整个生育期玉米叶片SPAD 高光谱预测模型研究

1、本文档下载自文库下载网，内容可能不完整，您可以点击以下网址继续阅读或下载：/doc/823b13d7c8d376eeaeaa313c.html整个生育期玉米叶片spad高光谱预测模型研究第第卷，期光谱学与光谱分析年月，整个生育期玉米叶片犛犘犃犇高光谱预测模型研究陈志强，王磊，白由路，杨俐苹，卢艳丽，王贺，王志勇中国农业科学院农业资源与农业区划研究所，农业部植物营养与肥料重点实验室，北京摘要以两年完整生育期玉米田间试验为基础，利用便携式地物光谱仪和叶绿素仪（分别测定），在两者相关分析的基础上，选取多种光谱参数分别构建了每年的了叶片高光谱数据和叶绿

2、素含量（）叶片预测模型，并对模型进行了详细的验证和评价。结果表明：两年间叶片光谱反射率及其一阶导数的平均值曲线差别很小；两年间叶片与光谱反射率及其一阶导数的相关系数曲线的敏感区域基本（相同；以一阶导数为光谱参数构建的预测模型效果不稳定；以和和犚犚犚附近，附近）附近，构建的预测模型效果良好，能有效预测玉米叶片犚。附近）关键词玉米叶片；高光谱数据；预测模型：（）中图分类号：文献标识码：犇犗犐大田试验地点设在中国农业科学院国际农业产业园区引言叶绿素是作物叶片的重要色素，其含量高低能反映作物，叶绿素含量对作物氮素管理具有重要意的氮素营养状况。地物光谱仪叶片夹持器能直接测定叶片高光谱数义据，但是，利用高

3、光谱技术构建叶绿素含量的预测模型，直接测定大量的叶绿素含量也比较时，数据需求量较大，。便携式叶绿素仪（繁琐能够准确测定叶片），。叶片/doc/823b13d7c8d376eeaeaa313c.html，被广泛应用于作物氮肥管理中，提高预测模型的又易于实现与高光谱数据的准确对应稳定性，因而利用高光谱技术构建叶片预测模型的研。究也较为常见内，耕种方式为冬小麦夏玉米的常年轮作，玉米品种为“郑”，种植密度约为（），数据来源于单株年和年的整个生育期玉米试验。试验采用单因素（，设计，共设个处理（），）施肥量依次为（，）为正常施肥处理；肥料的施入方式为：氮肥

4、用作基肥，拔节至大喇叭口期间施入，磷肥、钾肥在冬小麦季施入，玉米生长季不再施肥。数据采集叶片光谱测定选用美国便携式地物光谱。为确保数仪，叶绿素含量测定选用叶绿素仪（）据之间的可比性，两年试验测定时间都在拔节期、大喇叭口期、开花吐丝期、灌浆期和蜡熟期。在每个处理中选取代表性植株，利用自带光源型手持叶片光谱探测器直接测定叶片光谱，自上部第一片完全展开叶至底部最后一片完全展开叶，依次测定所有叶片光谱，同时在所测光谱部位测定叶片，多次测量后取平均值，实现两种数据之间的精准对应。数据分析利用软件导出光谱数据，利用进行后期数据的处理。依据光谱反射率（及其一阶导数犚）（与叶片表）构建犚）值的关系，选取多种光

5、谱参数（预测模型，利用平均相对误差（和相对根均方误差）进行预测模型构建时，光谱参数的选择方法多种多，而后期对模型验证时，许多光谱参数为无效参数，不样但耗时费力且效果不明显，如何有效选取光谱参数显得尤为重要。本文以此为基点，以两年完整生育期的玉米田间试验为基础，在选取多种光谱参数的基础上，建立/doc/823b13d7c8d376eeaeaa313c.html基于高光谱技术的玉米叶片预测模型，并利用两年的试验数据分别对预测模型进行验证和评价，最终为玉米田间氮素的实时管理提供技术支持。实验部分试验设计，修订日期：收稿日期：）和北京市自然科学基金项目

6、（资助基金项目：国家自然科学基金项目（：年生，中国农业科学院农业资源与农业区划研究所博士研究生作者简介：陈志强，：通讯联系人第期光谱学与光谱分析（对模型效果进行评价。）结果与讨论犜犪犫犾犲犛犲犮狋狉犪犾狆犪狉犪犿犲狋犲狉犪狀犱犲狏犪犾狌犪狋犻狅狀狆犻狀犱犲狓狅犳狆狉犲犱犻犮狋犻狅狀犿狅犱犲犾光谱参数差值指数比值指数归一化指数叶面叶绿素指数不同年份玉米叶片的光谱响应特征计算公式缩写犚犚（犚犚，）犚犚犚犚（，）犚犚（）（）犚犚犚犚（犚犚犚）犚）（犚犻犻）犚）将两年玉米叶片光谱反射率及其一阶导数数据（，狀）作平均值计算，并做出其变化曲线（图；，狀）。如图所示，两年叶片光谱反射率除在波段稍http:/

