基于冠层光谱和覆盖度的马铃薯叶片钾含量估算方法

叶片钾含量(Leaf potassium content, LKC)是表征作物钾素营养状况的重要指标,高效准确地获取马铃薯LKC有助于精准农业施肥管理。本研究旨在通过结合马铃薯关键生育期RGB影像提取的植被指数(VIs)和植被覆盖度(FVC),提高马铃薯关键生育期LKC估算的准确性。首先从马铃薯块茎形成期(S1)、块茎增长期(S2)和淀粉积累期(S3)的RGB影像中提取VIs和FVC,然后分别分析每个生育期VIs和FVC与马铃薯LKC的相关性,最后利用支持向量机(Support vector machine, SVM)、Lasso回归(Least absolute shrinkage and selection operator, Lasso)和岭回归构建马铃薯LKC的估算模型。结果表明：基于RGB影像提取的马铃薯FVC精度较高,且前两个生育期高于第3个生育期;利用VIs估算马铃薯LKC是可行的,但精度有待进一步提高;VIs结合FVC可以提高马铃薯LKC的估算精度。本研究可为作物生长和钾素营养状况监测提供技术参考。     

基于多波段光谱探测仪的玉米冠层叶绿素含量诊断

为了快速无损地检测大田作物冠层叶绿素含量,使用便携式多波段光谱探测仪针对农大8号（G1）、郑单（G2）、先玉（G3）和京农科（G4）4种玉米作物品种,在拔节期采集550、650、766、850 nm波长处太阳光信号和作物冠层反射光信号,用于建立玉米冠层叶绿素含量诊断模型。首先,利用作物冠层650 nm和550 nm波长反射率之间的差值 T D 剔除了土壤背景数据点（ T D >0）。然后,组合计算了NDVI、RVI和DVI共12个植被指数,分析各植被指数与叶绿素含量之间的相关关系,结果显示与G1~G4品种叶绿素含量相关性最优的参数分别为RVI(766,550)、 DVI(850,650)、 NDVI(850,550)和RVI(766,550),相关系数均达0.6以上。数据按一定间隔聚类后,相关性分析结果表明多波段光谱探测仪对玉米叶绿素含量检测最优分辨率为0.5 mg/L,且NDVI(850,550)、NDVI(766,550)和RVI(850,550)与叶绿素含量的相关系数分别为0.837 0、0.773 7和0.767 7,达到了强相关水平。最后,建立了多品种通用型玉米拔节期叶绿素含量诊断模型,可为大田玉米拔节期叶绿素含量诊断提供技术支持。     

基于无人机多光谱影像的柑橘冠层叶绿素含量反演

叶绿素是一种反映植物生长水平和健康状况的重要生理生化指标,为快速、无损地大规模获取柑橘冠层的叶绿素含量以精确指导果园管理,利用多旋翼无人机搭载多光谱传感器获取多波段反射率数据,使用多光谱阴影指数对冠层阴影和土壤背景进行剔除,计算得到植被指数与纹理特征,将地面实测的叶绿素含量作为验证,综合对比了全子集回归、偏最小二乘回归和深层神经网络的反演精度以选取最优模型。结果表明,植被指数与叶绿素含量的相关性良好;将仅使用植被指数与仅使用纹理特征的建模结果进行对比,仅使用纹理特征的模型在全子集回归和偏最小二乘回归的反演精度均有明显提升;结合植被指数与纹理特征共同建模后,全子集回归和偏最小二乘回归的反演精度相比仅使用纹理特征的模型均能获得提升;深层神经网络因其良好的非线性拟合能力,获得了最高的反演精度,R²、MAE、RMSE分别为0.665、7.69 mg/m²、9.49 mg/m²,成为本文最优模型。本研究利用无人机多光谱影像反演得到柑橘冠层叶绿素含量,为实现柑橘生长监测提供指导作用。     

基于多角度成像数据的大豆冠层叶绿素密度反演

利用多角度观测系统采集田间不同生育期大豆冠层的图谱数据,通过提取影像中土壤背景、大豆植株、光照叶片等不同目标地物的反射光谱,对比分析不同观测角度下成像光谱数据反演大豆冠层叶绿素密度的效果,探讨土壤、阴影叶片及角度变化对群体叶绿素密度反演的影响.结果表明:(0°,20°,40°,60°)的天顶角组合有最高的预测模型决定系数(R2为0.834)和最小的均方根误差(RMSE为6.13);(20°,40°,60°)天顶角组合的决定系数值高于(0°,20°,40°)的组合,且在混合植被、纯植被、光照植被3类数据中有一致的趋势.40°天顶角是反演叶绿素密度的最优角度.0°方位角(太阳主平面的后向观测)是反演叶绿素密度的最优角度.天顶角变化是影响大豆冠层叶绿素密度反演的主要因素.     

