基于特征变量筛选的无人机多光谱遥感土壤含水量反演

土壤含水量是影响农作物生长的重要因素之一,对作物估产和旱情监测具有重要作用。在土壤含水量反演时,一般是提取多个光谱变量进行反演,但变量之间包含的光谱信息可能存在冗余重叠,为提取有效特征变量,使其相互独立,论文选取特征变量筛选方法,并验证其在土壤含水量反演中的适用性。研究基于无人机多光谱影像计算归一化植被指数（Normalized Difference Vegetation Index, NDVI）等12种植被指数,结合无人机热红外数据计算地表温度（Land Surface Temperature, LST）和对应温度植被干旱指数（Temperature Vegetation Dryness Index, TVDI）,以及miniSAR数据处理得到的4种后向散射系数,采用XGBoost特征变量和最优子集选择算法（Best Subset Selection, BSS）筛选最优变量组合,然后利用偏最小二乘回归（Partial Least Squares Regression, PLSR）和随机森林回归（Random Forest Regression, RFR）算法反演实验区冬小麦抽穗期的土...     

基于敏感变量筛选的多光谱植被含水率反演模型研究

植被含水率是农田生态系统敏感性的重要表征，为提高近地遥感植被含水率反演效率和精度，基于无人机多光谱影像数据，提取苜蓿、玉米2种植被覆盖的光谱反射率，在此基础上引入红边波段计算改进光谱指数。将5种光谱反射率及25个光谱指数利用变量投影重要性(Variable importance in projection, VIP)分析、灰色关联度(Gray relational analysis, GRA)分析与皮尔逊(Person)相关性分析进行筛选，并建立基于反向神经网络(Back-propagation neural network, BPNN)、偏最小二乘法(Partial least squares regression, PLSR)、支持向量回归(Support vector regression, SVR)和随机森林(Random forest, RF)4种机器学习模型，以确定不同作物覆盖下的最佳植被含水率反演模型。结果表明，3种筛选算法中VIP和GRA的模型精度明显优于Person相关性分析，且反演结果波动较小；在4种机器学习算法中，SVR算法在非线性问题中相较于BPNN、PLSR、...     

基于特征优选与机器学习的农田土壤含盐量估算研究

土壤盐渍化是影响农业可持续发展的重要制约因素,为准确及时地获取土壤中盐分含量,实现盐渍化精准监测,以内蒙古自治区巴彦淖尔市五原县境内的覆被农田为研究对象,探讨无人机多光谱遥感平台结合机器学习模型估测不同深度土壤含盐量的可行性。首先,利用无人机搭载五波段多光谱相机获取研究区域高时空分辨率遥感图像数据,并同步采集地面不同深度处土壤盐分数据,使用皮尔逊相关系数法(PCC)、极端梯度提升(XGBoost)和灰色关联分析法(GRA)对构建的光谱指数进行优选;然后,采用决策树(DT)、反向传播神经网络(BPNN)、支持向量机(SVM)和随机森林(RF)4种机器学习方法建立植被覆盖下不同深度的农田土壤含盐量反演模型。结果表明,使用方案3(XGBoost-GRA)变量优选方法可以有效地筛选出敏感光谱指数,且基于此方法优选后的光谱指数建立含盐量估算模型的精度高于仅使用PCC或XGBoost法构建的反演模型。对比不同建模方法在不同土壤深度处的反演精度,可知随机森林RF模型整体表现最优,同时另外3种反演模型也取得了较好的预测效果,0～20 cm土壤深度处的预测效果是3个土壤深度中最优的,其中精度最高模型的决...     

基于Sentinel-2影像的黄河南岸典型改良示范区土壤含盐量反演模型

土壤盐渍化严重制约农田土壤环境的循环发展,高效准确地监测土壤盐分动态变化对盐碱地改良利用具有重要意义。为及时、有效地监测盐渍化土壤含盐量,以内蒙古黄河南岸灌区的4个典型盐碱化耕地改良示范区为例,利用Sentinel-2多光谱遥感影像,同步采集示范区内表层土壤的含盐量数据,通过相关性分析筛选敏感光谱指标,基于偏最小二乘回归（PLSR）、逐步回归（SR）、岭回归（RR）3种简单机器学习模型和深度学习Transformer模型建模,最后进行精度评价并优选出最佳含盐量反演模型。结果表明：示范区土壤反射率的可见光、红边、近红外波段反射率均与土壤含盐量呈正相关,短波红外波段反射率与土壤含盐量呈负相关,引入光谱指数能够有效提升Sentinel-2遥感影像与示范区表层土壤含盐量的相关性（相关系数绝对值不小于0.32）;对比不同模型发现深度学习Transformer模型优于简单机器学习模型,验证集决定系数R2和均方根误差（RMSE）分别为0.546和 2.687g/kg;含盐量反演结果与实地结果相吻合,为更精准反演内蒙古黄河南岸灌区盐渍化程度提供了参考。     

