基于高光谱影像湖泊叶绿素a浓度反演分析

针对湖泊叶绿素a浓度的快速变化及水体富营养化问题,以太湖水体为例,利用太湖区域2019年10月、11月和12月的珠海一号高光谱影像,采用波谱特征分析、主成分分析、皮尔逊相关系数、建立反演模型分析江苏省太湖区域水体叶绿素a浓度的分布状态以及时空变化状况。通过主成分分析划分与水体信息相关的成分,提出采用珠海一号高光谱影像的中红外波段建立耦合可见光和近红外辐射信号的WCI模型。结果表明:(1)水体光谱曲线特征与主成分分析结果一致,分别为光合作用波段、细胞散射波段和水体增温波段。(2)改进的耦合可见光与中红外辐射信号的建立的WCI模型的反演精度最高,均方根误差RMSE为(1.4008 mg·L^-1),平均相对误差(MRE)为10.69%。(3)2019年10月一12月间,湖泊叶绿素浓度整体变化不大,太湖叶绿素a浓度的遥感反演结果总体上呈现为湖西区域浓度较低,湖东区域浓度较高的特征。     

基于因子分析的苜蓿叶片叶绿素高光谱反演研究

因子分析是一种能够将具有错综复杂关系的变量归结为少数几个综合因子的多变量统计分析方法,在降低数据维数的同时又可以保存足够的信息,这为处理信息量丰富但冗余较大的高光谱数据提供了一种有效方法。本文利用2010年9月23日采集的16个样点的苜蓿叶片反射率及叶绿素含量数据,采用因子分析方法,分别提取苜蓿叶片反射率光谱400～900nm,以及可见光400nm～760nm和近红外760～900nm光谱区的公共因子,分析因子载荷分布、载荷总量对公共因子与叶绿素含量相关性的影响。利用逐步回归法建立基于公共因子的叶片叶绿素反演模型,并将反演模型与光谱指数建立的模型进行对比。研究表明,1）公共因子与叶片叶绿素的相关性,在更大程度上是与该因子在各个波段上载荷分布有关,而不是总载荷量;2）对波谱进行分区建立的反演模型略优于全区因子分析建立的反演模型;3）与常用于叶片叶绿素含量反演的光谱指数CARI、MCARI、mND680、mND705、mSR705、TVI、DmSR、BGI、BRI相比,因子分析建立的叶绿素反演模型精度更高。     

基于Hyperion影像植被光谱的土壤重金属含量空间分布反演——以青海省玉树县为例

本研究主要探讨了利用Hyperion影像植被光谱估算土壤重金属含量的可行性.以野外采集的三江源区玉树县48个表层土壤样品As、Pb、Zn、Cd实验室测定含量值,以及从两景Hyperion影像提取的48个土壤样本点相应的176个植被光谱反射率波段及构建的5种植被指数为数据源,利用偏最小二乘回归方法(PLSR)建立土壤各重金属含量与上述两套Hyperion影像上提取的变量之间的估算模型.模型分别为176个植被光谱反射率波段与土壤各重金属含量间的估算模型(植被光谱反射率模型),和以5种植被指数作为自变量,与土壤各重金属含量建立的估算模型(综合植被指数模型).运用验证样本的4种重金属元素实测含量值的标准差与均方根误差的比值(RPD)作为检验标准,As、Pb两种模型RPD均小于1.4,不具备粗略估算能力;Zn、Cd两种模型RPD分别为1.53、1.46与1.46、1.42,均具备粗略估算能力.根据上述结果将Zn的光谱反射率估算模型与Hyperion影像相结合反演得到土壤重金属Zn含量的空间分布,Zn含量在214国道、308省道和乡镇附近偏高,主要受到较强的人类活动影响.表明运用Hyperion高光谱影像植被光谱反射率可以间接估算土壤Zn、Cd元素含量.     

基于高光谱遥感的小麦冠层叶片色素密度监测

作物叶片色素状况是评价植株光合效率和营养胁迫的重要指标,冠层叶片色素密度（单位土地面积叶片色素总量）的实时无损监测对作物生长诊断、产量估算及氮素管理具有重要意义。以包括不同品质类型（高蛋白、中蛋白和低蛋白）的多个小麦品种在不同施氮水平下的连续2a大田试验为基础,研究了小麦叶片色素密度与冠层高光谱参数的定量关系。结果表明,叶片色素（叶绿素a、叶绿素b、叶绿素a＋b和类胡萝卜素）密度随施氮水平增加而提高,不施氮处理的叶片色素密度随生育进程而下降,施氮处理的叶片色素密度呈单峰曲线,品种间存在明显差异。群体叶片色素密度的敏感波段主要分布在可见光区,而红边区域导数光谱表现更显著。光谱参数VOG2、VOG3、RVI（810,560）、SRE／SBE和SDr／SDb等与叶绿素密度关系较为密切,线性方程决定系数R^2均在0．858以上,而与类胡萝卜素密度关系减弱,决定系数R^2低于0．780,且参数间差异较小。经独立试验资料的检验表明,VOG2、VOG3、SRE／SBE和SDr／SDb对不同色素的估测结果较好,预测相对误差RE低于17．6％,虽然对叶绿素b的准确性稍低。总体上,光谱参数VOG2、VOG3、SRE／SBE和SDr／SDb与小麦群体叶片色素密度关系密切,特别是对叶片叶绿素a和叶绿素a＋b的密度可以进行准确可靠的实时监测。     

