基于偏最小二乘法的樟树叶片叶绿素含量高光谱估算

在BRDF测试系统环境下利用ASD便携式野外光谱仪采集樟树叶片光谱,并用UV2450-紫外可见分光光度计对观测叶片进行叶绿素含量测定.考虑到植物色素(叶绿素和类胡萝卜素)对叶片反射光谱的影响主要体现在可见光波段,选取400~900 nm范围波段光谱反射率与叶片叶绿素含量反演偏最小二乘法(PLS)模型,其中29个样本用于建模,10个样本用于验证,结果表明:当主成分个数为4时,PLS模型具有最佳的效果,4个主成分累计解释了99.91%的自变量信息和89.71%的因变量信息,此外,PLS模型能够充分利用高光谱信息,具有较高的精度和稳定性.通过与原始光谱和一阶导数光谱拟合的估测模型进行对比分析,得出PLS模型无论是从建模样本精度还是验证的误差方面均优于这两种传统的模型,适合于利用高光谱数据进行叶绿素含量的估测.     

基于连续统去除法的湿地松叶绿素含量高光谱估算模型

采用ASD野外光谱辐射仪在BRDF测试系统环境下对野外采集的湿地松叶片样本进行光谱测量,以获得湿地松的叶片光谱反射率,并利用UV2450-紫外可见分光光度计对湿地松叶片进行叶绿素含量测定.采用连续统去除法对光谱数据进行处理分析,计算波段深度(BD)、波深中心归一化(BNC)、波段面积归一化(BNA)、波段深度归一化指数(NBDI)和反射率差异比率(DRR(λi))等光谱特征参数,通过对湿地松叶片叶绿素含量与光谱特征参数的相关性分析,得到NBDI748,BNC749,BNA617,BNA748四个特征参量,与湿地松叶绿素含量建立估算模型并对模型进行精度检验.结果表明以BNA617为变量建立的光谱参量模型能够较好的估算湿地松叶绿素含量.     

基于高光谱的法国梧桐和毛白杨叶片叶绿素含量反演模型研究

利用ASD便携式野外光谱仪和SPAD-502叶绿素计,实测了落叶阔叶树法国梧桐(Platanus orientalis L)和毛白杨(Populus tomentosa Carr)叶片的高光谱反射率与叶片绿度,并对原始光谱反射率及一阶导数光谱与叶片绿度进行了相关分析;采用导数光谱数据敏感波段建立了叶绿素含量估算模型,法国梧桐和毛白杨模型的确定性系数R2分别为0.7791和0.6858;采用相关系数较大的波段作为BP和RBF人工神经网络模型的输入变量,分别进行了叶绿素含量的估算,结果表明,BP和RBF神经网络模型预测效果均良好,在预测精度上,RBF略优于BP神经网络模型.     

基于高光谱成像技术的水稻叶片SPAD值及其分布问题研究

高光谱成像技术在快速无损检测植物叶片叶绿素含量上得到越来越广泛的应用.运用SPAD仪可同期获得叶片的叶绿素含量.以水稻叶片为研究对象,首先采集水稻活体植株至培养皿,利用SPAD502叶绿素计采集叶片的SPAD值,最后使用高光谱成像仪采集水稻叶片的高光谱影像.运用不同的植被指数和偏最小二乘法分别对SPAD值进行回归分析.结果显示,偏最小二乘回归模型精度较高且较为稳定.根据最佳预测模型反演叶片上任意像素的SPAD含量,通过伪彩色配色即可得到水稻叶片SPAD分布图像.该方法为研究水稻植株的生长状况提供了更为具体的数据资料,为水稻的产量估测和病害预警提供了新的依据和方法.     

扬花期冬小麦冠层叶绿素含量高光谱遥感反演

通过分析扬花期冬小麦冠层光谱反射率与叶绿素含量的相关性,选取491、577、698和780 nm作为特征波段,利用其构建了归一化植被指数、差值植被指数、比值植被指数、三角形植被指数和增强型植被指数,分析光谱指数与叶绿素含量之间的相关性,并基于PROSPECT模型模拟的不同叶绿素含量(5～80μg·cm~(-2))下的5 nm叶片光谱反射率数据,分析评价光谱指数对叶绿素含量变化的敏感性;再将五种光谱指数与叶绿素含量进行回归分析,构建叶绿素含量反演模型;最后利用验证数据对光谱指数反演模型进行真实性检验.结果表明,选取的五种光谱指数与叶绿素含量均具有显著相关性,其中SRI和EVI反演效果较好,决定系数R2分别为0.73和0.74,且预测值和实测值具有较好的拟合效果,其余指数反演效果较差.SRI对叶绿素含量具有较好的相关性和敏感性,表明其在全生育期冬小麦叶绿素含量反演中更具潜力.本研究可为其他农作物叶绿素含量反演提供研究思路和参考借鉴.     

