基于FOD-ML的干旱区土壤有机质含量估算

为探究基于分数阶微分(fractional order derivative, FOD)预处理的光谱反射率与土壤表层有机质含量之间的响应机制,以新疆乌鲁木齐县安宁渠镇土壤冠层光谱为数据源,采用G-L分数阶微分方法对高光谱数据进行0～2.0阶次(间隔0.2)预处理,并利用任意波段组合算法,计算基于分数阶微分预处理光谱的比值光谱指数、归一化光谱指数和差值光谱指数,通过竞争性自适应重加权(CARS)算法筛选土壤有机质含量的敏感波段及光谱指数等,与3种机器学习(machine learning, ML)算法(ANN、KNN和SVM)相结合,构建基于分数阶微分和机器学习方法的土壤有机质含量估算模型,并进行模型验证。结果表明：基于0～2.0阶次的两波段光谱指数与土壤有机质含量之间均呈现极显著相关,基于原数据和0.2阶预处理的NDVI和RVI相关性系数r超过0.80。该研究基于0.2阶NDVI指数的K近邻算法模拟土壤有机质含量能力表现最佳,估算模型精度分别为决定系数(R²)为0.73,均方根误差(RMSE)为2.11 g/kg,相对分析误差(RPD)为2.23。为遥感技术提供理...     

基于吸收特征参数的有机质含量光谱估算模型研究

连续统去除法是简便、准确而有效地提取光谱吸收特征参数的方法之一.为此,研究利用ASD FieldSpec Pro地物光谱仪在自然环境条件下对不同有机质含量的土壤样本进行光谱测量,提取特征吸收面积来评价与有机质含量的关系,发现基于包含有机质含量敏感波段在内的450～580nm波段范围特征吸收面积建立的有机质含量对数诊断模型预测精度较高.结果表明,土壤有机质吸收特征参数估算模型为土壤肥力的快速测定提供了新的途径.     

基于哨兵-2A模拟反射率及其影像的冬小麦收获指数估算

为验证基于花后累积地上生物量比例动态参数（D-fG）的作物动态收获指数（D-HI）遥感估算方法在大范围获取作物收获指数空间信息的可行性和有效性,以我国黄淮海平原河北省衡水市为研究区,以冬小麦为研究对象,在前期田间冠层尺度确定作物收获指数估算敏感波段中心和最大波段宽度基础上,利用哨兵-2A(Sentinel-2A)遥感模拟反射率数据及其真实遥感数据开展基于花后累积地上生物量比例的区域冬小麦收获指数遥感估算研究。在基于不同波段组合Sentinel-2A遥感模拟数据筛选出的冬小麦动态收获指数估算最优波段信息基础上,利用Sentinel-2A影像数据实现区域作物收获指数空间信息准确获取。结果表明,在Sentinel-2A多光谱遥感模拟反射率波段λ1（672~680nm）和λ2（855~875nm）条件下,基于D-fG遥感参数信息的D-HI估测精度最高,其中,均方根误差（RMSE）、归一化均方根误差（NRMSE）和平均相对误差（MRE）分别为0.0404、10.83%、9.56%,证明Sentinel-2A卫星遥感数据在冬小麦收获指数估算中具有一定应用潜力。同时,在估测D-HI精度最高的模拟遥感数据波段信息基础上,基于Sentinel-2A卫星遥感红光和窄近红外波段组合的灌浆期不同阶段和成熟期D-HI估测区域总体验证精度指标RMSE、NRMSE和MRE分别为0.0502、13.81%、12.00%。上述结果表明基于Sentinel-2A卫星数据和花后累积地上生物量比例的作物动态收获指数遥感估算方法在大范围D-HI空间信息获取中具有一定可行性和有效性,为基于宽波段多光谱卫星遥感数据的大范围作物动态收获指数空间信息准确获取提供一定技术方法借鉴。     