臭氧胁迫冬小麦叶片高光谱特征和叶绿素含量估算

为无损、快速监测臭氧胁迫下冬小麦叶片叶绿素含量，建立叶绿素含量与光谱指标的定量关系，基于自由式臭氧浓度增加系统平台观测了臭氧浓度升高下拔节期、开花期及灌浆期冬小麦叶片的叶绿素含量和光谱特征。通过线性回归、人工神经网络(ANN)以及偏最小二乘回归(PLSR)模型对臭氧胁迫下叶片高光谱特征进行了叶绿素含量的估算。结果表明：臭氧胁迫冬小麦叶片的光谱曲线特征出现绿峰“红移”和红边位置“蓝移”现象。相比于拔节期和开花期，小麦叶片在灌浆期受到臭氧的影响更大。臭氧胁迫下叶绿素含量与部分光谱特征参数及遥感植被指数存在显著相关关系，所有模型均取得了较高的估算精度(R²>0.8),其中以光谱特征参数为建模参量的偏最小二乘回归模型精度最高。该方法可用于臭氧胁迫下冬小麦叶片叶绿素含量的估测，动态监测作物的臭氧胁迫。     

不同质地盐渍化土壤水盐含量的高光谱反演

为了方便快捷地同步监测盐渍化土壤的水、盐含量,本文以新疆典型盐渍化灌区为研究对象,基于高光谱技术、运用便携式光谱仪获取不同质地的土壤水盐含量光谱曲线,采用一阶微分、二阶微分、连续统去除的数据处理方法对土壤原始光谱进行变换.结果表明: 对原始光谱数据的变换有利于土壤属性指纹波段的提取,不同质地水盐含量的变换方法并不相同,在壤土中质量含水量为0%和10%时的水盐光谱曲线使用连续统去除方法、15%含水量使用一阶微分、19%含水量使用二阶微分,砂土中0%含水量使用连续统去除方法、10%、15%和19%含水量水盐光谱曲线使用二阶微分处理后,有利于特征波段的提取;对筛选出的变换数据采用偏最小二乘回归方法构建水盐反演模型,壤土盐度小于6.38 mS·cm^-1、砂土小于5.94 mS·cm^-1时,模型建立的建模数据集决定系数(R_cal²)、内部交叉验证(R_cv²)和外部检验数据集决定系数(R_val²)均大于0.65(P<0.05);壤土水分含量小于16%、砂土小于12%时模型反演精度较高.研究结果可为盐渍化土壤水盐含量同步监测提供阈值参考.     

水稻上部叶片叶绿素含量的高光谱估算模型

叶片叶绿素 (Chl) 状况是评价植株光合效率和营养胁迫的重要指标,实时无损监测Chl状况对作物生长诊断及氮素管理具有重要意义.以不同生态点、不同年份、不同施氮水平、不同类型水稻品种的4个田间试验为基础,于主要生育期同步测定了水稻主茎顶部4张叶片的高光谱反射率及Chl含量,并计算了350～2500 nm范围内任意两波段组合而成的比值(SR[λ1,λ2])和归一化(ND[λ1,λ2])光谱指数以及已报道的对Chl敏感的光谱指数,进一步系统分析了叶片Chl含量与上述光谱指数之间的定量关系.结果表明,红边波段的比值和归一化光谱指数可以较好地预测水稻上部4叶的Chl含量(R~2>0.9),但对于不同Chl指标其最佳组合波段有所差异.估算叶绿素a (Chla)、叶绿素总量(Chla+b)和叶绿素b (Chlb)的最佳比值光谱指数分别为SR(724,709)、SR(728,709)和SR(749,745),方程拟合决定系数R~2分别是0.947、0.946、0.905;最佳归一化光谱指数分别为ND(780,709)、ND(780,712)和ND(749,745),R~2分别是0.944、0.943、0.905.引入445 nm波段反射率对上述光谱指数进行修正,可以降低叶片表面反射差异的影响,提高模型的应用范围.利用不同年份独立的试验资料对所建模型进行了检验,结果表明,修正型比值光谱指数 mSR(724,709)、mSR(728,709) 和 mSR(749,745),以及修正型归一化光谱指数mND(780,709)、mND(780,712) 和 mND(749,745) 预测 Chla、Chla+b 和 Chlb 的效果更好,其测试的RMSE分别为 0.169、0.192、0.052、0.159、0.176、0.052,RE分别为8.18%、7.74%、13.01%、8.26%、7.59%、12.96%,均较修正前降低,说明修正后的光谱指数普适性更好.     

