光谱的基线漂移和散射效应。分别对偏最小二乘判别模型(PLS-DA)的主成分因子数和最小二乘支持向量机(LS-SVM)的输入变量数量、核函数类型及其参数进行了优化,建立了PLS-DA和LS-SVM模型。采用预测集样本,评价模型的预测能力,经比较,采用11个主成分得分向量为输入、线性核函数和惩罚因子为2.25的LS-SVM模型预测效果最佳,模型误判率为0。结果表明采用近红外光谱技术结合最小二乘支持向量机进行柑桔黄龙病无损检测是可行的。     

基于中红外漫反射光谱法预测黄土碳酸钙含量

以黄土高原侵蚀严重的丘陵沟壑区7个小流域126个土壤样品和108个沉积泥沙样品为对象,分析了土壤的基本属性及其中红外漫反射光谱特征,将中红外漫反射光谱技术与化学计量法相结合,采用不同的光谱预处理方法,分别利用偏最小二乘回归法、主成分回归法和支持向量机回归法建立土壤碳酸钙的光谱估算模型,并对模型进行验证。结果显示:土壤光谱变量与碳酸钙含量的关系更接近线性相关,偏最小二乘回归法和主成分回归法要优于支持向量机回归法,其中PLSR(SG-Der1st)模型为最优,对土壤(决定系数R~2=0.948,相对分析误差RPD=4.426)和沉积泥沙(决定系数R~2=0.875,相对分析误差RPD=2.841)均能准确预测其碳酸钙含量。研究结果表明,基于中红外漫反射光谱的碳酸钙含量估算模型能准确定量土壤及沉积泥沙碳酸钙含量,实现了对黄土高原小流域土壤碳酸钙的快速无损测量。     

新疆艾比湖湿地土壤有机碳含量的光谱测定方法对比

干旱半干旱地区湿地土壤中的有机碳是影响土壤质量,制约植物生长的重要因素之一,其含量的变化会影响生态系统的安全和稳定。为快速估测湿地土壤有机碳含量,在新疆艾比湖湿地保护区采集140个荒漠土壤样品,利用土壤可见/近红外光谱数据以及化学分析获取的土壤有机碳数据,在对土壤原始光谱反射率进行卷积平滑的基础上,获取了一阶微分、倒数对数一阶微分2种光谱预处理指标,采用蚁群-区间偏最小二乘法、基于支持向量机的回归特征消去法,选择土壤有机碳含量近红外光谱特征波长,在此基础上构建土壤有机碳含量偏最小二乘回归、支持向量回归模型。结果表明:1)利用原始一阶微分建立的模型,预测能力优于倒数对数一阶微分建立的模型。2)4种建模结果比较显示,利用原始一阶微分经基于支持向量机的回归特征消去法进行特征变量选择后建立的土壤有机碳含量模型,预测精度最高。训练集的相关系数以及均方根误差分别为0.9687、0.158%;测试集的相关系数和均方根误差分别为0.9091以及0.268%。因此,经过卷积平滑以及一阶微分预处理、并利用基于支持向量机的回归特征消去法建立的模型具有较高的预测精度和较好的稳健性,可以作为有效手段估算荒漠湿地土壤有机碳含量。     

基于环境减灾卫星高光谱数据的盐碱地等级划分

为了进行盐碱地的有效防治,以松辽盆地为例,基于环境减灾卫星(HJ-1A)高光谱数据,对比曲线回归、最小二乘支持向量机回归二种非线性回归模型在含盐率反演中的预测效果,探索该区土壤盐碱化指标定量反演的最佳模型,最终采用最小二乘支持向量机(LS-SVM)回归预测的方法,在盐碱化较严重的大庆地区进行了多种盐碱地指标反演,并采用...     