基于无人机多光谱影像的番茄冠层SPAD预测研究

番茄冠层不同垂直位置叶绿素含量的精确预测是及时防控番茄病虫害、精准施肥、灌溉等田间管理的重要基础,无人机可灵活高效地获取中小区域农作物冠层光谱信息,为农业生产提供便利。基于无人机搭载多光谱传感器获取的多光谱影像数据,建立感兴趣区域,提取各波段反射率数据,计算9种植被指数参数与实测番茄3个生育期的冠层上、中、下层及冠层整体的SPAD值,进行相关性与敏感度分析,筛选植被指数最优变量,采用偏最小二乘、支持向量机、BP神经网络模型进行冠层不同位置SPAD值的预测建模及验证。结果表明,开花坐果期,番茄冠层上层叶片的SPAD值高于中层和下层叶片,结果初期和结果晚期,番茄中层叶片的SPAD值高于上层和下层叶片;冠层上层叶片SPAD值与植被指数相关性程度及线性敏感程度优于冠层中层和下层叶片;基于番茄冠层上、中、下层及整个冠层SPAD值建立的支持向量机预测模型的R~2高于偏最小二乘和BP神经网络预测模型。因此,支持向量机预测模型可为番茄精准管理提供理论依据。     

冠层反射光谱测量中主动光源光谱稳定性控制

结合自主研发的冠层反射光谱测量装置,对装置主动光源采用的波长730 nm和810 nm两种窄带LED的光谱稳定性进行了研究。实验结果表明:两种LED在未加特殊控制、按照测量要求高频脉动点亮时,结温均显著升高,造成光源光谱峰值波长的线性红移和发光强度的线性降低,严重影响测量装置测量结果的稳定性和可靠性。提出了一种间歇式脉动驱动LED的方法,该驱动方法使LED工作时结温的升高幅度保持在2℃以内,峰值波长的波动小于1 nm。最后该驱动方法被嵌入到反射光谱测量装置中,进行了室内及田间稳定性测试实验,反射光谱响应值最大相对波动率小于5%。     

基于信息熵特征选择的小麦冠层叶绿素含量估测方法

为运用图像颜色特征估测作物的叶绿素含量,以自然环境下的小麦冠层图像为研究对象,提出一种基于熵权法的颜色特征选择方法,并应用机器学习方法建立小麦冠层叶绿素含量估测模型。熵权法通过信息熵来衡量颜色特征指标权重,实现冠层图像特征排序,机器学习方法选用多元线性回归（Multiple linear regression, MLR）、岭回归（Ridge regression, RR）和支持向量回归模型（Support vector regression, SVR）估测小麦冠层叶绿素含量。试验结果表明,与皮尔逊相关系数法和主成分分析法选取的特征集进行对比,熵权法得到a*、R-G-B、R-G、（a*+b*）/L、a*/b*、(R-G)/(R+G+B)、(R-B)/(R+B)、H/S、(R-G)/(R+G)等9个特征组成的特征集,可以利用较少的特征指标达到最优的预测效果。在选取相同特征指标参数的情况下,SVR的预测能力优于其它模型,其R2和RMSE的平均值分别为0.80、1.89,相比于MLR和RR模型R2分别提升2.8%、1.1%,RMSE分别下降0.13和0.05。将基于熵权法建立的SVR模型应用到2021年采集的小麦冠层图像数据,结果表明模型具有很好的稳定性。     

基于反射光谱探测与二维分析的玉米叶片叶绿素诊断

设计了一套基于微小型光谱学传感器的轻量级作物冠层反射光谱探测系统,系统硬件主要由光学传感器、数据存储传输模块、控制器组成,软件包含采集参数设置、采集控制、数据管理3个模块。经系统标定,系统与标准仪器ASD的数据相关性平均达到094以上。分析了玉米冠层反射率随叶片叶绿素含量和含水率变化而变化的趋势,针对叶片叶绿素含量分别进行了一维和二维相关光谱分析。基于548、594、652nm一阶微分光谱建立了叶片叶绿素含量MLR模型,建模决定系数为0.43,验证决定系数为0.36。结合二维相关光谱分析,讨论了玉米叶片叶绿素含量与水分光谱的响应关系,修正敏感波长为480、594、652、819nm,建立了大田夏玉米的叶片叶绿素含量诊断优化模型,建模决定系数和验证决定系数分别为0.47和0.34。     