干旱区绿洲植被高光谱与浅层土壤含水率拟合研究

水资源一直是制约我国西北干旱区农业发展的关键因素。以新疆渭库绿洲为研究区域,选取41个土壤含水率与干旱区绿洲植被实测高光谱样本,以植被指数为桥梁,采用支持向量机回归(SVR)方法,建立干旱区绿洲土壤含水率与植被指数之间的拟合方程模型,并与多元回归(MLSR)、偏最小二乘回归(PLS)2种模型进行对比。实验结果表明:不同模型的精度各异,拟合效果由优到劣为:改进的SVR模型、PLS模型、MLSR模型,其中基于干旱区绿洲实测的植被光谱数据改进的SVR模型对土壤含水率具有较好的拟合效果,通过最优参数的定值与最优测试集的抽取,R2高达0.891 6,RMSE仅为2.004,在干旱区绿洲的土壤含水率拟合中获得比较高的预测精度。而MLSR模型与PLS模型,R~2分别为0.630 0、0.654 9,RMSE分别为3.001与2.749。研究结果表明,因地制宜开展合理的土壤含水率反演模型规则制定是提高干旱区绿洲土壤浅层含水率监测精度的有效手段,也可为干旱区农业作物生长提供更精准的数据积累。     

不同植被覆盖度下无人机多光谱遥感土壤含盐量反演

准确快速获取植被覆盖条件下农田土壤盐分信息,为土壤盐渍化治理提供依据。利用无人机遥感平台,获取2019年7、8、9月内蒙古河套灌区沙壕渠灌域试验地的多光谱遥感图像以及取样点0~10cm、10~20cm、20~40cm、40~60cm深度处土壤含盐量,通过多光谱遥感图像计算得到光谱指数,选择归一化植被指数（NDVI-2）代入像元二分模型计算植被覆盖度,并划分为T1（裸土）、T2（低植被覆盖度）、T3（中植被覆盖度）、T4（高植被覆盖度）4个覆盖度等级;同时,对光谱指数进行全子集变量筛选,并利用偏最小二乘回归算法和极限学习机算法,构建不同覆盖度下各深度土壤含盐量反演模型。研究结果表明,裸土和高植被覆盖度下的反演模型精度高于低植被覆盖度和中植被覆盖度下的反演模型精度;对比PLSR和ELM 2种SSC反演模型精度,ELM模型的反演精度比PLSR模型高;覆盖度T1、T2、T3和T4的最佳反演深度分别为0~10cm、10~20cm、20~40cm、20~40cm。研究结果为无人机多光谱遥感监测农田土壤盐渍化提供了思路。     

基于地物高光谱和无人机多光谱的黄河三角洲土壤盐分机器学习反演模型

土壤盐渍化是限制黄河三角洲地区农业经济发展的重要因素,进一步阻碍了农业生产。为了探索无人机影像在地表无植被覆盖条件下的土壤盐分含量反演状况,以黄河三角洲典型区域为研究区,获取地物高光谱和无人机多光谱两种数据源与样点土壤盐分含量,通过优选敏感光谱参量,使用偏最小二乘回归（Partial Least Squares Regression,PLSR）和随机森林（Random Forest,RF）两种机器学习算法建立土壤盐分含量反演模型,实现研究区的土壤盐分含量反演。结果表明：（1）高光谱1972 nm波段与土壤盐分含量间的敏感性最高,相关系数为-0.31。（2）两种不同数据源优化后的RF模型均优于PLSR,且稳定性更好。（3）基于地物高光谱的RF模型（R² =0.54,RMSEv＝3.30 g/kg）优于基于无人机多光谱的RF模型（R² =0.54,验证RMSRv＝3.35 g/kg）。（4）结合无人机影像采用多光谱RF模型对研究区耕地的土壤盐分含量进行反演,研究区总体以轻、中度盐渍化土壤为主,对作物的耕种具有一定程度的限制。本研究构建并对比了两种不同源数据的黄河三角洲土壤盐分反演模型,并结合各自数据源的优势进行优化,探索了地表无植被覆盖情况下的土壤盐分含量反演方法,对更精准反演土地盐渍化程度提供了参考。     

