基于高光谱植被指数的马铃薯叶片叶绿素含量估测模型

【目的】筛选相关性好的植被指数构建马铃薯叶片叶绿素a、叶绿素b估测模型,为科学、无损地进行马铃薯叶片叶绿素含量估算提供技术支撑。【方法】采用便携式高光谱地物波谱仪,获取不同施氮水平下不同生育时期的马铃薯植株叶片光谱反射率,提取植被指数,测定马铃薯叶片叶绿素a、叶绿素b含量,并研究叶绿素含量与植被指数的相关性。【结果】12个植被指数与叶绿素a、叶绿素b含量相关性较好,其中修正归一化差异指数(mND_(705))、修正简单比值指数(mSR_(705))、地面叶绿素指数(MTCI)、修改叶绿素吸收反射指数(MCARI)与叶绿素a、叶绿素b含量相关性最好。基于这4个植被指数建立的估测模型中,MTCI构建的乘幂模型估测叶绿素a含量的效果最佳,mND_(705)构建的指数模型估测叶绿素b含量的效果最佳。【结论】MTCI构建的乘幂模型能较为精确地估测叶绿素a含量,mND_(705)构建的指数模型能较为精确地估测叶绿素b含量;这2种模型可用于间接监测马铃薯植株的氮营养亏缺状态。     

基于光谱植被指数的冬小麦叶绿素含量反演

植物功能叶的SPAD值与其氮素和叶绿素有较强的相关性,研究功能叶SPAD与其冠层光谱的关系,对实现植株叶绿素含量快速、无损检测具有重要意义。本文通过对冬小麦生育期的冠层原始光谱进行一阶导数变换,研究其功能叶片SPAD值与冠层光谱的相关性,对监测冬小麦叶绿素含量的敏感波段进行了提取,并建立了叶绿素含量与冠层反射光谱的定量关系。结果表明,基于小麦冠层原始光谱反射率、冠层光谱导数反射率与SPAD的相关系数曲线,提取的各形式下冬小麦叶绿素含量的敏感波段分别为500、690、760和470、630、723nm;并构建了冬小麦叶绿素含量的预测模型,以FDNDVI(630,723)预测模型较好,其R2可达0.9485,模型验证参数R2、MRE和RMSE分别为0.8099、0.0294和1.805,拟合效果较好,表明该模型能有效地对冬小麦叶绿素含量进行预测。该研究结果可为冬小麦长势监测提供一定的理论参考。     

基于高光谱成像技术的辣椒叶片叶绿素含量估算

叶绿素是植被光合作用的重要物质,能够间接反映植被的健康状况和光合能力.高光谱技术的发展为大面积、快速检测植被叶绿素含量变化提供了可能.选取150组不同生长期的辣椒叶片作为研究对象,分别采集辣椒叶片的高光谱图像和叶绿素含量.利用随机森林特征选择算法进行数据筛选,结合线性回归、偏最小二乘回归、梯度提升回归树、随机森林回归等4种模型分别构建回归模型.结果表明:(1)利用随机森林特征选择算法筛选后波段建立的模型决定系数(r2)均大于0.8,说明该方法具有较高的稳定性和预测精度;(2)利用随机森林特征选择算法筛选的波段结合随机森林回归,其验证集的r2为0.9、均方根误差(RMSE)为1.87、平均绝对误差(MAE)为1.43.可以较为准确地预测辣椒叶片叶绿素含量,为后期利用高光谱成像技术大面积检测辣椒的生长状况提供了理论依据.     

基于高光谱植被指数的西北玉米不同时期叶绿素含量估测

以陕西省扶风县马席村、巨良农场和杨凌区揉谷乡种植的大田玉米为试验材料,分别测定玉米抽雄期、灌浆期和乳熟期的冠层光谱反射率和叶片叶绿素含量,分析冠层各光谱植被指数与叶片叶绿素含量之间的相关关系,建立玉米叶绿素含量估测模型。结果表明,以单变量光谱植被指数估算叶绿素含量,抽雄期的最佳模型由修正叶绿素吸收反射率指数(Modified chlorophyll absorption reflectivity index,MCARI)建立,灌浆期最佳模型由垂直植被指数(Perpendicular vegetation index,PVI)建立,乳熟期最佳模型由植被衰老反射率指数(Plant senescence reflectance index,PSRI)建立。随着玉米生长期的推进,叶片衰老,用PSRI所建立的模型来监测玉米叶绿素含量的效果较好,可为高光谱遥感在玉米长势监测提供理论依据和技术支持。     