7、/doc/823b13d7c8d376eeaeaa313c.html有差别外，在其他波段差别很小；光谱反射率一阶导数的变化曲线在两年中差别很小。玉米叶片犛犘犃犇与光谱反射率及其一阶导数的相关性分析由玉米叶片图）与光谱反射率的相关系数曲线（可知除个别波段外，两条曲线的变化趋势基本一致；年相关系数最大值位于和，年相关系数最大玉米叶片值位于和。与光谱反射率一阶导反射率的一阶导数差值指数比值指数归一化指数相对根均方差平均相对误差犚（，）犚犚（犚犚，）犚犚犚犚（，）（）（）犚犚犚犚犚犚犘犻犗犻狀犗犻狀狀（）狀犻犻犉犻犛犲犮狋狉犪犾狉犲犳犾犲犮狋犻狏犻狋狀犱犻狋狊犳犻

8、狉狊狋犱犲狉犻狏犪狋犻狏犲狅犳犿犪犻狕犲犾犲犪狏犲狊犵狆狔犪犉犻犆狅狉狉犲犾犪狋犻狅狀犮狅犲犳犳犻犮犻犲狀狋狊犫犲狋狑犲犲狀狊犲犮狋狉犪犾狉犲犳犾犲犮狋犻狏犻狋犻狋犺犻狋狊犳犻狉狊狋犵狆狔狑）犱犲狉犻狏犪狋犻狅狀犪狀犱犿犪犻狕犲犾犲犪犳犛犘犃犇（，狀；，狀光谱学与光谱分析第卷）、比值参数（）和归一化射率为基础，构建差值参数（）；依据光谱反射率一阶导数（与叶片参数（犚）相关系数曲线，分别选取三个相关系数最大值，并以相同的方式构建相关参数/doc/823b13d7c8d376eeaeaa313c.html。为基础年和年构建的光谱参数以犚和犚将，根据

9、相表）分为两大组，并与叶片进行相关分析（关系数的大小进行光谱参数的选择，年选取的光谱参数，（，（，（为，），）犚犚，）（；，和犚犚年选取的光谱参数为，）（，和，）（，）（犚，犚）（，并以此光谱参数分别构建线性、对数、二次犚犚，）值大小，选取多项式、乘幂和指数形式的预测方程，依据犚数的相关系数曲线表现趋势也基本相同；年相关系数最大值位于，年相关系数最大值位于，。两年叶片光谱反射率及其一阶导数的平均值曲线差别很小，两年相关系数的敏感波段都基本处于同一区域，因此，利用该敏感区域内的相关指标进行光谱参数的构建，最终建立叶片预测模型具有很强的可行性。犜犪犫犾犲犆狅狉狉犲犾犪狋犻狅狀犮狅犲犳犳犻犮犻犲狀狋

10、犫犲狋狑犲犲狀狊犲犮狋狉犪犾狆犪狉犪犿犲狋犲狉狊犪狀犱犿犪犻狕犲犾犲犪犳犛犘犃犇狆（狀）光谱参数相关系数（狀）光谱参数相关系数犚/doc/823b13d7c8d376eeaeaa313c.html犚（，）（，）（，）（，）（，）（，）（，）（，）（，）犚犚（，）（，）（，）（，）（，）（，）（，）（，）（，）。表出最终构建的玉米叶片预测模型（犜犪犫犾犲犘狉犲犱犻犮狋犻狅狀犿狅犱犲犾狅犳犿犪犻狕犲犾犲犪犳犛犘犃犇犫犪狊犲犱狅狀狊犲犮狋狉犪犾狆犪狉犪犿犲狋犲狉狊狆年份光谱参数预测模型狓狔狓狓狔狓狓狔狓狓狔狓狓狔狓狓狔狓狔狓狓狔狓狓狔狓狓狔犚http

11、://doc/823b13d7c8d376eeaeaa313c.html（，）（，）（狀）（，犚犚）（犚犚，）（，）（，）（狀）（犚犚，）（犚犚，）犚犚犚犚犚（犚犚，）（犚犚，）（犚犚，）（犚犚，）（犚犚，）（犚犚，）（犚犚，）（犚犚，）（犚犚，）表示达到极显著水平，下同犚（犚犚，）（犚犚，）（犚犚，）（犚犚，）（犚犚，）预测模型的评价利用两年选取出的玉米叶片和高光谱数据各个，对年和年建立的叶片预测模型分别进）。由表可知：以（，）行初步检验（表为光和犚犚谱参数的预测模型，两年拟合方程的决定系数犚数值都很/d