便携式红提葡萄多品质可见/近红外检测仪设计与试验

基于可见/近红外漫反射光谱分析技术,设计了便携式生长期红提葡萄多品质参数无损检测仪,该仪器由光谱采集探头、光谱仪、卤素灯光源、锂电池、控制器及外围电路等部分组成,仪器尺寸为200mm× 160mm× 150mm, 方便携带。以生长期内的红提葡萄果粒为研究对象,采集400~1000nm的可见/近红外漫反射光谱信息,对原始光谱进行预处理和特征波长提取,分别建立了红提SSC、总酸质量分数、pH值、硬度和含水率的最优偏最小二乘回归（PLSR）预测模型,所建各指标的最优PLSR预测模型的预测集相关系数分别为0.9545、0.9778、0.9878、 0.9456、 0.9028, 均方根误差分别为1.0122°Brix、2.0225%、0.0747、7.2813N、0.9799%。基于MFC开发工具,运用 C++语 言编写了仪器实时分析处理软件,将所建红提葡萄多品质参数的最优PLSR预测模型植入硬件装置中,实现了生长期红提葡萄果粒的多品质参数一键式无损检测。经检验测试,果粒SSC、总酸质量分数、pH值、硬度和含水率预测集相关系数Rp 分别为0.9414、0.9687、0.9768、0.9348、0.9006,预测集均方根误差分别为1.1567°Brix、2.3645%、0.0986、8.3571N、1.1051%,且该检测仪一次检测时间不超过2s,说明该仪器可完成生长期红提葡萄果粒的实时无损检测。     

基于Sentinel-1/2改进极化指数和纹理特征的土壤含盐量反演模型

目前Sentinel-1/2协同反演植被土壤含盐量的研究大多是基于Sentinel-2光谱信息和Sentinel-1后向散射系数,没有考虑Sentinel-2光谱信息容易受土壤亮度等信息影响,Sentinel-1后向散射系数容易受土壤粗糙度和水分影响。为进一步提高Sentinel-1/2协同反演植被土壤含盐量的精度,用水云模型对雷达卫星后向散射系数进行校正,消除植被影响;然后协同Sentinel-2纹理特征,基于VIP、OOB、PCA 3种变量筛选和RF、ELM、Cubist 3种机器学习回归模型构建植被土壤含盐量反演模型。研究结果表明：经过水云模型去除植被影响后的雷达后向散射系数及其极化组合指数与土壤含盐量的相关性有一定程度的提高。不同变量选择方法与不同机器学习方法耦合模型在反演土壤含盐量中,OOB变量筛选方法与RF、ELM和Cubist 3种机器学习方法的耦合模型精度最佳,建模集和验证集的R2都在0.750以上,且验证集的RMSE和MAE均最小;其中OOB-Cubist耦合模型精度最高,且R2v/R2c为0.955,具有良好的鲁棒性。研究可为机器学习协同物理模型、光学卫星协同雷达卫星在土壤含盐量反演中的进一步应用提供思路。     