基于有机质特征谱段的土壤Cd含量高光谱遥感反演

针对土壤Cd高光谱遥感定量反演中的机理性不足及数据冗余问题,提出一种基于有机质特征谱段的反演方法。该方法首先提取土壤光谱中对重金属Cd具有吸附作用的有机质特征谱段,进而通过竞争性自适应重加权采样法（Competitive adaptive reweighted sampling,CARS）优选特征谱段,采用偏最小二乘回归法（Partial least squares regression,PLSR）建立重金属Cd的反演模型,并利用郴州矿区土壤实验室光谱数据和哈密黄山南矿区野外光谱数据进行方法验证。研究表明：有机质特征谱段提取在降低数据冗余的同时提高了重金属Cd的反演精度,CARS算法相对于相关系数法（Correlation coefficient,CC）和遗传算法(Genetic algorithm,GA)特征选择具有更高的反演精度,基于有机质特征谱段的CARS-PLSR算法在土壤实验室光谱和野外实测光谱所得验证精度R2分别为0.94和0.80,表明该算法对于实验室和野外光谱均具有一定适用性。研究可为土壤重金属含量高光谱反演的特征波段选择和算法优选提供参考。     

基于无人机高光谱影像的水稻叶片磷素含量估算

为快速获取水稻叶片磷素含量信息,采用无人机搭载高光谱成像仪获取水稻冠层高光谱影像,并采样检测叶片磷素含量(质量分数)(Leaf phosphorus content,LPC)。分析了水稻LPC在无人机高光谱影像上的光谱特征,使用连续投影算法提取对磷素敏感的特征波长,通过任意波段组合构建并筛选与磷素高度相关的光谱指数,基于特征波长反射率和光谱指数建立水稻LPC的估算模型,利用最佳模型对高光谱影像进行反演填图,得到LPC空间分布信息。结果表明:全生育期内LPC与462～718 nm范围内光谱反射率显著负相关,负相关最大处相关系数达到-0.902; LPC的特征波长为670、706、722、846 nm,基于特征波长、使用偏最小二乘回归建立的LPC估算模型精度最高,验证R²达到0.925,RMSE为0.027%;在任意波段组合构建的3种类型的光谱指数中,NDSI(R₄₉₈,R₆₀₆)、RSI(R₄₉₈,R₆₀₆)和DSI(R₄₉₈,R₅₈₆...     

基于CWT-sCARS的东北旱作农田土壤有机质高光谱反演

精准高效获取不同类型土壤的有机质含量,对促进东北土壤退化防治和耕地质量提升有重要意义.本研究以东北旱作农田典型土壤类型为研究对象,采集了黑土、黑钙土、潮土和棕壤共118个土壤样品,采用倒数对数、一阶微分、连续统去除和连续小波变换分别对其光谱曲线进行预处理.通过稳定性竞争自适应重加权采样(sCARS)算法筛选敏感波段,并...     

杨树叶片叶绿素含量高光谱估算模型研究

以盆栽107号杨树为研究对象,在验证杨树叶片的SPAD值可作为衡量其叶绿素含量指标的基础上,基于最佳指数-相关系数法(OIFC),提取了杨树叶绿素特征波段(中心波长350、715、1 150 nm),建立了以该组合波段原始光谱数据为自变量的杨树叶片叶绿素含量估算模型;利用相关系数法,提取了杨树叶绿素归一化植被指数的计算波段(中心波长705、953 nm)与一阶光谱导数的叶绿素特征波段(中心波长647、691、721 nm),且分别建立了基于归一化植被指数、叶面叶绿素指数、一阶光谱导数为自变量的杨树叶片叶绿素含量估算模型;比较分析所建立的模型精度,筛选出杨树叶片的叶绿素含量最优估算模型。结果表明:化学法测得杨树叶片叶绿素含量与其对应的SPAD值之间具有显著的幂函数关系,R2可达0.902 3。利用OIFC法提取的叶绿素最佳三波段组合的高光谱数据为自变量,与叶片叶绿素含量构建的模型预测值与实测值具有显著的线性关系,决定系数为0.944 5;相比其他模型,该模型的精度最高且均方根误差最小。可见,基于OIFC法构建的杨树叶绿素高光谱模型具有较高的精度,是估算杨树叶片叶绿素含量的最优模型。     