基于遗传算法最小二乘支持向量机的耕地变化预测

针对耕地变化内部规律与模拟方法进行研究,提出最小二乘支持向量机耕地变化预测方法,有效构建耕地变化与耕地变化影响因子之间复杂的非线性关系模型。利用遗传算法全局寻优功能优化最小二乘支持向量机内部参数,提高最小二乘支持向量机耕地变化预测模型精度。利用该模型对江苏无锡市1987－2000年期间耕地变化进行预测,并与多元回归、GM(1,1)、BP网络、支持向量机（SVM）耕地预测模型和实际调查耕地变化数据进行比较分析。预测精度评价结果证实,该方法耕地预测精度远高于多元回归、GM(1,1),BP网络模型,略高于SVM模型,但算法复杂度和计算效率远优于SVM预测模型,是一种有效的耕地变化预测方法。     

基于蚁群优化最小二乘支持向量回归机的河蟹养殖溶解氧预测模型

养殖池塘溶解氧是河蟹赖以生存的重要指标,及时准确地掌握溶解氧浓度变化趋势是确保高密度河蟹健康养殖的关键。为提高溶解氧预测精度和效率,该文提出了蚁群算法(ACA)优化最小二乘支持向量回归机(LSSVR)的河蟹养殖溶解氧预测方法。采用蚁群算法对最小二乘支持向量回归机的模型参数进行优化,并以自动获取的最佳参数组合构建溶解氧与其影响因子间非线性预测模型。利用该模型对江苏宜兴市2010年7月20日～7月28日期间高密度养殖池塘溶解氧进行预测。研究表明,该预测模型取得较好的预测效果,与支持向量回归机和BP神经网络相比,模型评价指标均方根误差、相对均方误差均值、平均绝对误差和和决定系数和运行时间分别为0.0328、0.0016、0.0448、0.9916和3.3275s均优于其他预测方法,ACA-LSSVR模型不仅计算复杂度低、收敛速度快、预测精度高、泛化能力强,还能满足实际高密度河蟹养殖溶解氧管理的需要,为其他领域的水质预测提供参考。     

基于LED组合光源的水晶梨可溶性固形物和大小在线检测

该文探讨了近红外光谱技术结合发光二极管（LED）组合光源探头在线检测水晶梨的可溶性固形物和大小的可行性。试验中采用850、880和940 nm 3盏LED组成组合光源探头,每个水晶梨在均匀成单列的输送线上以每秒5个梨的速度运动,采用漫反射方式采集水晶梨的漫反射光谱。应用偏最小二乘（PLS）和最小二乘支持向量机（LS-SVM）方法建立了可溶性固形物和大小2个理化参数的校正模型,同时对不同光谱预处理方法（平滑、一阶微分、二阶微分）建立的模型的预测性能进行了对比分析,并通过外部验证来检验模型预测的准确性。利用平     

黄绵土钾含量高光谱估算模型研究

为了研究可见/近红外光谱法估算渭北旱塬区黄绵土钾含量的可行性,以陕西省乾县试验田采集的120个土壤样品为研究对象,在室内进行土壤全钾、速效钾含量及反射光谱数据测量的基础上,应用多元线性回归(MLR)和偏最小二乘回归(PLSR)方法建立土壤钾含量的估算模型,并用独立样本进行验证。结果表明,以土壤光谱反射率一阶微分(DSSR)为自变量建立的多元线性回归模型(MLR)能进行土壤全钾含量准确估算。以波段深度一阶微分(DBD)为自变量建立的PLSR模型,验证集的决定系数(R2pre)大于0.90,预测均方根误差(RMSEpre)等于0.054,预测相对分析误差(RPDpre)等于3.310,是估算土壤全钾含量的最优模型;而以DSSR为自变量建立的PLSR模型,RPDpre值为1.619和1.572,是估算土壤速效钾含量的最优模型。本研究表明可见/近红外光谱结合多元线性回归和偏最小二乘回归方法能对渭北旱塬区黄绵土全钾含量进行快速、准确估算,但对速效钾含量仅能进行粗略估算。     

