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。     

高光谱技术在农作物营养信息诊断中的应用

概述了高光谱遥感分析技术在农作物营养诊断方面的应用状况,着重介绍了诊断农作物的主要生化参数,如氮素、叶绿素、叶面积指数(LAI)和水分等多项指标的研究进展,并对高光谱遥感技术在作物营养诊断与检测方面的研究进行了展望。     

偏振光谱在枣叶无损检测中的应用

红枣通过光谱无损检测技术可以快速预测红枣水分、糖分等参量,而将偏振光谱技术应用于红枣叶片的无损检测可以快速对枣叶的水分、叶绿素进行预测,进而预测枣树的生长状态.利用近红外偏振光谱技术对南疆红枣叶片含水量和叶绿素含量进行无损检测,分别选用偏最小二乘法(PLS)和主成分回归分析法(PCR)的化学计量学方法建立红枣叶片校正模...     

基于三维光谱指数的土壤含水率反演研究

为研究三维光谱指数预测土壤含水率的效果,以期能为精准农业地表土壤含水率的快速精确测定提供参考.以浙江永康地区采集的不同含水率土壤样本为研究对象,利用ASD FieldSpec 3光谱仪在室内对土样进行光谱反射率测量,并基于原始光谱反射率(R)及其对应的一阶微分光谱(FD)、二阶微分光谱(SD)进行一维二维及三维光谱指数的提取.再通过偏最小二乘回归模型(PLSR)对不同光谱指数建模,并对比分析不同模型的反演精度.结果表明:三维光谱指数相比于一维二维光谱指数对土壤含水率更加敏感;基于三维光谱指数(TBI2)偏最小二乘回归模型具有最佳的预测效果,其Rv2=0.92,RPD可达3.32;对于土壤含水率反演而言,三维指数(R-TBI1)相比于其他的光谱指数更具重要性,其变量投影重要性(VIP)达1.04.该研究表明利用三维光谱指数建模为高光谱遥感对表层土壤含水率的快速有效监测提供了一条新途径.     

基于高光谱的抽穗期寒地水稻叶片氮素预测模型

为快速、无损地监测水稻叶片氮素营养状况,开展了基于高光谱成像技术的抽穗期寒地水稻叶片氮素预测模型的研究。以不同施氮水平的寒地水稻叶片为研究对象,采用连续投影算法(successive projections algorithm,SPA)和分段主成分分析(segmented principal components analysis,SPCA)方法选择水稻叶片的高光谱特征波段,SPCA方法降维后结合相关分析(correlation analysis,CA)构建特征光谱参量,并建立基于全波段高光谱数据、SPA特征波段及SPCA特征光谱参量的多种回归分析模型且对模型进行检验和筛选。研究结果表明:在校正集决定系数RC2上,基于多元逐步回归分析(multiple stepwise regression analysis,MSRA)的全波段模型较好,RC2=0.9 6 4,校正集均方根误差RMSEC=0.083;RP2为0.961,RMSEP为0.050。该研究结果为快速检测水稻叶片氮素含量及水稻生长期间精确施肥管理提供了技术支撑和理论依据。     

基于反射光谱的苹果叶片叶绿素和含水率预测模型

为探索苹果叶片叶绿素含量(质量比)、叶片含水率与反射光谱之间的关系,以华北地区苹果树为研究对象,分别测定了各个关键生长期苹果叶片的光谱反射率、叶绿素含量和叶片含水率。分析光谱反射率与叶绿素含量以及叶片含水率之间相关性发现,在不同生长时期,苹果叶片叶绿素a含量与反射光谱在515~590 nm和688~715 nm两组波段内具有较高的相关性,且果实成熟期数据显示相关度最高(R2=0.6)。在420~500 nm、640~680 nm、740~860 nm 3个波段叶片含水率与反射光谱有较高的相关性,且果实膨大期的叶片含水率在可见光波段的相关系数最大。根据所选敏感波段,分别利用多元线性回归、主成分分析和人工神经元网络建立基于反射光谱的苹果叶片不同生长时期叶绿素和含水率的预测模型。通过对所建立的预测模型进行校验,结果显示,利用主成分分析方法所建立的苹果叶片叶绿素含量预测模型的决定系数最高(R2=0.885 2),校验系数为0.828 9。该模型可以较为准确地预测苹果叶片叶绿素含量。而采用神经元网络所建立苹果叶片含水率预测模型的决定系数R2=0.862,校验系数为0.8375,预测效果最好。     