冬小麦生育早期冠层叶片光谱的特征与应用

利用不同测试方法对冬小麦返青期和拔节期的冠层叶片反射光谱进行了测量,分析了反射光谱与叶绿素质量浓度之间的相关关系。分析结果表明:处于返青期的小麦由于生长较为稀疏,冠层叶片反射光谱受到裸露地面等外界因素的影响,反射率和NDVI值与叶绿素的相关性差。拔节期由于地表覆盖率提高,反射率和NDVI值与叶绿素之间的相关性较好。返青期和拔节期冠层叶片反射光谱曲线的红边位置与叶绿素之间的相关性,可以较好地反映其叶绿素的质量浓度。通过实验分析两者之间的相关性,分别建立了返青期和拔节期叶绿素质量浓度线性预测模型和二项式模型,结果显示模型可用于冬小麦冠层叶片叶绿素质量浓度的无损检测预测。比较了植被指数NDVI值的不同获取方法,提出了不同生长阶段测试方法的选择方案,为冠层叶片叶绿素检测以及精细追肥提供技术支持。     

基于无人机多光谱遥感的夏玉米冠层叶绿素含量估计

为探讨利用无人机多光谱遥感影像监测夏玉米冠层叶绿素含量的可行性,基于2019年不同施氮水平下(0,105,210,315 kg·N/hm²)夏玉米多光谱遥感影像和田间实测冠层叶绿素含量数据,分析了不同施氮水平下夏玉米冠层叶绿素含量的变化规律,同时选取10种常用光谱植被指数与实测冠层叶绿素含量进行相关性分析,采用与实测叶绿素含量极显著相关的9种植被指数,构建了基于遥感光谱指数的夏玉米冠层叶绿素含量遥感监测模型,并通过精度检验确定最优估测模型.结果表明,施用氮肥能够提高夏玉米冠层叶绿素含量,过量氮肥不能持续提高叶绿素含量,同一施氮水平下不同追肥处理之间叶绿素含量没有明显差异.绿色归一化植被指数与叶绿素含量的相关性系数最高,达到了0.892.采用逐步回归分析方法建立的模型表现最优,决定系数为0.87,均方根误差及相对误差分别为0.15和2.68%.因此,无人机多光谱遥感结合逐步回归模型可以实现田间尺度的夏玉米冠层叶绿素含量的实时监测.     

基于激光诱导荧光光谱分析的黄瓜叶片叶绿素含量检测

利用反射式激光诱导叶绿素荧光光谱分析技术对黄瓜活体叶片叶绿素含量进行检测实验研究。通过对中心波长为473nm和660nm 2种激发光的4种激发强度(2.5、5.0、7.5、10.0mW)条件下荧光光谱的分析,结果显示:在强度7.5 mW、波长473 nm的光源下激发产生的荧光光谱具有很好的准确性和稳定性;在此条件下,荧光参数F_(732)/F_(685)与植物活体叶片内叶绿素含量成极显著线性关系,并以此为基础建立了数学回归模型(R~2>0.93,p<0.001),模型回归系数显著,模型可靠性极好,准确地反映了荧光参数与叶绿素含量的关系。     

基于光谱红边位置提取算法的番茄叶片叶绿素含量估测

为了快速、准确估测番茄叶片叶绿素含量,分析了不同营养水平下的番茄叶片光谱红边参数变化规律,发现红边位置最能表征番茄叶绿素状况,统计分析了6种算法提取的光谱红边位置的差异性,并为每种算法分别建立了5种估测模型,验证结果表明每种红边位置提取算法所对应的最佳模型为线性四点内插法的指数曲线模型和其他红边位置算法的对数曲线模型。其中线性外推法模型精度最高,校正集决定系数R2c为0.618 6,验证集决定系数R2v达到0.771 1,验证集均方根误差RMSEv为8.359 6,可以有效诊断番茄叶绿素含量。线性四点内插法根据670、700、740、780 nm 4个波段的叶片反射率计算红边位置,运算简单,模型精度较高,R2c为0.621 7,R2v达到0.766 6,RMSEv为8.568 2,可以作为开发番茄叶绿素含量监测仪器的依据。     

水下岩塞爆破地震反应谱分析

根据响洪甸抽水蓄能电站工程水下岩塞试验爆破震动测试数据，计算得到该地区的爆破地震反应谱和标准反应谱，为该地区的水工建筑物抗水下岩塞爆破地震设计提供了可靠的依据。同时，对利用爆破地震反应谱来研究爆破地震效应具有一定的推动作用。     

