基于PROSAIL模型的山地草原叶面积指数高光谱反演

【目的】 研究基于PROSAIL模型监测天然草地的动态变化,掌握草地的质量与数量。【方法】 研究使用地物光谱仪连续3年在天山北坡中段的2个山地草原样区采集光谱数据和配套数据,基于PROSAIL模型进行冠层LAI的高光谱反演,重点研究应用不同代价函数、植被种类变化对反演精度的影响。【结果】 多数代价函数反演LAI的决定系数(R²)在0.54~0.55,均方根误差(RMSE)在0.23~0.25,归一化均方根误差(NRMSE)在17~19。在9个来自不同统计类型的代价函数中,常用的RMSE代价函数的反演精度相对不高。将获取的427个样方数据依据种类数分成组,然后用PROSAIL进行LAI反演。种类数越多,RMSE在增大,R²在减少,反演精度越差。但精度的下降幅度不是均匀的,种类数≤2的组和种类数≤3的组之间精度差异最大。【结论】 在利用物理模型反演天然草地的叶面积指数时,不同代价函数获得的反演精度差别比较大;随着植被种类数量的增多,反演的精度是下降的。     

基于高光谱和激光雷达遥感的水稻产量监测研究

【背景】快速、准确地估算水稻产量对于肥水精确管理及国家粮食政策的制定至关重要。高光谱与激光雷达遥感作为2种不同的主被动监测技术,为水稻长势信息获取提供了多样化手段。【目的】对比2种遥感监测手段在不同生态点的独立数据集中的验证精度,寻求可移植性强的产量估算模型,对水稻长势监测提供理论与技术支撑,及为精确农业提供科学指导具有重要意义。【方法】本研究通过实施3年（2016—2018年）包含不同地点、不同品种与不同氮素水平的水稻田间试验,在抽穗后各时期同步获取点云数据和光谱数据,结合线性回归与随机森林回归来估算产量,探究抽穗后点云数据与光谱数据估算水稻产量的差异;同时评估产量模型在不同数据集的时空可移植性,寻求可移植性强的产量估算模型。【结果】利用点云数据估算产量的精度（R² = 0.64—0.69）优于光谱数据的估算精度（R² = 0.20—0.58）;基于线性回归的产量估算模型,其验证精度明显优于基于随机森林回归的产量模型;产量模型在同一生态点的可移植性更强（不同生态点：RRMSE 16.69%—17.85%;同一生态点：RRMSE 11.37%—12.41%）。【结论】本研究为抽穗后水稻产量监测提供了新的方法和不同遥感手段的性能比较,为收获前作物产量的实时估算提供重要支撑。激光雷达技术凭借其全天候工作的特点,在长江中下游水稻产量实时监测中有着较好的应用前景。     

基于高光谱遥感和集成学习方法的冬小麦产量估测研究

【目的】利用2种灌溉处理下不同发育阶段的冬小麦冠层高光谱信息,通过机器学习方法对小麦籽粒产量进行估测精度研究,明确产量最佳估测模型,对于育种工作有着重要应用价值。【方法】以黄淮麦区207个主栽小麦品种为材料,于2018—2019和2019—2020年度连续2个生长季在河南省新乡基地的正常灌溉和节水处理下种植,并调查开花期、灌浆前期和灌浆中期的冠层高光谱数据,分别以6种机器学习方法和集成方法建立光谱指数产量估测模型。【结果】2种灌溉处理下,3个生育期各光谱指数均与产量呈极显著相关（P<0.0001）,且表现出较高的遗传力（0.61-0.85）,主要受遗传因素控制。在正常灌溉处理下,与传统机器学习方法表现最佳的模型相比,集成学习方法在3个生育期的平均决定系数(R²) 分别由0.610、0.611和0.640提高至0.649、0.612和0.675,平均均方根误差 (RMSE) 分别降低至0.607、0.612和0.593 t·hm^-2;节水处理下,3个生育期的平均R²分别由0.461、0.408和0.452提高至0.467、0.433和0.498,平均RMSE分别降低至0.519、0.559和0.504 t·hm^-2。【结论】利用集成方法将不同模型估测结果进行结合,能够有效地提高产量估测精度,2种灌溉处理下均在灌浆中期估测精度最佳,可为冬小麦育种工作中产量估测提供参考。     