基于无人机成像光谱仪数据的棉花叶绿素含量反演

以棉花为目标作物,使用低空无人机平台的成像光谱仪获取地表农作物高光谱影像,利用无人机影像光谱分辨率高的特点,提取27个光谱参数,构建棉花叶片叶绿素相对含量(SPAD)的反演模型,并制作棉花叶片SPAD分布图。结果表明:在影像上,不同叶片SPAD的棉花冠层反射率有显著差异。光谱参数中,与SPAD相关性最高的为DR526、DR578、SDy和Db,相关系数绝对值都在0.8以上。在各光谱参数参与建立的SPAD反演模型中,使用多元逐步回归和偏最小二乘回归方法的模型精度最高。对高光谱影像结合各模型制作的SPAD分布图进行精度分析,结果表明,使用SPAD-PLSR模型得到的分布图具有最佳预测效果,可以作为棉花叶片SPAD遥感监测的技术手段。     

基于荧光光谱分析的马铃薯叶片钾素营养检测研究

马铃薯属于喜钾作物,在栽培过程中钾素营养的供应直接关系到马铃薯的产量与品质.本研究探讨了不同供钾水平下马铃薯作物叶片的荧光光谱响应特性,并基于不同形式的光谱参量构建了马铃薯不同生育时期叶片钾素含量的回归模型.结果表明:将敏感波段中680nm和718nm波长处的荧光强度F680和718进行组合及对数变换处理后[F680+F718、lgF680、lgF718、lg(F80+F718)]作为光谱参量,所构建的叶片钾素含量回归模型的决定系数均较原始光谱参量(F680、F718)有所提高,其中以lg (F680+F718)为光谱参量所建立的回归模型拟合效果最佳,在发棵期和结薯期回归模型的决定系数均高于0.94,基于该参量所建立的模型适宜用来估算马铃薯叶片钾素的含量及对马铃薯作物钾素营养的丰缺状况进行评价.     

基于SVR算法的苹果叶片叶绿素含量高光谱反演

为实现苹果叶片叶绿素含量的高光谱反演,分析了多种光谱参数与实测SPAD值的相关性,并将归一化光谱参数值及SPAD值进行多项式回归及支持向量回归。其中以归一化植被指数为变量的SVR(Support vector regression)反演模型在建模及模型检验中决定系数分别为0.741 0、0.891 4,均方根误差分别为0.133 2、0.125 6,具有较高的精度及良好的预测能力。与多项式回归相比,SVR具有更好的反演效果,可以作为叶绿素高光谱反演的优选算法。     

基于岭回归的土壤含水率高光谱反演研究

以以色列南部Seder Boker地区采集的粘壤土样品为研究对象。在室内利用ASD Field Spec 3型高光谱仪获取土壤的原始光谱,在进行数据预处理和不同数学变换后,共获取了4种光谱指标:光谱反射率(REF)、倒数之对数(LR)、一阶微分(FDR)和去包络线(CR)。采用偏最小二乘回归法(PLSR)、逐步回归法(SR)和岭回归法(RR)构建了基于不同指标的土壤含水率高光谱反演模型,并对反演结果进行精度验证与比较。结果表明:REF-PLSR模型在所有回归模型中的反演与预测效果均为最优(R2c=0.990,R2p=0.987),在逐步回归模型和岭回归模型中,LR-SR(R2c=0.981,R2p=0.971)、LR-RR(R2c=0.975,R2p=0.979)均为最佳模型。对于其他3种指标,虽然逐步回归法和岭回归法的建模效果较偏最小二乘回归法略有下降,但R2c均大于0.9,R2p均大于0.8,RPD均大于2.5,RMSE均小于0.03,模型仍具有较好的反演效果;逐步回归法和岭回归法均实现了模型的简化,但岭回归法采用有偏估计从而提高了模型的稳健性,且实现了波段的优选(用于建模的波段数仅为全光谱的0.3%)。粘壤土土壤含水率LR-RR高光谱反演模型的建立为高光谱模型的优化、土壤含水率的快速测定提供了途径。     