基于无人机多光谱影像的矮林芳樟叶片含水率与叶水势反演

叶片含水率和叶水势反映植物组织中水分的状态,是衡量植物水分供应和水分利用效率的重要指标。为探究基于不同高度下无人机多光谱影像反演叶片含水率和叶水势模型的差异,本研究在3个飞行高度处理F30、F60、F100 (30、60、100m)下采集多光谱影像数据,通过使用6种光谱反射率+经验植被指数的组合与地面实测数据进行相关性分析,获得不同飞行高度下的光谱反射率+经验植被指数组合与叶片含水率和叶水势的反演模型及其决定系数,以决定系数为依据分别构建支持向量机（SVM）、随机森林（RF）和径向基神经网络（RBFNN）模型,分析不同飞行高度无人机多光谱影像反演芳樟叶片含水率和叶水势的精度。结果发现：3个飞行高度下,基于RF模型的反演精度均高于SVM模型和RBFNN模型。F30处理对叶片含水率与叶水势反演效果均优于F60和F100处理。F30处理对叶片含水率反演的敏感光谱反射率+植被指数组合为红光波段反射率（R）、红边1波段反射率（RE1）、红边2波段反射率（RE2）、近红外波段反射率（NIR）、增强型植被指数（EVI）、土壤调节植被指数（SAVI）。RF模型训练集的R2、RMSE、MRE分别为0.845、0.548%、0.712%;测试集的R2、RMSE、MRE分别为0.832、0.683%、0897%。对叶水势反演的敏感光谱反射率+植被指数组合为R、RE2、NIR、EVI、SAVI、花青素反射指数（ARI）。RF模型训练集的R2、RMSE、MRE分别为0.814、0.073MPa、3.550%;测试集的R2、RMSE、MRE分别为0.806、0.095MPa、4.250%。研究结果表明飞行高度30m与RF方法分别为反演叶片含水率和叶水势的最优光谱获取高度与最优模型构建方法。本研究可为基于无人机平台的矮林芳樟水分监测提供技术支持,并可为筛选无人机多光谱波段与经验植被指数、实现植物长势参数快速估测提供应用参考。     

塔里木盆地喷灌对果园生态环境影响初探

塔里木盆地果园采用喷灌技术比沟畦灌节水约 30 %～ 4 0 %。由于喷灌采用的是勤浇浅灌方式 ,不致在果园园面形成大面积积水 ,从而保持了土壤层的疏松 ,也减少了土壤的深层渗漏。同时 ,果园喷灌是用人工降水的形式 ,起到了调节果园空气温度和湿度的作用。因喷灌灌溉次数多 ,其表土层土壤的干湿变化幅度要小 ,降低了地温     

Effect of irrigation methods on root development and profile soil water uptake in winter wheat

The 2-year field experiments were carried out to research the effect of different irrigation methods, namely border irrigation, sprinkler irrigation, and surface drip irrigation, on root development and profile water uptake in winter wheat. Results showed that the main root distribution zone moved upward under sprinkler and surface drip irrigation when compared to the traditional border irrigation. Profile root distribution pattern changed with irrigation methods. Soil profile water uptake was correlated to the root system and soil water dynamics. Due to the appropriate soil water and higher root density in the surface soil layer under sprinkler and surface drip irrigation, the main water uptake zone was concentrated in the upper layer. Because of the water deficit in the surface layer under border irrigation, water uptake in 50–100 cm depth was stimulated, which caused the main uptake zone downward. The amount and pattern of root water uptake varied with irrigation methods. This may provide valuable information on the aspect of agricultural management.     

基于Landsat 8的节水改造背景下盐渍化土壤含盐量反演

为探明沈乌灌域节水改造后因渠道衬砌、引排水量减少引起的土壤含盐量时空分布特征及变化规律,采用区域土壤信息定点监测,结合经典统计学、空间插值以及机器学习建模反演等技术手段,利用Landsat 8卫星获取光谱数据,通过对实测土壤含盐量、光谱指数及波段反射率进行处理,运用Adaboost回归、BP神经网络回归、梯度提升树回归、KNN回归、决策树回归、随机森林回归方法构建了沈乌灌域土壤含盐量空间反演模型。采用最优反演模型对沈乌灌域土壤含盐量空间分布特征进行了遥感反演。结果表明： 通过全变量单一回归法筛选出相关系数大于0.55的9个光谱因子,使用SPSS PRO软件构建6种机器学习反演模型,对比6种反演模型精度,验证集决定系数R2由大到小依次为随机森林回归、梯度提升树回归、Adaboost回归、KNN回归、决策树回归、BP神经网络回归。其中随机森林回归模型的拟合精度最佳,训练集与验证集的决定系数R2分别为0.834和0.86,说明随机森林回归模型的反演效果较好。反演结果表明：节水改造后非盐渍土面积增加391.7km2,占灌域总面积的21%,中度盐渍土面积、重度盐渍土面积、盐土面积分别减少95.61、63.37、45.7km2,分别占灌域总面积的5%、3%、2%。综上所述,节水改造工程完成后,沈乌灌域土壤盐渍化程度减轻,作物生长安全区面积增加,但由于渠道衬砌以及引排水量减少,土壤盐分淋洗效果减弱,土壤盐分在灌域内部运移,整体土壤环境得到改善,局部地区出现盐分聚集。     