基于光谱分形维数的水稻白叶枯病害监测指数研究

针对缺乏有效监测水稻叶片感染白叶枯病害光谱指数的问题,以分蘖期的水稻叶片为研究对象,采集了接种白叶枯病菌的水稻叶片和对照处理的水稻叶片各200片,利用高光谱成像装置获取373～1 033 nm波段的水稻叶片光谱数据,选取450～900 nm波段的水稻叶片高光谱数据作为样本。从每个样本中选取一个感兴趣区域(Region of interest,ROI)并计算平均光谱,经过Savtzky-Golay平滑处理得到平均光谱曲线;为了定量描述水稻叶片是否感染病害,提出将光谱分形维数(Fractal dimension,FD)作为定量描述水稻白叶枯病害的监测光谱指数,实现对白叶枯病害的监测。通过分析光谱指数(Spectral index,SI)和FD,建立SI和FD之间的多元线性关系,同时比较了FD与其他常用监测指数对白叶枯病害监测的有效性。结果表明:水稻白叶枯病害在绿峰(510～560 nm)和红谷(650～690 nm)波谱内的响应较为敏感;针对健康和感病叶片,FD与SI之间存在较好的多元线性关系,说明FD与光谱曲线有较好的对应关系,可以作为定量描述叶片健康状况的光谱指数;与常用监测指数相比,...     

基于光谱FOD与优化指数的银川平原土壤有机质含量反演

土壤有机质（SOM）是土壤肥力的重要组成部分,是作物生长的主要养分来源。为探究分数阶微分（FOD）联合优化光谱指数对低肥力地区SOM的反演效果,以银川平原为研究对象,对野外土壤高光谱反射率原始数据进行0~2阶FOD处理（间隔0.2阶）,构建优化光谱指数DI/RDI、DI/NDI、NDI/RDI、RDI/NDI、DI/GDI和RI/GDI,分析各指数与土壤有机质含量间的二维相关性,筛选出最佳优化光谱指数,并建立基于支持向量机（SVM）的SOM含量反演模型。结果表明：银川平原SOM含量整体偏低,其中93.05%处于四级到六级水平。土壤野外原始光谱反射率吸收特征差异明显,在1400、1900nm处有明显吸收峰。随着分数阶的不断增加,光谱反射率不断趋近于0。土壤DI/NDI、DI/GDI、RI/GDI、NDI/RDI和RDI/NDI在0~2阶最大相关系数绝对值（MACC）均小于0.80,DI/RDI在0.2~2.0阶范围内的MACC为0.9965~0.9986,其敏感波段主要集中在1450~1750nm和2100~2400nm之间。基于0.2阶微分处理的DI/RDI-SVM模型对SOM的反演精度最佳,建模决定系数R2c和验证决定系数R2p分别为0.98和0.99,相对分析误差（RPD）为4.31。研究结果可为低肥力地区的SOM含量快速、准确反演及制图提供科学依据。     

基于高光谱成像的油菜苗期温度胁迫检测方法

为了保证育苗质量和提供适栽壮苗,满足新一代油菜产业规模化、标准化的需求,以浙油50为研究对象,进行了为期21d的温度胁迫实验,利用高光谱成像技术研究油菜受温度胁迫的健壮苗识别方法。首先通过光谱反射率和连续小波变换提取温度胁迫敏感波段;然后,分别采用连续投影算法和连续小波变换-逐步判别分析法在温度胁迫敏感波段处提取特征波长;分析了油菜苗波段特征和光谱特征随时间的演化规律,筛选出554~714nm波段MA曲线面积、正切特征值tanθ、1213nm和1567nm处反射率以及小波特征w(9,967)、w(13,1213)、w(7,1567)共7个特征,建立了多特征融合的温度胁迫Fisher判别模型。结果表明：模型平均分类准确率为88.68%,在三叶期达到最佳检测准确率,为95.56%,能够较好地区分受温度胁迫的油菜幼苗。本研究为基于高光谱成像技术的油菜健壮苗快速检测提供了参考。     

基于近红外光谱信息的土壤电导率预测模型研究

利用土壤含水率与近红外光谱土壤反射率和土壤电导率三者之间的关系,以土壤含水率为中间变量,间接表达土壤光谱反射率和土壤电导率之间的关系。土壤含水率与土壤光谱反射率存在指数关系,土壤含水率与土壤电导率存在线性关系,消除中间变量（土壤含水率）,得到土壤光谱反射率和土壤电导率之间的关系。以土壤水分敏感波段1450nm作为研究对象,研究土壤电导率的预测模型,分别建立指数预测模型和对数预测模型,并分别对两种模型进行验证。本文实验建模集样本72个,验证集样本48个,土壤电导率对数预测模型R2达0.80,土壤电导率指数预测模型R2达0.85,预测效果均可满足农田电导率估算,但对数模型在土壤电导率较低区间预测效果不理想,因此土壤电导率指数预测模型预测效果优于对数模型的预测效果。研究结果表明,土壤光谱反射率预测土壤电导率的方案可行,并为光谱信息预测土壤电导率提供了新思路。     

