茶叶干燥过程水分含量的近红外光谱检测方法研究

水分含量是衡量茶叶干燥过程中品质的最重要因素之一,采用近红外光谱分析技术分析茶叶干燥过程水分含量。首先,采用便携式近红外光谱检测系统采集茶叶干燥过程样本的光谱,采用标准正态变量变换(SNV)预处理光谱;然后,比较应用全光谱偏最小二乘模型(PLS)、遗传偏最小二乘模型(GA-PLS)、竞争性自适应加权抽样偏最小二乘模型(CARS-PLS)建立模型,采用交互验证优化模型。结果显示,CARS-PLS模型预测性能最佳,结果优于PLS和GA-PLS模型;CARS-PLS模型优选的变量数为11,变量数仅为全光谱变量数的2.1%,预测集的Rp=0.990 7,RMSEP=0.574。结果表明,采用近红外光谱技术结合合适的化学计量学方法评价茶叶干燥过程的水分含量具有可行性,为茶叶干燥过程品质的数字化、智能化监控提供方法。     

烟叶化学成分协调性的近红外光谱检测模型研究

对烟粉全部近红外光谱数据采取不同的预处理方法来探究烟叶化学成分协调性（施木克值、糖碱比、氮碱比）,基于有效波长光谱数据建立相应的近红外光谱的检测模型,并利用偏最小二乘法(PLS)通过训练集的交叉验证建立回归模型。通过全部波长数据中值滤波平滑处理后建立施木克值的回归模型,预测集r=0.9861、RMSE=0.0548;通过全部波长数据卷积平滑二阶求导处理后建立糖碱比的回归模型,预测集r=0.9498、RMSE=0.9095;在对光谱数据处理较优的Norris一阶导数数组基础上选取30个有效波长建立氮碱比的回归模型,预测集r=0.9202、RMSE=0.6947。结果表明：利用近红外光谱可以较好地预测烤烟施木克值、糖碱比和氮碱比。     

一种林地土壤氮磷钾含量快速测定的新方法

为实现林地土壤肥力的快速监测,笔者提出一种基于可见/近红外光谱技术,同时进行杉木林土壤全氮、全磷与全钾测定的新方法。以FieldSpec?3地物光谱仪采集杉木林土壤48份,随机分成校正集（32份）和检验集（16份）。光谱采用S.Golay实现平滑去噪与标准归一化进行背景去除后,选取350~2350 nm的反射光谱,以偏最小二乘算法（PLS）建立回归模型。结果表明,3种肥力指标测定模型均具有较高的精度,其校正集R2与预测模型R2分别在0.892与0.884以上。说明以可见/近红外光谱实现土壤中全氮、全磷与全钾的同时测定可行,从而为林地土壤肥力的快速监测提供了一种新方法。     

基于冠层光谱的早籼稻籽粒粗蛋白含量估测

利用2019年长江中下游早籼稻早中熟组种质资源为材料,分析主要生育期冠层光谱反射率与籽粒粗蛋白含量的关系,筛选出可用于早籼稻籽粒粗蛋白含量预测的敏感生育期和敏感波长,建立了基于敏感波长和光谱参数的籽粒粗蛋白的一元线性、多元线性、指数和多项式预测模型,用决定系数（R ²）、均方根误差（RMSE）和相对误差（RE）对模型精度进行评价,以期找到估测早籼稻籽粒粗蛋白含量的最适模型。研究发现,在孕穗期514、580、638和695nm波长处冠层一阶微分光谱反射率与籽粒粗蛋白含量相关性达到极显著水平;在基于敏感波长的估测模型中,四元线性模型估测效果最佳,其建模集R ²、RMSE和RE分别为0.566、0.342%和2.874%,验证集R ²、RMSE和RE分别为0.518、0.154%和1.303%;在基于光谱参数构建的估测模型中,DSI(R′₅₁₄和R′₆₃₈)为自变量构建的多项式模型估测效果较优,其建模集R ²、RMSE和RE分别为0.638、0.312%和2.639%,验证集R ²、RMSE和RE分别为0.581、0.230%和2.307%。     

不同烘烤条件下烤烟纤维素的近红外光谱检测模型研究

为探索不同烘烤条件下烤烟纤维素含量近红外光谱检测模型,采用偏最小二乘回归法(PLS)对不同烘烤条件下的共85个样品,分别基于全部波长建立模型。常规烘烤时,定标集r=0.9949,RMSE=0.1122;交叉验证集r=0.9234,RMSE=0.4636;预测集r=0.8982,RMSE=0.6963。低温烘烤时,定标集r=0.9811,RMSE=0.3279;交叉验证集r=0.9456,RMSE=0.5290;预测集r=0.9938,RMSE=0.1608。高温烘烤时,定标集r=0.9128,RMSE=0.4381;交叉验证集r=0.8215,RMSE=0.6162;预测集r=0.9743,RMSE=0.1986。结果表明,采用偏最小二乘法预测不同烘烤条件下烤烟纤维素含量是可行的。     