12、oc/823b13d7c8d376eeaeaa313c.html（犚犚，）（犚犚，）（犚犚，）（犚犚，），大，对两年数据的拟合效果都比较好；而以（犚），（，）为光谱参数的预测模型，拟合方程犚犚犚只是在单一年份数值较大，拟合效果较好，的决定系数犚预测模型的构建依据光谱反射率（与叶片犚）相关系数曲线，分别作为选择两年最大值波谷光谱反射率（和附近）光谱参数，以两波谷及其之间的波峰（光谱反附近）但模型综合预测效果不稳定，不适宜作为预测模型使用，予以排除。犜犪犫犾犲犉犻狉狊狋狋犲狊狋犻狀犲狊狌犾狋狊狅犳狆狉犲犱犻犮狋犻狅狀犿狅犱犲犾犵狉年份光谱参数（），（），（犚犚，）（犚犚，）（），（），（犚犚，）（

13、犚犚，）（）狀拟合方程狓狔狓狔狓狔狓狔狓狔狓狔狓狔狓狔狓狔狓狔犚（）狀拟合方程狓狔狓狔狓/doc/823b13d7c8d376eeaeaa313c.html狔狓狔狓狔狓狔狓狔狓狔狓狔狓狔犚第期光谱学与光谱分析犜犪犫犾犲犈狏犪犾狌犪狋犻狅狀犻狀犱犻犮犪狋狅狉狅犳犳犻狋狋犻狀狌犪狋犻狅狀犵犲狇犫犪狊犲犱狅狀狉犲犾犪狋犲犱狊犲犮狋狉犪犾犪狉犪犿犲狋犲狉狊狆狆年份光谱参数（，）（，）（，）（，）（狀）（狀）图列出。为光谱参数的预测模型拟合效果（结论以两年玉米田间试验为基础，分析整/doc/823b13d

14、7c8d376eeaeaa313c.html个生育期玉米叶片与光谱反射率及其一阶导数的相互关系，最终构建了基于高光谱数据的玉米叶片预测模型。结果表明：（）两年间叶片光谱反射率及其一阶导数的平均值曲线基本）两年间叶片相同；（与光谱反射率及其一阶导数的（，）相关系数曲线和敏感区域基本相同；（以）犚犚（，）和为光谱参数的模型预测效果不稳定，不犚犚）（、适宜作为预测模型；（以和犚犚附近，附近）（构建的模型预测效果良好，能有效预测叶犚犚附近，附近）片。如图所示，三组以不同光谱参数构建的预测模型，虽然模型的方程式有所不同，但不同方程式的犚值都很大；）对其评价结果（表表明：拟合方程的数值较小，预测精度很高；

15、数值都很小，预测值和实测值的拟合关系良好；预测模型都能有效估测玉米叶片；现将以犉犻犘狉犲犱犻犮狋犻狅狀犿狅犱犲犾狅犳犿犪犻狕犲犾犲犪犳犛犘犃犇犫犪狊犲犱狅狀犱犻犳犳犲狉犲狀狋狊犲犮狋狉犪犾狆犪狉犪犿犲狋犲狉狊犵狆犉犻犚犲犾犪狋犻狅狀狊犺犻犲狋狑犲犲狀犿犲犪狊狌狉犲犱犪狀犱狆狉犲犱犻犮狋犲犱狏犪犾狌犲狊犻狀犪狀犱犵狆犫犚犲犳犲狉犲狀犮犲狊，：，：，（，（）：杨杰，田永超，姚霞，等）生态学报），/doc/823b13d7c8d376eeaeaa313c.html，：，：，：光谱学与光谱分析第卷，：，（赵士诚，何萍，仇少君，等）植物营养与肥料，（）：学报），：，：，（，邹红玉，丁丽霞）遥感信息），：，：，：，/doc/823b13d7c8d376eeaeaa313c.html，：，（，（）：姚霞，朱艳，田永超，等）中国农业科学），犎犲狉狊犲犮狋狉犪犾犘狉犲犱犻犮狋犻狅狀犕狅犱犲犾犳狅狉犕犪犻狕犲犔犲犪犳犛犘犃犇犻狀狋犺犲犠犺狅犾犲狔狆狆犌狉狅狑狋犺犘犲狉犻狅犱，犃犫狊狋狉犪犮