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基于无人机高光谱遥感的东北粳稻冠层叶片氮素含量反演方法研究
Research of Method for Inverting Nitrogen Content in Canopy Leaves of Japonica Rice in Northeastern China Based on Hyperspectral Remote Sensing of Unmanned Aerial Vehicle

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冯帅 1   许童羽 1,2 *   于丰华 1,2   陈春玲 1,2   杨雪 1   王念一 1  
文摘 为探究遥感监测水稻冠层叶片氮素含量的较优高光谱反演模型,以水稻小区试验为基础,获取了不同生长期水稻冠层高光谱数据。在综合比较一阶导数变换(1-Der)、标准正态变量变换(SNV)和SG滤波法等处理方法基础上,提出一种将SNV与一阶导数变换的SG滤波法相结合的光谱处理方法(SNV-FDSGF),并将处理后的数据经无信息变量消除法(UVE)与竞争自适应重加权采样法(CARS)选出不同生长期的敏感波段。将各生长期的敏感波段两两随机组合,并构建与水稻叶片含氮量相关性较高的差值光谱植被指数(DSI)、比值光谱植被指数(RSI)、归一化光谱植被指数(NDSI)。其中分蘖、拔节和抽穗3个时期的最优植被指数和决定系数R~2分别为:DSI(R_(857),R_(623)),0.704;DSI(R_(670),R_(578)),0.786;DSI(R_(995),R_(508)),0.754。以各生长期内的较优的三种植被指数作为输入分别构建自适应差分优化的极限学习机(SaDE-ELM)、径向基神经网络(RBF-NN)以及粒子群优化的BP神经网络(PSO-BPNN)反演模型。结果表明:SaDE-ELM建模效果最好,在模型稳定性和预测能力上比RBF-NN和PSO-BPNN都有了明显提高,各生长期反演模型的训练集和验证集决定系数R~2均在0.810以上,RMSE均在0.400以下,可为东北水粳稻冠层叶片含氮量的检测与评估提供科学和技术依据。
其他语种文摘 In order to explore a better hyperspectral inversion model for monitoring nitrogen content in rice canopy leaves by remote sensing,based on rice plot experiments,the canopy height spectral data of rice at different growth stages were obtained. Based on the comprehensive comparison of the first derivative(1-Der),standard normal variable transformation(SNV)and SG smoothing method,a spectral processing method(SNV-FDSGF)combining standard normal variable transformation with SG filtering method of first derivative was proposed.The sensitive bands of different growth stages were screened out by non-information variable-competitive adaptive reweighted sampling method(UVE-CARS).Two sensitive bands of each growth period were randomly combined to construct a difference spectrum index DSI(difference spectral index),a ratio spectral index RSI(ratio vegetation index)and a normalized spectrum index NDSI(normalized defference spectral index)with high correlation with nitrogen content in rice leaves.Among them,the optimal vegetation index and determination coefficient R~2 at the tillering,jointing and heading stages were:DSI(R_(857),R_(623)),0.704;DSI(R_(670),R_(578)),0.786;DSI(R_(995),R_(508)),0.754.Using the superior three planting indices in each growth period as inputs,the adaptive differential optimization extreme learning machine(SaDE-ELM), radial basis function(RBF-NN)and particle swarm optimization BP neural network(PSO-BPNN)inversion models were constructed respectively.The results showed that SaDE-ELM had the best modeling effect.Compared with RBF-NN and PSOBPNN, the stability and prediction ability of the model were significantly improved.The determination coefficient R~2 of training set and verification set of each growth phase inversion model was above 0.810and RMSE was below 0.400,which could provide certain theoretical basis for quantitative prediction of nitrogen content in rice canopy leaves.
来源 光谱学与光谱分析 ,2019,39(10):3281-3287 【核心库】
DOI 10.3964/j.issn.1000-0593(2019)10-3281-07
关键词 水稻 ; 氮素 ; 无人机 ; 高光谱处理 ; 植被指数 ; 反演模型
地址

1. 沈阳农业大学信息与电气工程学院, 辽宁, 沈阳, 110161  

2. 沈阳农业大学, 辽宁省农业信息化工程技术中心, 辽宁, 沈阳, 110161

语种 中文
文献类型 研究性论文
ISSN 1000-0593
学科 自动化技术、计算机技术
基金 国家“十三五”重点研发计划项目
文献收藏号 CSCD:6590786

参考文献 共 13 共1页

1.  陈永喆. 遥感反演植被含氮量研究进展. 生态学报,2017,37(18):6240 CSCD被引 10    
2.  秦占飞. 基于无人机高光谱影像的引黄灌区水稻叶片全氮含量估测. 农业工程学报,2016,32(23):77 CSCD被引 61    
3.  王树文. 基于高光谱的寒地水稻叶片氮素含量预测. 农业工程学报,2016,32(20):187 CSCD被引 19    
4.  Nigon Tyler J. Computers&Electronics in Agriculture,2015,112(C):36 CSCD被引 5    
5.  李岚涛. 基于高光谱的冬油菜植株氮素积累量监测模型. 农业工程学报,2015,31(20):147 CSCD被引 10    
6.  杨宝华. 基于敏感波段的小麦冠层氮含量估测模型. 农业工程学报,2015,31(22):176 CSCD被引 16    
7.  李粉玲. 基于连续统去除法的冬小麦叶片全氮含量估算. 农业机械学报,2017,48(7):174 CSCD被引 24    
8.  Gnyp Martin L. Field Crops Research,2014,155(155):42 CSCD被引 30    
9.  Yu F H. Int. J. Agric. &Biol. Eng,2016,9(5):132 CSCD被引 1    
10.  Wang Wei. Field Crops Research,2012,129(384):90 CSCD被引 31    
11.  李旭青. 水稻冠层氮素含量光谱反演的随机森林算法及区域应用. 遥感学报,2014,18(4):923 CSCD被引 21    
12.  王仁红. 基于高光谱的冬小麦氮素营养指数估测. 农业工程学报,2014,30(19):191 CSCD被引 33    
13.  Yoshio Inoue. Remote Sensing of Encironment,2012,126(6829):210 CSCD被引 1    
引证文献 14

1 毕银丽 微生物复垦区接菌沙棘叶绿素含量光谱估测 中国矿业大学学报. 自然科学版,2021,50(1):190-196
CSCD被引 6

2 曹英丽 高光谱数据降维与水稻氮素含量解析方法 沈阳农业大学学报,2021,52(1):109-115
CSCD被引 3

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