基于全波段高光谱的冬小麦生长参数估算方法比较

利用高光谱数据监测作物生长情况具有无损和高效的特点,是现代农业的发展方向。为了简化高光谱数据处理流程,直接利用原始的高光谱反射率完成从建模到估算作物生长参数的全过程,应用于作物长势的实时监测。本文利用偏最小二乘回归（partial least squares regression,PLSR）、支持向量回归（support vector regression,SVR）和前馈神经网络（feedforward neural network,FNN）3种方法,利用全波段高光谱数据分别对冬小麦多个关键生育期（拔节、孕穗、扬花和乳熟期）生长参数（地上部生物量、叶面积指数、全氮含量和叶绿素浓度）进行了估算。比较3种方法的建模及估测效果,发现对于建模集数据,SVR对上述生长参数4个生育期的估测结果R²均值为0.89~0.98,MAPE为1.70%~7.53%,对于验证集数据,R²均值为0.90~0.94,MAPE为4.04%~7.46%,拟合优度和估测精度均超过PLSR和FNN,是估算方法中利用全波段光谱反射率估测冬小麦生长参数的最佳方案。随着无人机载高光谱技术成熟,SVR方法能够用于处理航拍获取的大范围田间高光谱信息,简便快捷地进行建模与参数反演,实时反映作物生长状态。     

耕层土壤含水量间接光谱估测模型

为克服光学卫星遥感只能获取表层土壤光谱信息而不能用于直接估测耕层土壤含水量的局限性,建立基于表层土壤高光谱的耕层土壤含水量间接估测模型。以山东省济阳县85个潮土样本的含水量及高光谱数据为基础,根据表层与耕层土壤含水量的内在关系,建立耕层土壤含水量间接光谱估测模型。结果表明,表层土壤光谱反射率的对数变换效果较好,以1339、1457、1745、1969、1996 nm波段的对数变换值为估测因子,采用多元线性回归模型建立的表层含水量估测模型的决定系数为R ²=0.8911,平均相对误差为13.67%;土壤耕层与表层含水量之间存在着显著的相关性,R ²=0.8131;耕层土壤含水量间接光谱估测模型的精度较高,决定系数R ²=0.8138,平均相对误差为9.66%。研究表明,山东省济阳县潮土表层、耕层含水量之间存在着显著的相关性,利用表层土壤光谱间接估测耕层土壤含水量是可行有效的。     

基于RF和SPA的无人机高光谱估算棉花叶片全氮含量

为分析棉花叶片全氮含量（LNC）与冠层光谱反射特征的关系,实现作物生长过程中氮素水平的快速、准确和无损监测,以石河子大学教学试验场2019年棉花小区试验为基础,选用多元散射校正、SG平滑算法、变量标准化校正和一阶导数4种方法分别对棉花冠层原始光谱进行预处理,使用随机蛙跳（random frog,RF）和连续投影算法（successive projections algorithm,SPA）筛选特征波长并结合偏最小二乘回归法建立棉花LNC光谱估算模型。RF和SPA算法从棉花冠层398～1000nm的光谱中优选5组LNC的敏感特征波段,波段数目下降了93.0%～96.3%,有效降低了光谱的冗余信息;基于SPA算法筛选的敏感波段构建的LNC偏最小二乘回归模型的决定系数和均方根误差分别为0.52和2.55,模型验证的决定系数和均方根误差分别为0.70和2.37,模型具有较好的精度和稳定性,可作为棉花LNC的无人机高光谱估算方法。     

基于高光谱遥感的玉米叶片SPAD值估算模型研究

灌浆期玉米叶片叶绿素含量对玉米光合作用及产量形成具有重要作用。为通过高光谱特征准确、高效估测玉米叶片叶绿素含量,以SPAD值表征叶绿素相对含量,构建了基于光谱特征参数的传统回归模型、基于全谱和光谱特征参数的PLSR模型和BP神经网络模型,并进行了比较分析。结果表明：基于全谱构建的PLSR模型SPAD值拟合效果最好（R ²=0.910,RMSE=2.071）,而基于光谱特征参数所建立的PLSR模型拟合效果可达到与全谱PLSR模型相近的水平。但后者的实测值与预测值拟合效果（R ²=0.867,RMSE=2.581,RPD=2.628）优于全谱PLSR模型,且建模时间短,模型复杂程度降低。BP神经网络模型相较于两种PLSR模型预测效果略差,但优于传统回归模型。综合来看,基于光谱特征参数建立的PLSR模型估测效果最好。     