基于SVR算法的林地土壤氮含量高光谱测定

提出了一种利用高光谱技术进行杉木林土壤全氮测定的新方法。以FieldSpec®3地物光谱仪采集杉木林土壤148份, 随机分成校正集(100份)和检验集(48份)。以不同方法实现了土壤光谱的预处理, 并采用偏最小二乘回归算法(PLS)建立土壤氮含量估测模型对其进行比较分析, 发现小波除噪结合多元散射校正能最有效地消除原始光谱的噪声与背景信息, 此时PLS模型校正集与预测集R²分别为0.891与0.885。为进一步优化模型, 对经小波除噪结合多元散射校正处理后的光谱采用主成分分析法(PCA)降维, 以前4个主成份为输入变量, 采用小二乘支持向量机回归算法(LS-SVR)建立了土壤氮含量估测模型, 其校正集与预测集R²分别提高至0.921与0.917, 具有比PLS算法更高的精度。结果表明:以高光谱技术进行林地土壤氮含量快速监测是可行的, 其中小波去噪结合多元散射校正系光谱预处理的优选方法, 而LS-SVR则是建模的优选方法。     

行道树叶绿素变化的高光谱神经网络模型

采样分析了城市行道树（长春市主要街道）与对比区（净月潭国家森林公园）相应树种的叶绿素变化,并对由叶绿索变化引起的光谱反射率以ASD光谱仪进行了测试,并对二者之间的关系进行了单波段回归分析、V1植被指数与叶绿素含量的模型分析以及神经网络模型分析。结果表明,1）城市环境对行道树叶绿素有重要影响,但是对针叶树种响应较小,而阔叶树种响应较大;2）光谱反射率与测试树种叶绿素含量关系密切,在740～760nm附近确定性系数达0．72以上;3）PSSR植被指数与测试树种的叶绿素含量关系密切,幂函数回归的决定系数R^2为0．82左右。3）神经网络模型能够提高光谱反射率模型反演植被叶绿素含量的水平,模型的决定系数R^2高达0．97。表明高光谱遥感可以用来监测因城市环境引起的植被叶绿素变化。     

Best hyperspectral indices for assessing leaf chlorophyll content in a degraded temperate vegetation

Extensive studies have focused on assessing leaf chlorophyll content through spectral indices; however, the accuracy is weakened by limited wavebands and coarse resolution. With hundreds of wavebands, hyperspectral data can substantially capture the essential absorption features of leaf chlorophyll; however, few such studies have been conducted on same species in various degraded vegetations. In this investigation, complete combinations of either original reflectance or first‐order derivative spectra we conducted a complete combination on either original reflectance or its first‐order derivative value from 350 to 1000 nm to quantify leaf total chlorophyll (Chll), chlorophyll‐a (Chla), and chlorophyll‐b (Chlb) contents. This was performed using three hyperspectral datasets collected in situ from lightly, moderately, and severely degraded vegetations in temperate Helin County, China. Suitable combinations were selected by comparing the numbers of significant correlation coefficients with leaf Chll, Chla, and Chlb contents. The combinations of reflectance difference (D_ij), normalized differences (ND), first‐order derivative (FD), and first‐order derivative difference (FD(D)) were found to be the most effective. These sensitive band‐based combinations were further optimized by means of a stepwise linear regression analysis and were compared with 43 empirical spectral indices, frequently used in the literature. These sensitive band‐based combinations on hyperspectral data proved to be the most effective indices for quantifying leaf chlorophyll content (R² > 0.7, p < 0.01), demonstrating great potential for the use of hyperspectral data in monitoring degraded vegetation at a fine scale.     

Research progress on monitoring vegetation water content by using hyperspectral remote sensing

植被含水量是陆地植被重要的生物物理特征, 其定量遥感反演有助于植被干旱胁迫的实时监测与诊断评估。该文系统综述了国内外利用高光谱遥感评估植被水分状况的4个常见植被水分指标——冠层含水量、叶片等量水厚度、活体可燃物湿度和相对含水量的概念及其遥感估算方法研究进展, 评述了植被含水量高光谱遥感估算各类方法的优缺点, 探讨了植被含水量高光谱遥感估算目前存在的问题, 并提出进一步的研究任务, 即服务于植被干旱胁迫的高光谱遥感监测、预警与评估。     