不同玉米品种叶片SPAD值估测模型的构建及其差异性研究

【目的】探究玉米叶片SPAD值与其高光谱特征之间的品种差异,构建不同玉米品种叶片SPAD值估测模型,并对模型应用范围进行验证。【方法】通过大田试验,测定多个玉米品种叶片的SPAD值及其高光谱数据,利用相关分析及逐步回归分析等方法,构建和筛选玉米叶片SPAD值与相关光谱参数的回归模型,并利用偏差率对模型精度进行检验。【结果】不同玉米品种叶片的SPAD值与其高光谱反射率及一阶导数的相关波段存在差异,但品种间差异较小,关系最密切的波段均处于560和700nm附近。对不同玉米品种的光谱反射率一阶导数进行比较时,出现"红移"现象,"红移"规律与各品种叶片SPAD值大小表现一致;叶片SPAD值与光谱反射率一阶导数的显著相关波段在510,615,690和740nm附近。在构建估测模型时,以单波段光谱参数构建的模型估测效果较组合波段构建的模型好,且模型类型为多元方程和指数方程。以单一玉米品种叶片光谱参数建立的模型可以对其他玉米品种叶片的SPAD值进行估测,但估测精度在不同品种间存在差异。【结论】以高光谱560nm附近波段反射率建立的模型精度最高,对不同品种的玉米叶片SPAD预测值偏差率普遍小于5.00%。     

基于Hyperion植被指数的干旱地区稀疏植被覆盖度估测

受稀疏植被与明亮土壤背景影响,干旱地区植被覆盖精确遥感估测难度较大。以Hyperion影像为数据源,选取甘肃省民勤绿洲-荒漠过渡带为研究区,系统比较了利用不同类型高光谱及多光谱植被指数估测干旱地区稀疏植被覆盖度的能力,以期确定干旱地区稀疏植被覆盖度估测的最佳植被指数。不同植被指数估测稀疏植被覆盖度的能力利用线性回归R2及留一交叉验证的均方根误差进行比较,结果表明:高光谱植被指数估测稀疏植被覆盖度的能力显著优于相应的多光谱植被指数,抗大气植被指数(ARVI)及抗土壤和大气植被指数(SARVI)表现明显优于归一化植被指数(NDVI)与土壤调节植被指数(SAVI),其中以基于833.3nm/640.5nm波段组合的ARVI表现最佳,R2可达0.7294,均方根误差(RMSE)仅为5.5488。     

基于光谱指数的不同生育期油菜叶片SPAD估测

【目的】研究西北地区不同生育时期油菜叶片SPAD值与多种光谱参数之间的关系,并建立估测模型。【方法】以陕西省乾县齐南村施肥程度一致的大田种植的油菜为试验材料,分别在苗期、现蕾抽苔期和开花期测定叶片的光谱反射率和SPAD值,得到不同波段组合的光谱指数,计算其与SPAD值之间的相关性系数,并拟合以各种光谱指数预测SPAD值的模型,以均方根误差(RMSE)和相对误差(RE)作为模型的评价和检验指标。【结果】苗期SDr/SDy与叶片SPAD值相关性最高,为0.79,构造的最佳预测模型决定系数为0.67;现蕾抽苔期(SDr-SDy)/(SDr+SDy)与叶片SPAD相关性最高,达到0.82,构造的最佳SPAD估测模型决定系数为0.70;苗期(SDr-SDy)/(SDr+SDy)与叶片SPAD有较高相关性,相关性系数为0.65,构造的预测模型决定系数为0.43。【结论】各时期预测模型效果较好的光谱指数基本一致,为SDr/SDy和(SDr-SDy)/(SDr+SDy),可以利用高光谱遥感信息反演西北地区油菜各时期的叶绿素含量,并分析其生长状况。     