铜胁迫下玉米叶片光谱STFT分析与叶片铜离子浓度反演

采集不同浓度梯度铜离子（Cu2+）胁迫下玉米叶片的可见光-近红外光谱及实测玉米叶片Cu2+浓度,采用短时傅里叶变换（Short-time Fourier transform,STFT）时频分析技术,研究不同浓度Cu2+胁迫下玉米叶片光谱的能量振幅响应,进而提取特征波段的振幅参数,利用偏最小二乘回归（Partial least squares regression,PLSR）方法反演叶片Cu2+浓度。研究发现,玉米叶片光谱的STFT变换所得能量振幅峰值随Cu2+胁迫浓度梯度的增加呈先降低、后升高趋势,且随Cu2+浓度的升高不断向短波方向迁移。选取不同浓度梯度的能量振幅峰值波段为特征波段,利用特征波段上随频域变化的能量幅值,建立玉米叶片Cu2+浓度反演的偏最小二乘回归模型,模型R2为0.9863。选取相同培育期的另外2组植株数据为验证数据,进行相同STFT变换,利用建立的偏最小二乘回归模型对两组验证数据进行玉米叶片Cu2+浓度反演,并与验证组实测Cu2+浓度进行相关性分析,Cu2+反演R2分别为0.8806和0.7331（P<0.01）,RMSE分别为1.563、2.619μg/g。研究表明,光谱的时频分析方法可用于Cu2+胁迫下玉米叶片的快速检测,为农作物的重金属胁迫监测提供了新的思路。     

生菜叶片镉含量高光谱预测模型

为了实现无损检测生菜叶片中重金属镉的含量,以高光谱技术为研究手段,研究一种基于高光谱技术的精确、快速和有效检测生菜中重金属镉含量的方法。首先,使用高光谱图像采集系统获取生菜高光谱图像,并提取光谱数据,对提取出的光谱数据采用连续投影算法（SPA）和基于权重回归系数的特征选择算法进行特征提取,建立预测生菜叶片中镉含量的最小二乘支持向量回归（LSSVR）模型。结果表明:SPA-LSSVR模型性能最佳,其中预测集决定系数为0.927 3,均方根误差为0.093 mg/kg。因此,利用高光谱技术结合SPA-LSSVR模型对生菜叶片中重金属镉含量进行预测是可行的,可为实际应用提供技术支持和参考。      

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、...     

基于红边优化植被指数的寒地水稻叶片叶绿素含量遥感反演研究

水稻叶片叶绿素含量遥感诊断是实现水稻精准施肥的核心要素。本研究通过分析寒地水稻关键生育期叶片高光谱反射率信息,同时结合PROSPECT模型叶绿素含量吸收系数,参考借鉴现有高光谱植被指数的构造方法和形式,利用相关性分析、连续投影法、遗传算法优化的粗糙集属性简约法进行高光谱特征选择,提出了仅含有695、507和465nm 3个高光谱特征波段的红边优化指数（ORVI）。与Index Data Base数据库中其他用于叶绿素含量反演植被指数,包括ND_528,587、SR_440,690、CARI、MCARI的反演结果进行了对比分析,结果表明：IDB数据库中的已有4种植被指数叶绿素含量反演模型的决定系数R₂分别为0.672、0.630、0.595和0.574;ORVI植被所建立的叶绿素含量反演模型的决定系数R₂为0.726,均方根误差RMSE为2.68,精度高于其他植被指数,说明了ORVI在实际的应用中,能够作为快速反演水稻叶绿素含量的高光谱植被指数。本研究能够为寒地水稻叶绿素含量高光谱遥感诊断及管理决策提供一定的客观数据支撑和模型参考。     

基于双分支卷积网络的玉米叶片叶绿素含量高光谱和多光谱协同反演

针对智慧农业中叶绿素的精准预测问题,本文提出了基于双分支网络的玉米叶片叶绿素含量高光谱与多光谱协同反演的方法。使用欠完备自编码器进行数据降维,捕捉数据中最为显著的特征,使降维后的数据可以代替原始数据进行训练,从而加快训练效率,使用双分支卷积网络将多光谱数据用于填充高光谱数据信息,充分利用高光谱数据的空间细节信息,再结合1DCNN建立玉米叶片叶绿素含量预测模型。结果表明,与传统降维算法相比较,欠完备自编码器处理后预测结果最佳,决定系数R2为0.988,均方根误差（RMSE）为0.273,表明使用欠完备自编码器进行降维可以有效提高数据反演精度;与单一的高光谱数据反演模型和多光谱数据反演模型相比,双分支卷积网络预测模型均取得较优的预测结果,R2在0.932以上,RMSE均在1.765以下,表明基于双分支卷积网络的高光谱与多光谱图像协同反演模型可以有效地利用数据的特征;对于其他数据结合本文提及的双分支卷积网络模型进行反演,其R2均在0.905以上,RMSE均在2.149以下,表明该预测模型具有一定的普适性。     