北京地区粘壤土全氮含量的光谱预测模型

为实现快速准确地测量土壤的全氮含量,以北京地区粘壤土为样本,对其进行化学测量和光谱分析。利用波长为350~2 500 nm的光谱数据与实际测得的全氮含量进行相关性分析,选取相关性最大的特征波段构建土壤全氮含量的估算模型。将原光谱反射率和吸光度分别进行一阶微分、二阶微分变换,力求建立精准优化的土壤全氮含量预测模型。结果表明:反射率和吸光度与土壤全氮含量的相关性低,无法用于构建土壤全氮含量预测模型。在其他变换形式中,反射率二阶微分和吸光度二阶微分与土壤全氮含量的相关性最显著,相关系数的绝对值最大分别为0.868和0.846。相关性最大的特征波段为425~527 nm、819 nm、1 390~1 391 nm和2 200~2 219 nm。采用一元线性回归和多元逐步回归建立预测模型,最终得到土壤全氮含量最优估算模型以吸光度二阶微分为自变量的多元逐步回归模型,说明光谱结合多元逐步回归法预测土壤全氮含量的方法是可行的。最优模型决定系数R2为0.829,统计量F为86.377,均方根误差RMSE为0.104。该模型可用于预测北京地区粘壤土的土壤全氮含量。     

基于高光谱技术的基质含水率快速测定方法

为了寻找一种基质含水率的快速检测方法,应用高光谱技术获得不同含水率基质样品光谱信息,阐释基质含水率光谱规律,对基质含水率进行定量分析,为设施基质栽培水分快速测定提供参考。以稻壳基质为研究对象,对基质光谱信息进行基线校正和平滑处理后,利用逐步回归分析法提取稻壳基质光谱反射率一阶微分变换的敏感波段,建立基于敏感波段组合的基质含水率预测模型,并对模型进行了检验。结果表明,在敏感波段527、796和959 nm处,采用反射率一阶微分建立的稻壳基质含水率三波段指数预测模型的预测效果较好,模型预测相关系数(RP)为0.91,预测均方根误差(RMSEP)为5.55%,可以实现对稻壳基质含水率的快速准确检测。     

基于高光谱数据的玉米叶面积指数和生物量评估

利用高光谱技术获取玉米农学参数信息,有助于提升玉米精准管理水平.本研究基于3个种植密度和5份玉米材料的田间试验,获取玉米大喇叭口期的地面ASD高光谱数据与无人机高光谱影像,分析不同种植密度下不同遗传材料的叶面积指数(LAI)和单株地上部生物量,构建基于全波段、敏感波段和植被指数的LAI和单株地上部生物量高光谱估算模型,...     

基于Hyperion高光谱影像的冬小麦地上干生物量反演

在黄淮海粮食主产区选择河北省衡水市深州市为试验区,以冬小麦地上干生物量为研究对象,以作物冠层高光谱和EO-1 Hyperion高光谱卫星数据为主要数据源,在分析冠层高光谱构建的窄波段植被指数(N-VIs)与实测冬小麦地上干生物量间相关性基础上,提出了利用拟合精度R2极大值区域重心确定冬小麦干生物量敏感的光谱波段中心的方法,并运用该方法确定了冬小麦生物量敏感波段中心。在此基础上,以敏感波段中心筛选结果为指导,利用窄波段植被指数及相关波段开展Hyperion高光谱卫星遥感区域冬小麦干生物量遥感反演和精度验证。最终,按精度最高原则优选区域冬小麦地上生物量反演结果。其中,研究采用了冬小麦孕穗期Hyperion数据,涉及的植被指数包括窄波段归一化植被指数(N-NDVI)、窄波段差值植被指数(N-DVI)和窄波段比值植被指数(N-RVI)。结果表明,通过与实测冬小麦地上干生物量对比,利用冠层高光谱冬小麦地上干生物量反演敏感波段筛选结果及其相应波段构建的Hyperion窄波段植被指数进行孕穗期作物干生物量估算取得了较好结果,其精度由大到小为:NNDVI、N-RVI、N-DVI。其中,以波段B18(波长528.57 nm)、波段B82(波长962.91 nm)构建的Hyperion N-NDVI估算区域冬小麦地上干生物量精度最高,相对误差(RE)和归一化均方根误差(NRMSE)分别为12.65%和13.78%。     

