冬小麦叶面积指数与氮素垂直分布的高光谱反演研究

【摘要】叶面积指数(LAI)和氮素含量,既是估测作物产量的重要参数,又是监测作物长势及实施田间管理不可缺少的参数。然而,两种参数的传统遥感监测主要获取作物表层的数值,由于作物的氮素在冠层存在不均匀的垂直分布特性,当作物养分亏缺时,下层养分首先表现出缺乏症状。因此,生产上迫切需要早期快速探测作物的养分垂直分布特性和LAI。本文以冬小麦为研究对象,选取多年冬小麦LAI、氮素垂直分布及地面高光谱数据,研究了LAI与叶片氮素垂直分布的高光谱反演方法。本文的主要研究内容和实验结果如下：1、提出了对冬小麦高光谱曲线进行连续小波变换(CWT),利用敏感小波系数与LAI建立支持向量机回归(SVR)模型,实现冬小麦不同生育时期的LAI反演,解决了传统LAI遥感反演方法利用波段较少、容易受到光谱干扰的影响,造成反演精度不高的问题。通过与选取的植被指数、偏最小二乘(PLS)回归等5种方法的反演结果进行统计分析,结果表明：连续小波变换确定LAI的敏感波段为680nm、739nm、802nm、895nm,对应尺度分别为8,4,9和8,对应小波系数的LAI回归确定系数(R2)明显高于冠层反射率的回归确定系数；利用小波系数与LAI建立的支持向量机模型的反演精度最高,模型实测值与预测值的检验精度R2为0.86,均方根误差RMSE为0.43；而常用植被指数(归一化植被指数,NDVI；比值植被指数,RVI)建立的估测模型对冬小麦多个生育时期LAI反演精度最低(R2<0.76,RMSE>0.56)。2、提出了将多角度高光谱数据中反映株型因素的指数(NIR/red)与简单的光谱植被指数(归一化植被指数(NDVI)和增强植被指数(EVI)相结合估算不同株型的冬小麦LAI的方法,降低了株型对LAI反演精度的影响。结果表明：a)对于不同株型的冬小麦,NDVI或EVI的冬小麦LAI估算模型要分别建立；b)相比于常用的光谱植被指数,观测天顶角为40。时的NDRI和ERVI对多株型冬小麦LAI的估算具有最高的准确度；c)太阳天顶角为40。时的近红外与红光反射率的比值能较准确的代表冬小麦的冠层形态。3、提出了通过偏最小二乘方法联合多个敏感角度的植被指数反演氮素的垂直分布,有助于解决养分的早期、快速诊断问题。结果表明：天顶角在垂直00,40。和50。；垂直0。,30。和40。；垂直0。,20。和30。,分别被选择作为估测上层、中层、下层的叶片氮素密度(FND)的最优观测角度；对于每一层,以FND为因变量以三种不同的植被指数(氮素反射率指数(NRI),标准叶绿素指数(NPCI)和NRI和NPCI的组合)为自变量建立的三个偏最小二乘回归(PLSR)模型中,以NRI和NPCI组合为自变量的PLSR分析模型由于考虑了更多的波段能更准确的估计各层的FND。本论文研究结果为大面积进行作物长势和养分的早期、快速诊断提供了理论基础,并为新一代遥感传感器波段和角度的合理设置提供参考。
【作者】杨勤英；
【导师】梁栋；黄文江；
【作者基本信息】安徽大学，信号与信息处理，2014，硕士
【关键词】冬小麦；叶面积指数；氮素垂直分布；高光谱遥感；多角度；

【参考文献】
[1]国佳.政府招商信息管理系统设计与实现[D].山东大学,软件工程（专业学位）,2013,硕士.
[2]高延辉.老年用品设计原则的建构[D].南京艺术学院,2004,硕士.
[3]张海婷.基于偏振调制的高性能模拟光链路研究[D].南京大学,材料学,2013,硕士.
[4]赵彦敏.陕北黄土生物结皮种群特征及对土壤生物活性的影响[D].北京林业大学,复合农林学,2014,博士.
[5]刘玉松.提高电子皮带秤精度和稳定性的措施[J].冶金自动化,1979,06:66-71.
[6]韩庆玉.基于Elman神经网络的无线传感器网络定位研究与应用[D].山东财经大学,管理科学与工程,2012,硕士.
[7]冯骏杰.负荷不确定性的配电网无功规划优化[J].湖州职业技术学院学报,2014,03:55-59.
[8]殷刘彦.蛋白质发泡制备氮化硅泡沫陶瓷吸声材料研究[D].国防科学技术大学,材料科学与工程,2012,硕士.
[9]许士超.S波段光纤放大器的研究[D].西安石油大学,信号与信息处理,2012,硕士.
[10]王盈盈.道路交通事故财产损害赔偿问题研究[D].河北经贸大学,法律,2014,硕士.
[11]程彩彩.商业银行综合绩效评价体系的构建及应用[D].山西财经大学,会计学,2013,硕士.
[12]马春燕.miRNA-124在肺泡上皮细胞和巨噬细胞抗结核分枝杆菌感染中的免疫调控机制研究[D].宁夏大学,草业科学,2014,博士.
[13]李永正.厌氧氨氧化反应器的快速启动及其影响因素的研究[D].西安建筑科技大学,环境工程,2013,硕士.