基于机载高光谱端元提取分析棉花生长期光谱变化

【目的】棉花在不同生长期的波谱曲线变化具有规律性,研究其时间序列上的反射光谱变化趋势与规律并监测长势,为基于无人机多光谱、高光谱遥感的作物长势监测提供借鉴和参考。【方法】使用多旋翼无人机搭载Rikola高光谱成像仪,获取棉花从花期到后期之间的高光谱影像。使用纯净像元指数算法和最大单形体体积算法进行端元提取,并以SR-3500光谱仪采集的地面光谱曲线为标准,光谱角度为评价指标,依次从端元提取算法效果、不同航高数据对比、光谱相关性、多期光谱曲线变化趋势等分析。【结果】最大单形体体积算法在60、80、100 m航高下波谱角度结果分别为0.065 8、0.065 9、0.067 7,相较于纯净像元指数算法结果更接近地面光谱仪数据,具有较优的相关性(R²均在0.99以上),且能更好地提取小样本端元。航高对端元提取的影响较小,同种算法在不同航高下提取结果差异均在2%以下。不同生长期棉花波谱曲线变化呈规律性,吸收谷与红边值在7月中旬到达峰值。标准植被指数与比值植被指数在7月上中旬达到最大值(0.841 7、11.630 5),增强型植被指数、差值植被指数、优化土壤调节植被指数在7月中下旬达到最大值(0.818 9、0.501 3、0.501 2)。【结论】最大单形体体积算法可较好的从棉花高光谱影像中提取出棉花波谱曲线,且100 m为较优的无人机数据采集航高。棉花在7月光合作用最大,对红光的强吸收、近红外波段强反射现象最为明显。     

基于电磁感应数据的电导率反演模型研究

【目的】土壤盐渍化是限制新疆南部棉花高产的主要因子,准确获取区域尺度土壤剖面盐分信息。【方法】以南疆阿拉尔垦区为研究区,以田间尺度采集的30个不同盐渍化程度棉田的540个样点的0~0.375、0~0.750、0~1.000 m的土壤剖面电导率数据和对应的电磁感应数据为数据源,采用线性模型和非线性模型分别构建了田间尺度和区域尺度的土壤剖面电导率的电磁感应反演模型,并采用缩减建模样本量方法进一步检验了区域尺度模型的可靠性和稳定性。【结果】多元线性回归(MLR)、偏最小二乘回归(PLSR)和主成分回归(PCR)建模方法的田间尺度模型R²在0.88~0.95,而对应的区域尺度模型R²在0.34~0.53。基于随机森林(RF)、神经网络(NN)和支持向量机(SVM)非线性建模方法构建的土壤剖面电导率的区域尺度电磁感应反演模型R²在0.60~0.85,其中RF模型的精度最高。0~0.375、0~0.750、0~1.000 m土壤剖面电导率的RF反演模型R²分别为0.80、0.85和0.84,相较于线性建模方法的区域尺度模型精度有明显的提高。RF区域尺度模型的样本数量由540个缩减到240个,模型精度没有明显变化,表明采用区域尺度模型,可大幅度降低土壤剖面样本采集数量,从而可显著提高采样效率和降低采样成本。【结论】区域尺度下构建土壤剖面电导率反演模型时,随机森林建模方法效果较优,模型预测能力具有较高的可靠性。     

塔里木盆地奥陶系碳酸盐岩缝洞集合体定量地震描述与地质建模

缝洞型碳酸盐岩储层多样多期的地质成因和内部强烈的非均质性,使得常规建模手段难以应用于实际工作中。结合地质体特征和地震相,运用聚类分析技术实现缝洞集合体的几何结构建模;针对缝洞型碳酸盐岩测井资料少、储层内部结构复杂和非均质强的特征,将地质统计学地震反演技术用于储层岩相和孔隙度建模工作中,针对塔里木盆地典型区块缝洞集合体建立静态模型,实现其定量地震描述;进一步利用单井与井组内动态数据,修正缝洞体的规模、边界和连通性,研究成果指导了基于缝洞集合体井位的高效部署、高效开发工作。     