叶绿素含量BP反演模型的光谱信息输入因子构建研究

植被叶绿素含量的高光谱反演是当今研究的热点,传统后向传播(BP)神经网络是其常用的一种反演模型。高光谱数据虽然具有精细光谱分辨率,但也造成了大量的信息冗余与噪声;而小波包变换(WPT)可以有效地抑制高光谱数据噪声和压缩信号,同时主成分分析(PCA)能够很好地降低模型输入因子的维数并可简化网络结构。以盆栽玉米为研究对象,在玉米叶片光谱数据对数变换并一阶微分处理的基础上,针对叶绿素含量的BP反演模型,提出了基于相关系数(CC)、WPT和WPTPCA的输入因子构建方法,并形成了叶绿素含量的CC-BP、PCA-BP及WPT-PCA-BP三种反演模型。通过比较玉米叶片叶绿素含量的实测值与三种BP模型反演结果,表明基于WPT-PCA构建BP模型的输入因子数量虽仅有6个却并不影响其反演精度,也能包含原始光谱的92%信息,且优于基于PCA和传统CC所构建输入因子的BP模型反演能力。     

水稻、玉米的光谱数据与叶绿素的相关分析

探讨了水稻和玉米的多时相的叶片反射光谱数据、群体反射光谱数据与叶绿素含量、叶绿素密度的相关关系．通过对反射光谱数据进行导数光谱分析和“红边”位置分析,结果表明水稻和玉米的叶片反射光谱数据很好地反映了叶片叶绿素含量的信息,而它们的群体反射光谱数据与其叶片的叶绿素含量的相关性较小,但却能很好地反映叶片叶绿素密度的信息．因此,可以利用群体植被的反射光谱数据讲行植被叶片叶绿素密唐的估计。     

大豆叶片水平叶绿素含量的高光谱反射率反演模型研究

利用便携式光谱仪和分光光度计法分别测得大豆生长期内叶片的高光谱数据及相应的叶绿素质量分数w,利用多元统计分析和红边参数反演提取与叶片水平的w(叶绿素)相关性较高的敏感波段和光谱形式,及特征光谱位置,并以此为基础推演得到一个基于神经网络算法的叶绿素含量反演模型,结合了3种方法的优点,具有较高的反演精度.     

基于高光谱指数的林农复合系统小麦冠层氮含量估算研究

以杨树-小麦间作系统为研究对象,采用Field Spec Pro FR2500地物光谱仪采集的小麦叶层光谱180份,选取基于单作麦田冠层氮含量估测模型中精度较高的9个指数用于估测林农复合系统中小麦冠层氮的含量,探讨不同水平枯落物覆盖量、林分密度、施肥量条件下小麦叶层氮含量的光谱特征。随机选取116份样本作为训练集基以9个指数分别建立估测模型,其余48份样本作为预测集对估测模型进行适应性检验。结果表明:FDNDNI、SDr-SDb两种指数的P-R2与C-R2达到了0.839、0.777与0.844、0.758,此系统预测杨麦间作系统中小麦叶片冠层的氮含量的精度较高,其余7个指数预测精度不理想。以9个指数所建立的估测模型的精度均低于其对单作麦田氮含量的估测精度。     

红边光谱谐波分析的神经网络法叶绿素含量反演研究

叶绿素含量测定对于了解作物生长状况具有重要意义。为实时、快速、准确获取叶绿素含量,研究了玉米叶片叶绿素含量的BP神经网络(BPNN)法高光谱反演模型;而BPNN输入因子的选择是建立反演模型的关键。已有研究证明作物红边光谱与叶绿素含量有较强的相关性,为避免红边参数提取的不确定性,提高建模精度与效率,运用红边光谱的频率域谐波分析(HA)技术获得谐波余项、振幅和相位等能量谱特征分量(ESCC);并选择具有强相关性的10个ESCC进行主成分分析后,取前4位主分量作为BPNN的输入因子,进而进一步强化其相关性来构建叶绿素含量反演模型。同时,分别用遗传算法(GA)和小波基(wavelet-based)函数优化BPNN结构,建立GA-BPNN、WNN反演模型。实验通过比较BPNN、GA-BPNN、WNN模型和常规的多元线性回归(MLR)模型的玉米叶片叶绿素含量反演结果,得出非线性的BPNN模型要明显优于线性的MLR模型;而在神经网络模型中,GA-BPNN优化模型的反演精度最高。     