利用高光谱成像技术和多变量校正方法检测苹果的硬度（英）

高光谱图像集图像信息与光谱信息于一身,应用于农产品品质无损检测领域。该研究尝试利用高光谱图像技术结合多变量校正方法检测苹果硬度的可行性。试验通过获取的高光谱图像中提取有效的光谱信息来建立预测苹果硬度的预测模型。在建立模型过程中,偏最小二乘（PLS）和支持向量回归（SVR）两种多变量校正方法被比较,结果表明在785.11～872.45 nm范围内,SVR模型的性能优于PLS模型,模型对硬度预测结果的相关系数为0.6808。试验结果表明高光谱图像技术可以被用来检测苹果的硬度。     

基于漫反射光谱的叶面药液浓度检测方法

应用漫反射反射光谱对叶面药液质量浓度进行了检测研究。选择350～1900nm波段,以标准偏差归一化、三点滑动平均滤波、一阶导数组合预处理,应用逐步回归分析、主成分、主成分+人工神经网络、偏最小二乘、偏最小二乘+人工神经网络回归分析建立了5种数学模型。试验结果表明这5种算法的预测均方根误差分别为0.067、0.061、0.059、0.039、0.056,偏最小二乘法建模效果优于其他模型。考虑到不同作物种类对叶面药液浓度影响,选用八角金盘、油菜、青菜3种作物叶片为对象,在偏最小二乘下建模,其预测集相关系数分别为0.994、0.974、0.929,预测均分根误差分别为0.039、0.050、0.075。表明不同种类作物对叶面药液浓度检测影响较小,漫反射光谱技术检测叶面药液浓度是可行的。     

拉曼光谱法无损检测蜂蜜中的果糖和葡萄糖含量

应用拉曼光谱结合化学计量学方法对蜂蜜果糖和葡萄糖含量进行了定量分析。用自适应迭代重加权惩罚最小二乘(adaptive iteratively reweighted penalized least squares,airPLS)算法进行基线校正,用竞争性自适应重加权采样(competitive adaptive reweighted sampling,CARS)算法筛选变量,分别用线性的偏最小二乘(partial least squares,PLS)回归算法和非线性的支持向量机(support vector machines,SVM)回归算法建立定量校正模型,并进行预测。2种模型都有较好的预测结果。对果糖,SVM模型预测值与高效液相色谱法(high performance liquid chromatography,HPLC)测定值的相关系数(R)和预测均方根误差(root mean square error of prediction,RMSEP)分别为0.902和1.401,略优于PLS模型(R为0.892,RMSEP为1.604);对葡萄糖,PLS模型的R和RMSEP分别为0.968和0.669,优于SVM模型(R为0.933,RMSEP为1.410)。结果表明拉曼光谱结合化学计量学方法可快速无损测定蜂蜜果糖和葡萄糖含量。     

基于光谱特征分析的苹果树叶片营养素预测模型构建

该文旨在利用光谱分析技术建立高精度苹果叶片营养素预测模型,为苹果树的精细管理提供技术支持。在苹果树年度生长周期的坐果期、生理落果期和果实成熟期等重要物候期,采集了180个果树叶片样本并测量了果树叶片在可见光和近红外波段的反射光谱,同时在实验室采用化学方法获取了果树叶片的氮素以及叶绿素含量。对于聚类后样本,分别分析了果树叶片反射光谱以及经小波滤波后的反射光谱与叶绿素以及氮素之间的相关关系,而后利用偏最小二乘和支持向量机（SVM,support vector machine）方法分别建立了果树叶片叶绿素和氮素含量的回归模型。研究发现,随着生长阶段的推进,在可见光处的反射率逐渐升高,在近红外处的反射率逐渐降低,且基于小波滤波反射光谱的营养素SVM回归模型精度最高：建立的叶绿素回归模型,其测定系数R2达到0.9920,均方根误差 RMSE为0.0039,验证精度R2达到0.9036,RMSE为0.1979;建立的氮素回归模型,其测定R2和验证R2也达到0.74以上,模型的回归RMSE为0.0554,验证RMSE为0.1215。结果表明,采用支持向量机回归模型可以精确估计果树叶片叶绿素含量,对氮素含量的估计精度也达到了实用化水平。     