猕猴桃果园不同采样密度下土壤含水率空间变异性研究

为揭示小区尺度乃至微尺度土壤含水率的空间变异性,在杨凌地区猕猴桃果园选取40 m×40 m区域,并在此基础上再以8、2 m为间距进行网格划分,基于经典统计学和地统计学理论,对不同采样密度条件下0~60 cm土层土壤含水率的空间分布特征及其空间变异性进行了研究。结果表明,对于40 m×40 m(L)、8 m×8 m(M)和2 m×2 m(S)3种尺度,0~60 cm深度各土层土壤含水率在水平方向上的变异强度表现为弱变异至中等(偏弱)变异,且随尺度减小和土层深度增加而减小,且所有取样点处0~60 cm深度内土壤含水率在垂直方向上的变异强度表现为弱变异至中等(偏弱)变异。在3种尺度中,土壤含水率存在强烈的空间相关性,表征土壤含水率空间分布形态的半方差函数因尺度不同存在较大差异,L尺度可采用球状和指数模型,M尺度可采用线性模型,S尺度可采用高斯、指数、线性模型。L尺度合理取样数较实际少,而M和S尺度合理取样数较实际多,对于3种尺度,基本表现出0~30 cm土层合理取样数较实际多、30~60 cm土层合理取样数较实际少,表明取样点的合理性分布有待进一步优化。由于地形原因导致当地果园内南北侧土壤含水率空间分布存在较大差异。     

基于高光谱定量反演模型的污水综合水质评价

为改善高光谱遥感对污水水质信息状况定量反演模型的预测评价效果,以陕西某污水处理厂采集的污水样品为研究对象,采用主成分分析法（Principal component analysis,PCA）对污水水质进行综合评价,获取水质评价的综合评价因子,同时利用ASD FieldSpec 3型高光谱仪获取污水的原始光谱,经过数据预处理和不同数学变换后,共获取了4种光谱指标：平滑后光谱反射率（SG）、倒数之对数（LR）、标准正态化（SNV）和去包络线（CR）。分别采用偏最小二乘回归法（Partial least squares regression,PLSR）、逐步回归法(Stepwise regression,SR)、极限学习机法（Extreme learning machine,ELM）构建了基于水质综合评价因子的高光谱水质反演模型,并对反演结果进行精度验证与比较。结果表明,本组水样的平滑后光谱数据和经过标准正态化变换的光谱数据建模具有较好的建模效果,其建模的预测RPD均在2.5以上;在3种模型中,PLSR模型和ELM模型均具备很好的建模预测效果;逐步回归法的建模效果较PLSR模型和ELM模型有所下降,但是其SG-SR、SNV-SR模型的R2c均在0.8以上、R2p均在0.85以上,RPD均在3.0以上,证明其仍拥有很好的反演预测效果,且进行了特征波段的优选,实现了对模型的优化;SNV-SR-ELM（R2c=0.956,R2p=0.954,RMSE=0.500,RPD=4.651）为最佳模型,SNV-SR-ELM模型的建立为高光谱反演水质模型的优化、污水水质的快速监测和综合评价提供了途径。     

中心支轴喷灌机灌溉牧草管理技术及灌溉制度

中心支轴喷灌机在我国规模化牧草种植上应用时间较短,普遍缺乏管理技术,大多靠经验制定灌溉制度,导致应用效果参差不齐。介绍了土壤水分常用的概念,提出中心支轴喷灌机灌溉管理技术、灌溉制度制定方法及喷头的选择,实现科学灌溉,促进牧草增产增收。      

不同灌溉方法对冬小麦农田土壤温度的影响

田间试验表明,地面畦灌、喷灌和滴灌改变了土壤温度的剖面分布特征。喷灌和滴灌处理表层温度低于地面灌溉处理,而且剖面温差小。高频率的灌溉使得滴灌处理表层土壤温度低,最高温度分布在土壤20cm深度左右,剖面温度分布呈现"S"型特征。喷灌处理表层温度也较低,除表层外土壤温度的剖面分布可以近似为指数函数的分布特征。地面畦灌处理土壤温度的剖面分布表现出明显的指数函数分布特征。灌溉方法对土壤温度剖面分布特征的研究有助于分析不同灌溉方法的灌溉效应。