一些植物对大气中SO2暴露的反应

在厦门市区5个地点,研究了常见本本植物:芒果、银桦、台湾相思树、石栗、垂花悬铃花、红花夹竹桃和盆栽植物蕹菜对大气中SO_2暴露的生理生态反应。对供试植物叶片进行了蒸腾强度,气孔阻扰,叶片中硫、氯含量以及叶绿素含量的分析测定。结果发现大气中SO_2浓度高的样点,植物叶片的含硫较高,气孔阻抗增强,蒸腾强度减弱,叶绿素含量减低。     

锶胁迫条件下生菜光谱效应特征

锶（Sr）胁迫条件下生菜的反射光谱特征会发生明显改变。通过室内生菜水培试验，获取了36个不同生长期、6个不同锶浓度胁迫的生菜叶片400～950 nm波段区间的生化参数信息（叶绿素含量、细胞结构、叶片金属含量）和反射光谱信息，利用光谱技术并结合数学统计方法研究了生菜叶片7个光谱特征参数与实测叶片锶元素含量之间的相关性，优选了较敏感光谱特征参数，建立了其与生菜叶片锶含量的线性回归模型。结果表明，锶胁迫生菜叶片叶绿素含量呈先上升后下降的规律，细胞结构差异不明显。锶胁迫生菜叶片反射光谱直观上无规律，通过采用光谱技术方法分析得出锶胁迫生菜叶片的红边波段位置先“红移”再“蓝移”，红谷波段位置则“红移”，植被指数B4/B3比值先升高后降低，红边归一化植被指数（NDVI）值随着锶浓度的升高而降低。相关性及线性回归模型分析表明红边波段位置与叶片锶含量显著相关。本文为下一步基于光谱特征的叶片重金属含量反演模型的构建提供了较好的数据源和基础理论。     

苏门答腊金合欢群落叶蒸腾作用和水分状况的研究

本文对厦门地区苏门答腊金合欢群落叶蒸腾作用和水分状况以及它们与生态因子的关系进行了研究,该群落叶蒸腾强度平均值为 477.9 mg·g~(-1)(FW)·h~(-1)。其蒸腾强度的日变化受土壤含水量和气候因子的综合影响,但在不同时期的影响程度不同。其蒸腾强度的季节变化与土壤和叶片本身的含水量呈正相关,与后者的相关系数是 0.96。该植物叶片束缚水量,束缚水与总水量比值,水势均与气温呈负相关,其数值均高于乡土耐旱树种相思树。     

厚荚相思石山地区造林试验初报

选用厚荚相思(Acacia crassicarpa)、台湾相思(Acacia confusa)和小叶榕(Ficus microcarpa)3个树种在崇左市石山地区进行造林试验,3年后调查分析造林绿化效果.结果表明,树高、地径和冠幅的净生长量,厚荚相思分别达到4.4m、7.1cm和2.8m,分别为台湾相思的2.0倍、2.4倍和1.6倍,为小叶榕的6.3倍、2.6倍和3.1倍.厚荚相思的石山造林绿化效果极显著地优于台湾相思和小叶榕.而且厚荚相思林下植被总盖度、枯落物等生态环境比后两种优良.厚荚相思是崇左市石山地区人工造林绿化的优良先锋树种.     

基于光谱反射特征葡萄叶片含水率模型的建立

采用光谱分析技术对葡萄缺水状况进行了定量分析,对4种水分胁迫下的葡萄叶片的光谱数据进行分析,发现703nm的导数光谱及460,720,1450,1650和1920nm波段的光谱反射率与葡萄干基含水率呈极显著相关.为克服多重共线性影响,采用主成分回归法建立了叶片干基含水率的定量分析模型,模型预测值与实测值的相关系数为0.94,模型的检验误差(RMSE)为0.15.     

谐波分析重金属铜铅胁迫玉米的污染效应

提出了谐波分析法监测玉米的重金属污染效应。通过设置不同浓度Cu和Pb胁迫下的玉米盆栽实验,测得了玉米冠层叶片光谱、叶绿素以及Cu含量。利用谐波分析技术将玉米叶片光谱特征信息转化为以振幅和相位的能量谱特征信息,提取低次谐波振幅和初始相位,分析了振幅和相位与玉米的健康状况以及重金属污染效应之间的关系。实验结果和分析表明,振幅反映着光谱的能量信息,与叶片中的Cu离子含量有很强的相关性;初始相位携带着光谱辐射峰值的位置信息,与玉米叶片中重金属含量以及叶片光谱的红边位置具有一定的线性比例关系。因此,可以通过光谱谐波分解的振幅和相位间接的判断Cu和Pb胁迫玉米的污染程度。     