冬枣氮素含量预测模型中特征波长选择方法的应用（英文）

为了提高近红外光谱法快速测定枣叶氮含量的准确性和鲁棒性。采用偏最小二乘法建立了冬枣叶片氮含量近红外光谱模型。模型的相关系数为0.799,均方根误差为0.055。整个光谱区域包含了许多与冬枣氮含量无关的光谱变量。冗余信息的存在降低了模型的预测性能。所以采用间隔偏最小二乘(IPLS)结合遗传算法和模拟退火算法来选择冬枣叶片氮含量的特征波长。用凯氏定氮法测定冬枣叶样品的氮含量。试验选用15棵枣树,每棵树5个叶片作为试验对象。用于光谱测量的仪器是ASD光谱仪,测试仪在350~2 500 nm波长范围内,光谱分辨率为1 nm。在数据采集前使用了白板进行校正(标准白板反射系数为1),每个样品测量了5次,取平均值作为样品的相对反射率。遗传算法结合间隔偏最小二乘法选取的4个特征波长为685,689,781,783 nm。根据这4个波长,建立了冬枣叶片氮含量近红外光谱模型。模型预测相关系数为0.9175,预测均方根误差为0.063。利用模拟退火算法,建立了7个波长的冬枣叶片氮含量的近红外光谱模型。模型的相关系数为0.9301,均方根误差为0.052。因此,近红外光谱结合光谱选择方法的特点,可以有效地提高模型的精度,使模型更实用。但光谱选择方法的特点并不普遍。基于单波长变量选择的模型更为敏感,更适用于均匀采样。基于波长间隔选择的模型抗干扰能力相对较强,但更适合于不均匀采样。因此,基于状态与模型相结合的特征选择可以更好地应用于模型。     

冬枣氮素含量预测模型中特征波长选择方法的应用

为了提高近红外光谱法快速测定枣叶氮含量的准确性和鲁棒性。采用偏最小二乘法建立了冬枣叶片氮含量近红外光谱模型。模型的相关系数为0.799,均方根误差为0.055。整个光谱区域包含了许多与冬枣氮含量无关的光谱变量。冗余信息的存在降低了模型的预测性能。所以采用间隔偏最小二乘(IPLS)结合遗传算法和模拟退火算法来选择冬枣叶片氮含量的特征波长。用凯氏定氮法测定冬枣叶样品的氮含量。试验选用15棵枣树,每棵树5个叶片作为试验对象。用于光谱测量的仪器是ASD光谱仪,测试仪在350~2 500 nm波长范围内,光谱分辨率为1 nm。在数据采集前使用了白板进行校正(标准白板反射系数为1),每个样品测量了5次,取平均值作为样品的相对反射率。遗传算法结合间隔偏最小二乘法选取的4个特征波长为685,689,781,783 nm。根据这4个波长,建立了冬枣叶片氮含量近红外光谱模型。模型预测相关系数为0.9175,预测均方根误差为0.063。利用模拟退火算法,建立了7个波长的冬枣叶片氮含量的近红外光谱模型。模型的相关系数为0.9301,均方根误差为0.052。因此,近红外光谱结合光谱选择方法的特点,可以有效地提高模型的精度,使模型更实用。但光谱选择方法的特点并不普遍。基于单波长变量选择的模型更为敏感,更适用于均匀采样。基于波长间隔选择的模型抗干扰能力相对较强,但更适合于不均匀采样。因此,基于状态与模型相结合的特征选择可以更好地应用于模型。