植被含水量高光谱遥感监测研究进展

植被含水量是陆地植被重要的生物物理特征, 其定量遥感反演有助于植被干旱胁迫的实时监测与诊断评估。该文系统综述了国内外利用高光谱遥感评估植被水分状况的4个常见植被水分指标——冠层含水量、叶片等量水厚度、活体可燃物湿度和相对含水量的概念及其遥感估算方法研究进展, 评述了植被含水量高光谱遥感估算各类方法的优缺点, 探讨了植被含水量高光谱遥感估算目前存在的问题, 并提出进一步的研究任务, 即服务于植被干旱胁迫的高光谱遥感监测、预警与评估。     

Estimation of the chlorophyll content of micropropagated potato plants using RGB based image analysis

A method has been developed for rapid and non invasive determination of chlorophyll content of leaves of micropropagated potato plants using RGB based image analysis. Among the trichomatic colors, R and G negatively correlated with the chlorophyll content, while a positive correlation was observed with B chromate. Compared to mean brightness value, the use of mean brightness ratio considerably improved the relationship of the tricolors with chlorophyll content. The brightness values and ratios of the primary colors are modeled as linear correlation functions for chlorophyll content. A significant correlation was observed between the model predicted chlorophyll content with the chlorophyll content measured by chlorophyll content meter. Spectral properties such as luminosity and saturation were also found to be negatively correlated with the chlorophyll content. The relationship was improved by combining the mean brightness ratio at B band region with luminosity. The potential of the imaging system in micropropagation has been discussed.     

Simple and robust methods for remote sensing of canopy chlorophyll content: a comparative analysis of hyperspectral data for different types of vegetation

Canopy chlorophyll content (CCC) is an essential ecophysiological variable for photosynthetic functioning. Remote sensing of CCC is vital for a wide range of ecological and agricultural applications. The objectives of this study were to explore simple and robust algorithms for spectral assessment of CCC. Hyperspectral datasets for six vegetation types (rice, wheat, corn, soybean, sugar beet and natural grass) acquired in four locations (Japan, France, Italy and USA) were analysed. To explore the best predictive model, spectral index approaches using the entire wavebands and multivariable regression approaches were employed. The comprehensive analysis elucidated the accuracy, linearity, sensitivity and applicability of various spectral models. Multivariable regression models using many wavebands proved inferior in applicability to different datasets. A simple model using the ratio spectral index (RSI; R815, R704) with the reflectance at 815 and 704 nm showed the highest accuracy and applicability. Simulation analysis using a physically based reflectance model suggested the biophysical soundness of the results. The model would work as a robust algorithm for canopy‐chlorophyll‐metre and/or remote sensing of CCC in ecosystem and regional scales. The predictive‐ability maps using hyperspectral data allow not only evaluation of the relative significance of wavebands in various sensors but also selection of the optimal wavelengths and effective bandwidths.     

基于高光谱数据的互花米草叶片功能性状反演

互花米草成功入侵的关键是其生长繁殖能力以及对环境的适应能力,叶片含水率、相对叶绿素含量、碳氮比、总氮、总磷以及比叶面积等叶片功能性状反应的是互花米草对资源的利用能力以及环境的适应能力。以江苏盐城滨海湿地为研究对象,进行互花米草叶片功能性状与高光谱数据的关系研究。通过对原始光谱数据以及一阶微分转换光谱数据进行主成分分析提取新的主成分变量作为自变量分别建立不同性状的逐步回归、BP神经网络、支持向量机、随机森林4种预测模型,通过比较构建模型的R²以及RMSE选择最优模型,进而基于相关性分析得到的敏感波段构建最优模型,验证其准确性和适用性。研究结果发现：（1）一阶微分数据的建模效果优于原始光谱数据;（2）通过对不同功能性状的预测建模,发现4种模型的预测效果排序为：随机森林>支持向量机>BP神经网络>逐步回归,其中随机森林模型的准确性高、稳定性强,明显优于其他3种模型,而逐步回归模型的效果最差,不适用于互花米草叶片功能性状的高光谱建模;（3）通过对相关性分析得到的敏感波段建立随机森林模型,建模R²均大于0.90,验证R²介于0.73-0.95之间,进一步证实了随机森林模型的准确性和稳定性。研究结果表明,高光谱数据可以作为快速监测互花米草生长状况的有力手段,而随机森林模型可以作为高精度模型实现对互花米草不同叶片功能性状的估测。     

基于叶绿素荧光参数的小麦叶片叶绿素相对含量估算方法

叶绿素含量是植物学和农业相关研究领域常用的生理指标.叶绿素含量和叶片光合功能密切相关,但是现有的叶绿素含量的测定方法无法实现叶绿素含量和光合功能的同步测定和关联分析.为解决该问题,本研究通过测定35个小麦品种旗叶的SPAD值和叶绿素荧光诱导动力学曲线,分别使用不同时间的快速叶绿素荧光动力学曲线的荧光值,以及33个常用荧...