基于无人机可见光影像的坐果期枣树冠层SPAD值估算

以坐果期枣树为研究对象,利用无人机可见光影像,对田间尺度的枣树冠层SPAD值进行监测,基于14种植被指数与枣树冠层实测SPAD值的相关性,优选植被指数构建单变量回归、多元逐步回归和随机森林回归的枣树冠层SPAD值估算模型,以期探讨无人机可见光遥感影像估算枣树冠层SPAD值的可行性。通过相关性分析发现,红绿比值指数(RGRI)、超绿指数(EXG)、改进型绿红植被指数(MGRVI)、可见光波段差异植被指数(VDVI)、可见光大气阻抗植被指数(ARVI)与枣树冠层SPAD值的相关性极显著,其中EXG与枣树冠层SPAD值的相关系数达到-0.578。基于枣树冠层SPAD值的相关性极显著的5种植被指数构建的单变量反演模型的r²在0.111～0.604之间,RMSE在1.936～3.085之间。其中,以EXG构建的线性模型为单变量反演模型中效果最优的模型,r²达到0.604,RMSE为1.936。基于RGRI、MGRVI、EXG协同构建的多元逐步回归模型效果优于任何单一植被指数构建的单变量反演模型,R²达到0.635。与使用单变量构建...     

基于叶片反射光谱和叶绿素荧光估测水稻叶片含水量

水稻冠层叶片含水量(leaf water content, LWC)快速无损监测对指导稻田精准灌溉和提高水稻水分利用效率具有重要意义。试验设置3个不同水分处理(传统淹灌、轻度干湿交替-15 kPa、重度干湿交替-30 kPa),于水分敏感期(抽穗-灌浆期)动态监测顶1叶(L₁)、顶2叶(L₂)和顶3叶(L₃)的光谱数据和叶绿素荧光参数,通过全光谱波段筛选出水分敏感波段,建立新型植被指数,结合叶绿素荧光参数,以期建立基于叶位组合的水稻冠层LWC精准监测模型。结果表明：水稻叶片水分敏感波段在近红外波段(1 000～1 400 nm),所构建新型植被指数NDSII₍(1114,1387))较传统植被指数能更好地监测LWC;通过筛选与LWC有高相关性的荧光参数,基于实际光量子产量Y(Ⅱ)和植被指数NDSII₍(1114,1387))的耦合监测模型较单一植被指数NDSII₍(1114,1387))模型精度提高71.807%～83.976%。与单叶相比,L_2...     

基于数码影像的香樟树叶片叶绿素分布可视化研究

叶绿素含量是植物生长的重要指标。为了快速、无损地测定香樟树叶片中叶绿素含量分布情况,本研究基于数码相机和Field Spec 4便携式地物光谱仪2种不同传感器,对比分析了颜色参数和光谱与SPAD值的关系,分别建立了多种定量预测模型,并且借助图像处理软件,实现了基于数码影像香樟树叶片SPAD值的可视化。结果表明:红光和R720波段分别是数码相机和光谱仪对SPAD值最敏感的波段;光谱指数可以提高光谱与SPAD值的相关性,而且以红光和蓝光波段组合的差值指数(R-B和DI)相关性水平最高;R-B所建香樟树叶片SPAD值预测模型的均方根误差RMSE为3.9736,预测精度R~2为0.6197;而DI构建的模型对SPAD值的预测能力比R-B高,其均方根误差为2.002,且精度最高(R~2=0.7338)。基于数码影像的香樟树叶片SPAD值分布图在一定程度上可以有效描述叶片叶绿素分布状况,进而判断香樟树的生长情况。因此,可以利用数码相机的颜色参数监测香樟树叶片叶绿素含量及分布状况。     

基于光谱分析不同温度下棉花叶片SPAD值含量估测

【目的】研究不同温度对棉花叶片SPAD值的影响,利用高光谱反演叶片SPAD值。【方法】以不同温度处理花铃期水培棉花叶片为材料,利用美国SVC-HR768光谱仪测定叶片光谱反射率和SPAD502叶绿素计测定叶片SPAD值,采用相关分析、线性回归等方法,分析叶片SPAD值与原始光谱、一阶微分光谱和高光谱参数数据之间的关系。【结果】随着温度的升高,叶片SPAD值和原始光谱反射率逐渐下降,叶片SPAD值与原始光谱、一阶微分光谱和高光谱参数数据均具有较好的相关性,通过相关系数、调整R2和平均相对误差最大优选原则综合比较,筛选建立的叶片SPAD值与原始光谱、一阶微分光谱和高光谱参数的较优估测模型,相关系数分别为0.81、0.857和0.833,调整R2分别0.747、0.844和0.824,平均相对误差分别为9.12%、5.78%和7.72%。【结论】一阶微分光谱671和683 nm组合波段构建的模型Y=50.487 X683-131.617 X671+36.777预测叶片SPAD值最为精确,高光谱参数次之,原始光谱最差,为利用高光谱遥感信息反演花铃期棉花叶片SPAD值提供理论依据。     