重构玉米叶片光谱的铜铅污染区分与其含量反演方法研究

利用经验模态分解(empirical mode decomposition,EMD)、自相关函数一阶导数比值差(ratio difference of autocorrelation function first-order derivative,_(RDA))和多重分形理论,结合玉米盆栽实验,研究了铜(Cu~(2+))、铅(Pb~(2+))离子不同胁迫梯度下玉米叶片光谱去噪、叶片重金属污染的Cu和Pb元素区分以及叶片中Cu、Pb元素含量预测方法。通过光谱数据的EMD去噪与重构处理,得到不同浓度Cu、Pb胁迫下玉米叶片重构光谱;利用光谱自相关函数一阶导数(autocorrelation function first derivative,AFFD)及其比值差(_(RDA)),建立了Cu~(2+)、Pb~(2+)不同胁迫梯度下玉米叶片重构光谱的_(RDA)变化量(Cu_(RDA)、Pb_(RDA))计算公式;依据_(RDA)变化量曲线中紫光、绿峰、红光、红边、近谷、近峰多个波谱特征区间的Cu_(RDA)和Pb_(RDA)计算值,可明显地区分出叶片的Cu、Pb污染类别;另外,根据实测的玉米叶片中叶绿素、Cu~(2+)、Pb~(2+)含量与叶片重构光谱的多重分形谱参量之间相关性,构建了叶片中Cu~(2+)、Pb~(2+)含量反演的线性回归预测模型,经验证模型精度较高。     

Study on the biomass change derived from the hyperspectral data of cotton leaves in canopy under moisture stress

In this study, an ASD spectrometer made in USA is used to derive the hyperspectral data of cotton leaves in canopy in north Xinjiang. The integral area variables of red edge are used to estimate the total nitrogen (TN) content in cotton leaves in canopy. The first order differential of reflective spectra is carried out. The analysis methods based on the spectral position variables are derived from the first order differential spectral data. The analysis on the correlation between the integral area of red edge (SDr, regarded as the independent variable) and the TN content (regarded as the function) is carried out, and the correlation mathematical model between the integral area of red edge and the TN content in canopy leaves of cotton varieties named as Xinluzao No.6 is developed. The analysis on the correlation between the chlorophyll content and the TN content in single cotton leaves in canopy growing under the irrigation with different water volumes is carried out. The results show that there is a significant positive correlation between the chlorophyll content and the TN content (R = 0.8723, n = 39), and the data of chlorophyll content can be used to estimate the TN content in single cotton leaves; the correlation between the integral area variable of red edge and the TN content in cotton leaves in canopy is significant, their correlation coefficient is 0.7394 (n = 40), the TN contents in canopy leaves of cotton varieties named as Xinluzao No. 6 and No. 8 can be accurately estimated by using the developed model, and their RMSE values are 0.3859 and 0.4272 respectively. After researching, it is considered that there is an applying potential to use the integral area variables of red edge for estimating the TN content in cotton leaves in canopy, and the mathematical model developed with the third-side area variables has a high applying value in deriving the TN content in crop canopy. It is also considered that it is feasible to recognize the moisture stress suffered by cotton plants by researching the shift and change extent of red edge, and the key is to develop the corresponding rational recognition index system.

     

尾叶桉对四种豆科植物的化感作用

以尾叶桉(Eucalyptus urophylla)为研究对象,测定了其叶片自然挥发物和不同浓度水抽提物对台湾相思(Acacia confusa)、大叶相思(Acacia auriculaeformis)、马占相思(Acacia mangium)和南洋楹(Albizia falcataria)的化感作用。结果表明:①叶片自然挥发物对4种植物的种子萌发均无显著影响,但对台湾相思和南洋楹的茎生长有极显著的抑制,而对大叶相思和马占相思的根生长则有极显著的促进;②清水浸提24 h所得的叶片水抽提物对4种植物的种子萌发均无显著影响,对台湾相思、马占相思和南洋楹的根和茎生长有极显著的抑制,而对大叶相思的茎生长则有极显著的促进;③清水浸提72 h并减压浓缩后,配成的不同质量浓度的叶片水抽提物对4种植物的种子发芽率的影响都较小,对根生长的抑制作用随浓度的升高而增强,而对大叶相思、马占相思和南洋楹茎生长的影响则有低浓度促进、高浓度抑制的趋势。尾叶桉叶片向环境中释放的挥发性和水溶性物质确实对4种豆科植物造成了影响,且不同浓度下其作用的程度及性质有所不同。大叶相思种子萌发和幼苗生长所受到的抑制作用最不明显,可作为较理想的尾叶桉伴生树种,以提高桉树人工林的生物多样性。