结合植被指数与纹理特征的玉米冠层FAPAR遥感估算研究

光合有效辐射吸收比率（fraction of absorbed photosynthetically active radiation,FAPAR）是反映作物产量的重要参数之一。无人机遥感能够快速无损地获取高分辨率植被冠层光谱信息,已成为进行物理化参数反演的重要手段。以不同播期玉米为研究对象,基于无人机搭载多光谱传感器,提取植被指数与植被纹理特征,使用偏最小二乘（partial least squares regression,PLSR）方法将二者结合反演玉米FAPAR,并与传统单独使用植被指数或植被纹理特征反演植被FAPAR的方法进行比较。结果表明：使用传统方法单独利用植被指数反演FAPAR（验证RMSE最低为7.33×10^-2,rRMSE最低为8.66%）的效果比单独利用纹理特征反演FAPAR（验证RMSE最低为9.50×10^-2,rRMSE最低为11.23%）的精度更高;使用PLSR方法单独利用植被指数或纹理特征估算FAPAR的效果比传统方法精度更高（植被指数与纹理特征的验证RMSE最低分别为6.77×10^-2和5.24×10^-2,rRMSE最低分别为8.01%和6.19%）;使用PLSR方法将植被指数与纹理特征相结合估算FAPAR（验证RMSE最低为4.72×10^-2,rRMSE最低为5.57%）的效果比单独使用植被指数或纹理特征估算FAPAR的精度更高。综上,使用PLSR方法将植被指数和植被纹理特征相结合来反演玉米冠层FAPAR可行,为作物FAPAR遥感反演研究提供了新的思路。     

不同类型土壤全氮含量的高光谱预测研究

为了探明土壤全氮的敏感波段,对比不同统计方法建立的预测模型的反演精度与稳定性,以红壤、石灰土、潮土和水稻土4个土类的土壤为研究对象,利用ASD Pro FR地物光谱仪,在室内条件下测定350~2500 nm波段范围的土壤高光谱数据,经分析不同光谱指标与全氮含量数据的相关性,确定全氮的敏感波段,并建立相应的反演模型。结果表明,反射系数、反射系数对倒的一阶微分、反射系数倒数的一阶微分、反射系数的一阶微分、反射系数对数的倒数、反射系数对数的一阶微分与全氮的最高相关系数分别出现在2153、1079、1853、528、1392、438 nm;所有预测模型中,以895、1079、1138、1149、2163、2183、2336、2337 nm波段反射率对倒的一阶微分建立的多元逐步回归模型为最佳模型;逐步回归与一元线性回归相比较而言,逐步回归建立的预测模型的精度和稳定性更佳。     

基于随机森林法的棉花叶片叶绿素含量估算

为了高效和无损地估算棉花叶片的叶绿素含量,本研究测定了棉花光谱反射率及叶绿素含量(soilandplant analyzerdevelopment,SPAD)值,对光谱数据进行包络线去除处理、立方根转换和倒数转换,以SPAD值与反射光谱之间的相关性为基础,通过随机森林法筛选出对棉花叶片SPAD值影响较大的特征波段,构建估算棉花叶片SPAD值的BP神经网络(back propagation artificial neural networks, BP ANN)、偏最小二乘回归(partial least squares regression,PLSR)两个模型。结果表明,在605～690nm范围内的反射率与SPAD值相关性达0.01显著水平,均呈负相关,相关系数最高值为-0.619。与原始光谱相比,经过变换后的棉花反射率与SPAD值相关性结果相差较大,其中去除包络线光谱在550～750 nm波段范围有效提高了相关性,相关性效果优于倒数转换数据和立方根转换数据。随机森林法能够有效评出对SPAD值影响较大的特征波段,进而提高模型估算精度。在两种模型中,基于去除包络线光谱建立的PLSR和BP神经网络模型的决定系数R~2分别为0.92、0.83,说明这两种模型的估算能力较好;两种模型RMSE分别为0.88、1.26, RE分别为1.30%、1.89%,表明PLSR模型的估算精度比BP神经网络模型高。从模型的验证效果来看,PLSR模型在估算棉花SPAD值方面有一定的优势和参考价值。     