基于多植被指数组合的BAS-ELM粳稻冠层氮含量反演方法

粳稻氮素含量的快速、无损、准确反演,可以反映和诊断作物的氮营养状况,为施肥决策提供依据。基于田间试验采集的粳稻分蘖期无人机光谱影像数据与对应氮素含量数据,采用无信息变量消除法(uninformation variable elimination,UVE)筛选得到的特征波段光谱反射率两两组合构建NDVI、DSI、RVI、RDVI、TVI、NRVI、WDRVI、LogR指数变量,根据与粳稻叶片氮素含量的决定系数等势图挑选出9组不同的植被指数组合(8种植被指数的组合共1组,每一种植被指数的组合共8组)分别作为模型的输入量,构建极限学习机(extreme learning machine,ELM)、天牛须搜索算法优化极限学习机(tenniu shall optimize-extreme learning machine,BAS-ELM)粳稻冠层叶片氮素含量反演模型并验证分析。UVE算法较好地剔除了无用及冗余信息波段,得到266个光谱特征波段;在构建植被指数过程中,各指数与粳稻冠层叶片氮含量的决定系数R²分布在0.7283～0.7580之间,构建的植被指数均与氮含量呈现显著...     

基于EFAST方法的苹果叶片叶绿素含量估算

为了快速、准确地估算叶绿素含量,使用2012年和2013年在山东省肥城市潮泉镇获取的整个生育期苹果叶片叶绿素含量和配套的光谱数据,利用PROSPECT模型和EFAST方法探讨了对叶绿素含量敏感的波段,然后采用经验统计方法实现了单波段高光谱对苹果叶片叶绿素含量的监测。结果表明:以571 nm和697 nm波段光谱参数为自变量所建立的估测模型拟合精度较高,其决定系数(R2)分别为0.71和0.69,均方根误差(RMSE)分别为1.14、1.17 mg/dm~2,相对误差(RE)分别为-1.07%和-1.01%。以PROSPECT模型和EFAST方法整合筛选的敏感波段建立的估算模型监测叶绿素含量效果较好,为利用高光谱技术监测苹果长势提供了理论依据。     

不同施氮水平辣椒地上部全氮含量与冠层光谱反射率的相关性

为了给辣椒精准施肥及其高产、优质、高效生产提供依据,分析了2个辣椒品种在不同施氮水平下地上部分的全氮含量及其与冠层光谱反射率和叶绿素含量（SPAD）之间的相关性。结果表明：植株全氮含量在适量施氮处理下达最大值,随着施氮量的增加,叶片全氮含量与叶片 SPAD 呈极显著相关且相关性减小;冠层光谱反射率在760～1350 nm 能较准确地反映地上部分全氮含量和叶片全氮含量,说明通过光谱测定能及时监测辣椒的氮素状况,这为利用作物全氮含量计算施氮量提供了廉价、快速、实时的作物含氮量信息。     

基于植被指数的马尾松叶绿素含量估算模型

利用高光谱技术,探索马尾松反射光谱组成的植被指数与其叶绿素含量之间的关系。采用美国ASD公司生产的手持式野外光谱辐射仪测量马尾松冠层光谱,对观测叶片进行同步叶绿素含量测定,并利用统计学分析方法,分析马尾松冠层光谱组成的植被指数与叶绿素含量之间的相关关系,并建立相应的估算模型。结果表明:叶绿素含量与植被指数进行相关性分析,相关性最好的为TCARI;通过建立TCARI与叶绿素含量之间的估算模型并检验其精度,得出了叶绿素含量估算的高光谱模型:y=exp(0.686+(-2.765)×x)。说明利用高光谱数据可以估测马尾松的叶绿素含量。     