基于高光谱的黑土区土壤重金属含量估测

以黑龙江省讷河市采集的80份黑土样品和高光谱实测数据为数据源,对黑土中铜(Cu)、锌(Zn)、锰(Mn)重金属元素的光谱反射率及其特征变化进行研究,分析了光谱反射率、光谱反射率一阶微分变换、光谱反射率连续统去除变换、光谱反射率连续统去除一阶微分变换与元素铜、锌、锰含量的相关性,并利用相关系数法提取敏感波段.利用核主成分...     

土壤重金属含量光谱估算模型的初步研究

以昆山市水稻土为例,运用统计学相关分析方法,总结分析土壤有机质对不同重金属元素的吸附规律,尝试利用遥感光谱法实现对土壤重金属含量的模型估算.结果表明,研究区土壤有机质对不同重金属吸附强度由大到小的排序为:Cu>Pb>As>Zn>Cd>Ni>Cr>Hg,有机质对Cu和Pb的吸附固持强度较大,相关性显著.基于土壤有机质含量光谱诊断指数,建立了Cu和Pb的光谱估算模型,在一定程度上论证了利用土壤光谱特征间接估算土壤重金属含量的可行性,为土壤重金属污染状况的快速定量评价开辟了新途径.     

水稻白背飞虱虫害的冠层光谱特性与虫量反演

通过测试水稻白背飞虱主害代期间的冠层高光谱数据,采用多元统计分析方法对冠层反射光谱与白背飞虱百株虫量进行相关分析,确定了近红外波段779 nm、1 685 nm及可见光波段558 nm为白背飞虱虫害的3个敏感波段;并基于这些敏感波段及由它们组成的比值植被指数(RVI)和归一化植被指数(NDVI),建立了检测白背飞虱虫量的5种单变量线性函数模型.分析表明,5种模型方程在α=0.01条件下极显著相关,而且利用敏感波段建模时,779 nm处的光谱反射率建立的模型为最优,预测相关系数达到0.921;利用植被指数建模时,RVI建立的模型为最优,预测相关系数达到0.802.     

基于无人机多光谱遥感的土壤含盐量反演模型研究

为探究无人机多光谱遥感技术快速监测植被覆盖下的土壤含盐量问题,以内蒙古河套灌区沙壕渠灌域内4块不同盐分梯度的耕地为研究区域,利用无人机搭载多光谱传感器获取2018年8月遥感影像数据,并对0~40cm〖JP〗的土壤进行盐分测定。分别引入敏感波段组、光谱指数组、全变量组作为模型输入变量,采用支持向量机（Support vector machine,SVM）、BP神经网络（Back propagation neural network,BPNN）、随机森林（Random forest,RF）、多元线性回归（Multiple linear regression, MLR）4种回归方法,建立基于3组输入变量下的土壤盐分反演模型,并进行精度评价,比较不同输入变量、不同回归方法对模型精度的影响,评价并优选出最佳盐分反演模型。结果表明,通过分析3个变量组的R2和RMSE,光谱指数组在4种回归方法中均取得了最佳的反演效果,敏感波段组和全变量组在不同的回归方法中反演效果不同。4种回归方法中,3种机器学习算法反演精度明显高于MLR模型,且MLR模型中的敏感波段组和全变量组均出现了“过拟合”现象,RF算法在3种机器学习算法中表现最优,SVM算法和BPNN算法在基于不同变量组的模型中表现也不相同。基于光谱指数组的RF的盐分反演模型在12个模型中取得了最佳的反演效果,R2c和R2v分别达到了0.72和0.67,RMSEv仅为0.112%。     

水稻白背飞虱虫害的单叶高光谱特征分析

通过测试水稻白背飞虱主害代期间叶片的高光谱数据,采用多元统计分析方法,对叶片反射光谱与白背飞虱百株虫量进行相关分析,确定了514～602nm,697～1339nm,1501～1749nm及2 101-2 299nm为白背飞虱虫害的4个敏感波段,并基于这些敏感波段,采用逐步回归法建立了反演白背飞虱虫量的模型.