基于CARS-RUN-ELM算法的水稻叶片氮磷含量协同反演方法

同时反演氮、磷元素含量相对于单一元素反演可以更加全面地表达水稻的营养状况,为快速、准确获取水稻叶片氮、磷含量和精准变量施肥提供依据。该研究基于不同氮肥处理的田间小区试验,获取水稻叶片氮、磷含量数据,采用竞争性自适应重加权采样法（Competitive Adapative Reweighted Sampling,CARS）筛选氮素与磷素共同特征波长,以特征波长反射率为输入,以化学方法测得叶片氮、磷元素含量为输出,分别使用反向传播神经网络、极限学习机（Extreme Learning Machine,ELM）、龙格-库塔算法优化极限学习机（RUNge Kutta optimizer-Extreme Learning Machine,RUN-ELM）构建水稻叶片氮、磷含量反演模型并分析。结果表明：采用CARS方法有效去除了高光谱中大量无用、冗余信息,得到5个氮、磷元素共同特征波长,去除具有共线性的特征波长,最后筛选出的特征波长分别是451、488、780、813 nm。使用筛选后的特征波长反射率构建RUN-ELM水稻叶片氮、磷含量反演模型效果最好,氮素训练集的决定系数R2为0.690,均方根误差为0.669 mg/g,磷素训练集的决定系数R2为0.620,均方根误差为0.027 mg/g。通过对比,RUN-ELM在预测能力、模型稳定性上优于反向传播神经网络以及ELM模型。综上研究,基于CARS-RUN-ELM的水稻叶片氮、磷含量反演模型可以快速、准确获取水稻叶片氮、磷含量,可为水稻精准施肥提供参考。     

博斯腾湖湖滨绿洲土壤表层含盐量高光谱估算模型

以博斯腾湖湖滨绿洲为研究区,对土壤高光谱反射率R进行数学光谱变换,并计算其差值型、比值型、归一化型3种盐分指数,通过显著性检验优选特征波段,结合土壤表层盐分实验数据,构建基于地理加权回归模型的土壤表层盐分含量估算模型。研究结果表明:1)土壤表层盐分含量平均值为7.535 g·kg^-1,其光谱变换建模选取的特征波段集中在466~482、1669~1728、1979~2371 nm,其中对数倒数的一阶微分(1/lg R)′相关性较好,相关系数绝对值为0.672;2)构建3种盐分指数优选的特征波段集中在1700~1728、1992~2014、2375~2405 nm,建立的模型决定系数均大于0.870,光谱反射率R的决定系数仅为0.621;3)差值型盐分指数优选特征波段建立的地理加权回归模型为最优模型,建模集与检验集的决定系数R2分别为0.934和0.915,RMSE分别为1.186和0.917。     

脱氢松香基有机小分子凝胶因子的合成及其性能

用12-溴-13,14-双硝基脱氢松香酸甲酯合成了一种新型的有机小分子凝胶因子1,4a-二甲基-6-溴-1,2,3,4,4a,17,18,18a-八氢萘基[2,1-h]二吡啶并[3,2-a:2,3-c]吩嗪甲酸甲酯(DBNPM),通过1H NMR,13C NMR,MS和IR等表征手段对产物结构进行了表征。为了考察此小分子凝胶因子的自组装行为,研究了该分子在不同有机溶剂中的成胶性能和形貌。研究发现,在甲醇中临界成胶浓度(CGC)最低,为0.5 g/L;但是在二氧六环中凝胶性质最为稳定。扫描电镜(SEM)照片显示,从甲醇溶剂中得到的干胶呈片状结构,从二氧六环溶剂中得到的干胶呈网状结构;通过红外光谱和XRD测试研究证实,该化合物分子间的氢键是凝胶化的重要驱动力之一。     

Validation of multi-frequency inversion method by using dummy scatterers of zooplankton

ABSTRACT:   High- and multi-frequency acoustic measurement systems and the multi-frequency inversion (MFI) method have been used to measure spatial distributions and abundances of zooplankton by size. In this study, the calibration method for high- and multi-frequency systems was developed and the validation of MFI method was carried out by scatterer measurement. The standard sphere calibration method that has not been applied to such high- and multi-frequencies was applied to calibrate our high- and multi-frequency system, TAPS-6 (Tracor Acoustic Profiling System, BAE Systems). An optimum size of standard sphere of tungsten carbide of 1 mm radius was derived to have a small target strength variation for the six frequencies of TAPS-6, and the practicability and precision of the standard sphere calibration method was confirmed for those frequencies. A school or cluster of dummy scatterers of zooplankton with small tungsten carbide spheres were designed to validate the MFI method, and volume back-scattering strength values were measured by the multi-frequency system. By comparing the result of the inversion with their real composition, the features of the MFI method could be validated and examined.