[14]王鹏宇.风力发电机组状态监控系统（CMS）上位机监控软件开发[D].北京交通大学,2014.
[15]丁光莉.迷失，出走，归家[D].西南大学,英语语言文学,2013,硕士.
[16]张淳.西方绘画中“树”图像研究[D].中国美术学院,油画理论与实践,2014,博士.
[17]贾永娜.基于改进奇异谱分析法的地震数据插值[D].哈尔滨工业大学,应用数学,2014,硕士.
[18]朱东飞.DSP在UM71轨道电路故障诊断系统中的应用[J].城市公共交通.2003(02)
[19]于益俊.数据仓库技术在金财工程中的研究和实现[D].南京航空航天大学,2004.
[20]杨敏.互联网电视机顶盒客户端系统的设计与实现[D].北京交通大学,2014.
[21]何亮.芽孢杆菌Fengycin合成酶A结构域克隆及脂肽耐受性研究[D].南京农业大学,发酵工程,2012,硕士.
[22]迪那西（BukhoryDineshKumar）.No-reflow: Mechanism, Diagnosis and Treatment for Patients with STEMI[D].华中科技大学,内科学,2013,硕士.
[23]郭戈,贾二娜.网络化控制系统中的延时问题:分析与展望[J].控制与决策,2009,01:1-6.
[24]王维.以“六安瓜片”为例探究皖西绿茶产业特性及发展对策[D].首都经济贸易大学,产业经济学,2014,硕士.
[25]王婷.基于高通量转录组数据的大菱鲆SNP标记筛选及相关功能基因的研究[D].大连海洋大学,动物遗传育种与繁殖,2014,硕士.
[26]薛锦,陈原斌.一种实用的关联规则增量式更新算法[J].计算机工程与应用,2003,13:212-213+217.
[27]陈玉娇.基于分簇的无线传感器网络的安全路由算法研究[D].西南交通大学,信息安全,2013,硕士.
[28]刘洁.河北省农产品比较优势研究[D].河北农业大学,2004.
[29]王玉龙.网络游戏外挂的刑法问题研究[D].中国社会科学院研究生院,刑法学（专业学位）,2014,硕士.
[30]王美.利用闲暇活动提高中职生幸福感的课程设计与实施[D].内蒙古师范大学,教育（专业学位）,2013,硕士.
[31]庞斌.基于AVR单片机的路基温度采集系统研究与设计[D].长安大学,机械电子工程,2013,硕士.
[32]王晓慧.花生壳中天然药物分子印迹聚合物的合成及分离性能研究[D].济南大学,应用化学,2012,硕士.
[33]曹聿明.有关地震勘探资料分辨率问题的一些看法[J].石油地球物理勘探,2011,06:989-994+1012+836.
[34]万丹丹.小微企业信用评级体系研究[D].江苏科技大学,企业管理,2014,硕士.
[35]周丹杰.空天飞行器气动外形构想[J].飞航导弹.2005(06)
[36]高剑峰.发挥“后进生”在中职学校班级管理中作用的研究[D].华中师范大学,教育管理,2014,硕士.
[37]鲁素丽.汽车混装平衡问题的随机有序元胞自动机算法研究[D].武汉科技大学,机械制造及其自动化,2012,硕士.
[38]鲍鹏俊.图形电磁计算方法的扩展应用及其可视化集成[D].国防科学技术大学,电子科学与技术,2012,硕士.
[39]徐帅侠.基于.NET平台网络文献档案管理系统[D].南京邮电大学,计算机技术（专业学位）,2013,硕士.
[40]伍民生.普罗布考、复方丹参滴丸对冠脉内支架植入术后再狭窄研究[D].广西医科大学,心血管内科,2004,硕士.
[41]陈丽.氮掺杂SO_4~(2-)/TiO_2光催化剂的一步沉淀制备及其光催化性能[D].南京理工大学,2012.
[42]王志强.小麦愈伤组织继代过程中的同工酶谱研究[D].河南农业大学,作物遗传育种,2004,硕士.
[43]戴颖超.四旋翼飞行器半物理模型实时仿真系统研究[D].内蒙古科技大学,控制理论与控制工程,2014,硕士.
[44]蒋成彬.可靠性试验周期的设计——舰船产品可靠性验证试验问题讨论[J].舰船科学技术.1993(03)
[45]段灿.云服务提供商的合作博弈研究[D].燕山大学,工业工程,2013,硕士.
[46]胡蝶.清代云南省疫灾地理规律与环境机理研究[D].华中师范大学,人文地理学,2014,硕士.
[47]刘天佑,朱立新,邓荣来,李庆浩.复杂重磁异常多阶段决策的最优化反演[J].石油地球物理勘探,2002,04:349-353+432.
[48]康诚祖.严寒地区冬季人体热适应实验研究[D].哈尔滨工业大学,供热、供燃气、通风及空调工程,2014,硕士.
[49]张媛.LiCl能在溶瘤腺病毒载体中或体内增强TRAIL的抗癌作用[D].浙江理工大学,生物化学与分子生物学,2013,硕士.
[50]钟蔚雯.电影微博营销的参与意愿影响因素研究[D].厦门大学,传播学,2014,硕士.