基于优化指数的玉米冠层含水量遥感估测

对北京怀柔县EO–1 Hyperion高光谱数据进行波段筛选和植被含水量指数计算,采用耦合叶片与冠层辐射传输模型对水分指数(WI)、归一化差值水分指数(NDWI)、归一化植被指数(NDVI)、水应力指数(MSI)、归一化差值近红外指数(NDII)和冠层结构(CSI)的玉米冠层含水量估测能力进行分析,在不同理化参数的敏感性分析的基础上,将MCARII和NDWI进行整合,以完成玉米冠层含水量估测。结果表明,NDVI和CSI不能对玉米冠层含水量进行估测,NDII、WI、NDWI、MSI对玉米冠层含水量估测的R2值均大于0.78,但估测的RMSE值均在0.015附近,造成估测结果具有很强的不确定性;优化后的归一化水分指数(M–NDWI)能够有效地排除叶面积指数的干扰,显著改善玉米冠层含水量的估测效果。     

辣椒盛果期的冠层反射光谱特征

为了对辣椒品种识别、生产及产量监测提供更加可靠的技术手段,分析了4个辣椒品种盛果期冠层反射光谱数据的差异及其与叶片全氮、叶片 SPAD 和地上干生物量之间的相关性。结果表明：盛果期的可见光波段和近红外波段冠层光谱反射率能容易地区别4个辣椒品种;叶片全氮含量敏感波段8819线椒为753 nm,黔春201为698 nm 和764 nm,日本三樱椒为494 nm,遵义朝天椒为767 nm;叶片 SPAD 敏感波段8819线椒为720 nm,黔春201为726 nm,日本三樱椒为548 nm,遵义朝天椒为718 nm;地上干生物量的敏感波段8819线椒为728 nm 和1345 nm,黔春201为727 nm 和1145nm,日本三樱椒为690 nm,遵义朝天椒为767 nm。     

基于RGB与HSV颜色空间的水稻齐穗后叶片SPAD值估测方法研究

通过计算机视觉技术对齐穗期至成熟期的水稻叶片图像进行分割,提取水稻叶片图像在RGB和HSV颜色空间中的6种颜色特征参数,计算典型的18种颜色分量,分析了颜色特征参数和颜色分量与水稻叶片SPAD值之间的相关关系;然后,采用线性回归分析方法,分别建立了基于RGB颜色空间和基于RGB与HSV颜色空间的SPAD值的估测模型,并采用逐步回归方法,分别建立了基于颜色特征参数和颜色分量的SPAD值的估测模型。结果表明:RGB颜色空间和HSV颜色空间均与水稻叶片的SPAD值有极显著的相关关系,以HSV颜色空间与水稻叶片SPAD值的相关关系更为密切;颜色特征参数H与SPAD值之间的相关关系最密切,其次是S、R、V;颜色分量r/b与SPAD值之间的相关关系最密切,其次是R-B、b、r;在建立的水稻叶片SPAD值的4个估测模型中,以基于颜色分量的逐步回归模型的拟合效果最好。因此,综合RGB和HSV颜色空间中图像颜色信息的分析应用,有利于提高水稻叶片SPAD值的图像反演精度。     

基于RGB与HSV颜色空间的水稻齐穗后叶片SPAD值估测方法研究

通过计算机视觉技术对齐穗期至成熟期的水稻叶片图像进行分割,提取水稻叶片图像在RGB和HSV颜色空间中的6种颜色特征参数,计算典型的18种颜色分量,分析了颜色特征参数和颜色分量与水稻叶片SPAD值之间的相关关系;然后,采用线性回归分析方法,分别建立了基于RGB颜色空间和基于RGB与HSV颜色空间的SPAD值的估测模型,并采用逐步回归方法,分别建立了基于颜色特征参数和颜色分量的SPAD值的估测模型。结果表明:RGB颜色空间和HSV颜色空间均与水稻叶片的SPAD值有极显著的相关关系,以HSV颜色空间与水稻叶片SPAD值的相关关系更为密切;颜色特征参数H与SPAD值之间的相关关系最密切,其次是S、R、V;颜色分量r/b与SPAD值之间的相关关系最密切,其次是R-B、b、r;在建立的水稻叶片SPAD值的4个估测模型中,以基于颜色分量的逐步回归模型的拟合效果最好。因此,综合RGB和HSV颜色空间中图像颜色信息的分析应用,有利于提高水稻叶片SPAD值的图像反演精度。