土壤水分的高光谱响应特性及定量监测研究

为及时、准确地监测土壤含水量（SMC），采用室内条件下人工模拟不同SMC环境的方法，通过测定各时间段的SMC及其对应的土壤光谱反射率，运用连续投影算法（SPA）提取土壤水分的特征波长，结合多元线性回归（MLR）方法，构建SMC的高光谱定量监测模型。结果表明，光谱反射率随着样本SMC的增加而逐渐降低，二者存在明显的负相关关系；采用SPA方法提取的光谱特征波段为422、629、817、976、1121、1258、1359、1448、1830和2022nm；构建的SPA-MLR土壤水分高光谱监测模型表现出良好的预测效果（校正集的R2=0.930、RMSE=8.845、RPD=3.794，验证集的R2=0.927、RMSE=8.799、RPD=3.581）。研究结果可为土壤水分的高效精准监测提供一定的实践探索和理论参考。     

烟叶总氮的近红外光谱检测模型研究

探索建立一种有效的烟叶总氮含量近红外光谱检测模型,并寻找1100~2500 nm波段中预测烟叶总氮含量的有效波长。采用多种不同的光谱处理方法,并选择较优的一阶导数光谱处理原始光谱,再用偏最小二乘回归建立模型和Martens不确定性检验方法选择有效波长。基于全部波长建立的模型,训练集r=0.9930,RMSE=0.0490;交叉验证r=0.9708,RMSE=0.0996;预测集r=0.9747,RMSE=0.0884。基于有效波长建立的模型,训练集r=0.9937,RMSE=0.0464;交叉验证r=0.9744,RMSE=0.0938;预测集r=0.9610,RMSE=0.1116,预测值与化学值的绝对误差小于0.227%,相对误差未超过0.1%。表明使用近红外光谱分析技术检测烟叶总氮含量较好,采用Martens不确定性检验方法选择有效波长,并利用有效波长预测烟叶总氮含量是可行的。     

基于冠层反射光谱的夏玉米叶片氮积累量估测

为实现夏玉米冠层氮素状况的实时无损监测,于2009—2010年连续2个生长季,通过不同玉米品种和施氮水平下的田间试验,研究夏玉米叶片氮积累量与冠层反射光谱的相关关系,提出叶片氮积累量的敏感光谱参数,并建立叶片氮积累量的定量估算模型。结果表明,夏玉米叶片氮积累量随施氮水平的提高而增加;可见光波段的460~670 nm和近红外区的780~1100 nm是监测玉米叶片氮积累量变化差异的敏感波段;归一化植被指数(NDVI)、优化的简单比值指数(MSR)、优化土壤调节植被指数(OSAVI)、修正土壤调整植被指数(MSAVI)和土壤调整植被指数(SAVI)与叶片氮积累量相关性较好。利用不同年际独立试验数据对监测模型进行检验,以OSAVI为自变量构建的叶片氮积累量监测模型效果最优,相关系数(r)为0.6745,均方根差(RMSE)为1.2368。利用本研究确立的玉米叶片氮积累量与冠层反射光谱的定量关系,可用来定量估测叶片氮积累量的变化状况。     

基于高光谱的土壤有机质含量反演研究

土壤有机质含量是土壤肥力的一个重要指标,利用高光谱对土壤有机质含量进行定量化反演,为精准农业地表土壤有机质含量的快速测定提供参考。利用美国ASD FieldSpec FR地物光谱仪,在室内条件下对经过处理的土壤样品进行光谱测量,通过对土壤样品光谱反射率不同变换形式与有机质含量进行相关性分析,建立土壤光谱变量与土壤有机质含量的多元回归关系模型。结果表明：在波长492 nm、663 nm、1221 nm、1317 nm、1835 nm和2130 nm处,采用光谱反射率一阶微分建立的土壤有机质含量反演回归模型,预测精度最好,决定系数R2为0.909。建立的土壤有机质含量高光谱反演模型,可以较好地预测土壤有机质含量,从而为精准农业土壤有机质含量的快速测定提供新的途径。     

桃树叶片氮素含量的高光谱遥感监测

通过设计试验分析用桃叶片反射率光谱预测其氮素含量,以及用光谱特征值与氮素含量建立相关模型的可能性。探讨采用光谱分析手段预测果树氮元素含量的精度及应用潜力。对桃树鲜叶的光谱反射率（Rλ）以及叶片全氮（TN）含量进行测定,并对氮素含量与Rλ及其多种变式数据（1/Rλ、log Rλ、d Rλ）的相关性进行分析,找出与氮素含量相关性最强的光谱数据形式;采用逐步回归法,对氮素和与其相关性最强的光谱数据形式进行回归分析,得到入选波长;利用入选的波长,进行基于最小误差平方和的回归建模。结果表明,可以由叶片的精细光谱特征,特别是利用d Rλ作为因子,较好地反映出氮素含量,从而为进一步探讨利用高光谱遥感探测叶片化学组分提供参考。