黄绵土风干过程中土壤含水率的光谱预测

以2014年两次在陕西省乾县田间采集的129个黄绵土土壤样本为研究对象,建立土壤含水率定量反演模型。在土壤风干过程中测量光谱反射率及含水率,分析土壤含水率与光谱反射率之间的关系,并利用一元线性及指数回归建立土壤含水率光谱预测模型。结果表明在400~1 340、1 460~1 790、1 960~2 390 nm波长范围内,与含水率相关性最大的反射率对应的波长分别为570、1 460、1 960 nm;吸收深度最大的波长位于490、1 460、1 960 nm。土壤光谱特征指标与含水率之间的线性相关关系优于指数相关关系。以特征波长1 980 nm(C1980)、1 980 nm的吸收深度(D1980)和1 480 nm的吸收深度(D1480)为自变量建立的线性模型为土壤含水率预测的最优模型,校正和验证的决定系数R2大于0.92,相对预测偏差(RPD)大于2.5,均方根误差(RMSE)小于2.5%。研究表明利用自然土样,在风干过程中进行土壤含水率光谱快速预测是完全可行的,从而为遥感实时、快速监测土壤水分含量及大面积土壤水分反演提供了参考。     

基于旋翼无人机的农业低空高光谱遥感技术研究

低空高光谱遥感技术是一种新型技术,其可以搭载在旋翼无人机平台之上,被广泛应用于农业领域中,以实现对大面积农作物光谱信息进行精确和实时的快速检测。但由于其建立的统计模型主要是将地物光谱信息和卫星遥感影像数据直接结合,导致模型的精度容易受到一些外在因素的影响,如时间、地点、对象、图谱的特异性等,使其在现代化农业发展中还难以实现有效推广。基于此,笔者围绕低空高光谱遥感技术在农业方面的应用展开研究。研究结果表明,运用无人机低空高光谱遥感技术,能够更为方便和快捷地收集农作物信息数据,掌握各种农作物的生长情况,能够减少实际成本,有效克服传统航天技术存在的相应问题,极大地促进了现代农业的发展。     

基于快速叶绿素荧光技术的油菜冠层生化参数垂直异质性分析

准确获取作物冠层生化信息对监测作物生长和指导精准施肥具有重要意义.现有的作物生化参数的垂直分布研究以高光谱遥感反演为主,缺乏与光合生理的联系.本研究主要探究了不同氮素处理水平下油菜苗期冠层内的叶绿素、类胡萝卜素、干物质和水分等生化参数的垂直分布变化特性,同时利用快速叶绿素荧光技术测定了叶片的光合性能,并通过线性回归分析...     

光谱检测技术在种子质量检测中的应用

种子质量是影响作物产量关键因素之一,而传统种子质量检测方法难以满足其快速检测的要求,采用光谱检测技术可有效降低种子检验成本、提高检验效率.以玉米种子为研究对象,基于玉米种子光谱检测流程,阐述光谱检测技术在玉米种子活力、含水率与病害、品种与产地等方面的研究现状及现存问题.光谱检测技术已应用于玉米种子质量检测,预测模型的准...     

剔除土壤背景的冬小麦根域土壤含水率遥感反演方法

为剔除无人机多光谱图像中的土壤背景、提高作物根域土壤含水率反演精度,以不同水分处理的拔节期冬小麦为研究对象,利用无人机多光谱相机分别在09:00、11:00、13:00、15:00和17:00等5个时刻获取高分辨率多光谱图像,采用改进的植被指数阈值法快速确定植被像元与土壤像元的分类阈值,通过阈值划分剔除土壤背景,并根据阈值变化研究土壤背景对冬小麦冠层反射率的影响,建立了剔除土壤背景前后基于植被指数的土壤含水率反演模型。结果表明,应用改进的植被指数阈值法可有效剔除多光谱图像中的土壤背景,其中基于植被指数RDVI的剔除精度最高,总体精度在91.32%以上;土壤背景对冬小麦冠层近红外波段的反射率影响较大,红边波段次之,而对可见光波段的反射率影响较小;剔除土壤背景前后的植被指数与土壤含水率均呈线性关系,剔除土壤背景对反演土壤含水率的精度有显著提高,其中NGRDI反演深度10~20cm的冬小麦根域土壤含水率效果最好,建模集R2和RMSE分别为0.739和2.0%,验证集R2和RMSE分别为0.787和2.1%。