基于反应谱法的RCC重力坝动力可靠度分析

在反应谱理论的基础上结合响应面法显式表达了RCC重力坝的功能函数,解决了在动力分析中弹性抗拉和抗压的功能函数不能显示表达的困难,再运用JC法求解可靠度指标.以铅厂水电站RCC重力坝为例,计算了其结构可靠度指标.结果表明,整个坝体的抗压强度可靠度指标均比较高,均满足规范要求.坝踵、上游坝坡转折处、坝基面、坝趾部位的抗拉可靠度指标较小,甚至小于1,表明这些地方的拉应力超过混凝土的允许抗拉强度,甚至被破坏.这从动力特性分析的结果中能够得到印证.可见,运用这种方法计算可靠度指标效率高,实用性强.     

叶酸溶液的二维可见-近红外透射光谱响应研究

叶酸是一种重要的维生素,在日常饮食中人体摄入叶酸普遍不足。探索叶酸的快速检测手段,对富含叶酸食品的检测及其功能性产品的开发有重要的意义。该研究配置了20个浓度梯度的叶酸溶液,采用可见-近红外光谱仪获得了不同浓度下的透射光谱图。视浓度为外扰,应用二维相关光谱相关理论对叶酸溶液进行分析。结果表明,在可见光谱区内有3个较强的特征波,从强到弱依次为430、450和550 nm,并且在这些波段处的吸光度值与叶酸溶液的浓度呈线性相关,其相关系数在0.98以上;在短波近红外光谱区内有6个较明显的特征波,从强到弱依次为1 410、1 440、1 490、1 540、1 520和1 510 nm。该研究明确了在可见-近红外透射光谱作用下,叶酸溶液的敏感波段和敏感程度,为叶酸的快速检测提供了理论依据。      

植物功能性状及其叶经济谱对硬化地表的响应

为探究植物叶功能性状及其叶经济谱对城市硬化地表的响应,以北京市典型绿化树种白蜡(Fraxinus chinensis)、国槐(Sophora japonica)和栾树(Koelreuteria paniculata)为研究对象,选择城市环境中典型的3种地表类型:自然地表(CK)、透水硬化地表(T1)和不透水硬化地表(T2),测定其地表温度、土壤含水率及植物叶功能性状等指标。结果表明,硬化地表极显著地升高了城市地表温度(P 0. 01),且由大到小表现为T1、T2、CK,而极显著地降低了土壤含水率(P 0. 01),由大到小表现为CK、T2、T1;城市生态环境中,硬化地表对国槐和栾树的影响主要源于高温胁迫,而对白蜡的影响主要源于T2的干旱胁迫; 3个树种叶功能性状间表现出相对一致的生态对策,以适应城市环境的变化,叶绿素含量与比叶面积呈显著正相关(P 0. 05),且分别与叶干物质含量、叶组织密度呈极显著负相关(P 0. 01),叶干物质含量与叶组织密度呈极显著正相关(P 0. 01)。全球叶经济谱也存在于城市生态系统中,且总体上向快速投资收益型一端偏移,城市生态环境中植物通过减小气孔密度和比叶面积、缩小气孔面积、增加叶干物质含量和叶组织密度等策略,来适应城市生态系统中的高温、干旱等特殊生境。因此,在城市绿化植物的选择及配置上,建议根据其生态权衡规律,选择耐高温、耐旱的树种,同时通过增加降温、灌溉,减少生长季修枝等措施来降低不利影响。     

响应面法优化固定化酶改善酸法大豆浓缩蛋白凝胶性的研究

利用固定化谷氨酰胺转胺酶(MTG)对酸法大豆浓缩蛋白(SPC)进行改性,采用响应面法优化改性的工艺条件.结果表明,当固定化MTG添加量3.84U/g、反应温度49.57℃,pH值6.03、反应时间2.04 h时,响应面优化后的SPC凝胶性为7.33 kcp,比未改性时提高27.26%.     

基于振型分解反应谱法的重力坝三维有限元动力分析

重力坝的抗震特性是大坝安全的一个重要指标,在对某重力坝中孔坝段进行三维有限元静力分析的基础上,采用子空间迭代法对大坝进行模态分析,分析其自振特性,获取自振频率、自振周期及结构振型;并采用振型分解反应谱法进行动力计算,分析大坝的地震动力响应及其规律;最后按照"强度最不利应力叠加原则"将静态荷载和动态荷载作用下的反应进行组合,分析了坝体的综合反应。