水分胁迫对小麦光谱红边参数和产量变化的影响

在不同的水分胁迫梯度下,利用实验区小麦不同生长期光谱反射率观测数据,研究水分胁迫对小麦光谱反射率、红边参数及小麦产量的影响。首先分析水分胁迫对小麦光谱反射率的影响,然后利用小麦光谱反射率的一阶微分得到小麦光谱反射率的红边位置和红边幅度参数,分析了水分胁迫对小麦光谱红边参数的影响,最后利用水分胁迫下的红边幅度和小麦产量的关系,阐述了小麦水分胁迫下的光谱反射率特征与小麦产量的关系。研究结果表明,水分胁迫下小麦的红边位置在生长期前期出现红边位置红移现象,生长期后期出现红边位置蓝移现象。水分胁迫下的小麦的红边幅度在不同的生长期表现出不同的变化特征：生长期初期随着水分胁迫的增加而红边幅度增大,生长期后期随着水分胁迫的增加而红边幅度减小。小麦的红边幅度在拔节生长期前与小麦产量呈负相关而拔节生长期之后呈正相关,且不同生长期小麦的红边幅度与小麦的产量的相关系数不同。     

基于主成分分析和BP神经网络的柑橘黄龙病诊断技术

柑橘黄龙病的传统诊断方法主要依赖于人眼经验及生化技术,前者凭经验,诊断快,但准确性低;后者准确性高,但效率低和成本高.本文采用高光谱成像技术,获取5种症状柑橘叶片的高光谱图像,采用基于主成分分析和BP神经网络相结合的方法,对370~988nm波段范围内的柑橘叶片高光谱图像进行了病状的无损检测.研究结果表明,柑橘叶片的高光谱图像存在很大冗余,前四个主成分累积方差贡献率达到97.42%.数据建模分类得表明:BP神经网络的分类准确率达85%以上,经主成分后再利用BP神经网络的分类准确率绝大部分达到90%以上.因此,利用高光谱成像技术进行柑橘黄龙病的早期诊断具有较高的可行性.     

FTIR结合生理特性研究铅胁迫对小麦幼苗的影响

采用土培的方法系统研究了铅胁迫下小麦幼苗叶片的抗氧化酶活性及傅里叶红外光谱的变化。结果表明,随着Pb²⁺浓度的升高,抗氧化酶SOD、CAT活性出现先升高后降低的趋势,POD活性呈下降趋势。同时铅胁迫影响着小麦叶片的傅里叶红外光谱,高浓度的铅胁迫能使FTIR谱特征峰出现较明显的位移,代表着有机物质的转变。     

利用高光谱扫描技术检测小麦叶片叶绿素含量

利用高光谱扫描技术对小麦叶片进行无损检测试验,探索精确测定小麦叶绿素含量的方法,为农作物生长状况、植物病理诊断等提供科学依据。研究选取90个样本作为校正集,30个样本作为预测集,获取叶片的高光谱反射图像,同时用传统的分光光度计方法测定其叶绿素含量。选取波长491～887 nm范围光谱,用多元散射校正、一阶导数、二阶导数3种方法处理,利用偏最小二乘法和逐步线性回归法分别建立了小麦叶片叶绿素含量与光谱信号间的数学模型。研究发现多元散射校正(MSC)结合二阶导数光谱的多元线性回归(SMLR)模型的效果较优,模型校正集和预测集决定系数分别为0.82和0.79,校正均方根误差和预测均方根误差分别为0.69和0.71。研究结果表明可以利用高光谱扫描技术检测小麦叶片叶绿素含量。     

高光谱成像用于定量判断茶树叶片受冻程度

低温冻害是茶园中最常见的自然灾害之一。茶树叶片低温胁迫的定量监测对于评估茶园冻害程度和及时采取措施具有重要意义。茶树低温胁迫的传统检测方法,主要是通过人工观察和理化指标的测定,存在精度低、效率低和主观性强等问题,严重影响了灾害后期的茶树管理。该研究提出了一种基于高光谱成像的茶树冻害程度定量判断方法。首先,利用高光谱成像设备采集自然环境中茶树叶片在无冻害发生、冻害初期和冻害后期三个阶段的光谱数据,提取叶片的平均反射率;测定相应叶片中的相对电导率(REC)、叶绿素(SPAD)和丙二醛(MDA)等生理生化指标。其次,利用多元散射校正(MSC)、一阶导数(1-D)和平滑滤波(S-G)算法对采集的原始高光谱数据进行预处理,并利用无信息变量消除(UVE)和竞争性自适应重加权(SPA)算法筛选预处理后高光谱数据的特征波段。最后,利用卷积神经网络(CNN)、支持向量机(SVM)和偏最小二乘法(PLS)建立REC、 SPAD和MDA含量的定量预测模型。结果表明：(1)经MSC+1-D+S-G算法预处理的光谱曲线比原始光谱曲线的波峰和波谷更加突出,提高了光谱的分辨率和灵敏度,有利于提高后期回归模型的精度;...     

基于高光谱成像技术识别番茄干旱胁迫

番茄果实营养丰富备受人们喜爱。番茄生长周期长,需水量大,水分含量是影响番茄植株生长发育的主要因素;快速发现番茄植株水分亏缺状态,对于科学有效地进行番茄的灌溉管理,保障和提高番茄的产量和品质具有重要意义。利用高光谱成像技术,实时识别番茄叶片干旱胁迫程度,提出了一种基于高光谱成像技术的番茄叶片干旱胁迫的识别方法。首先,选取红樱桃番茄为实验品种,在室内培养12盆番茄幼苗。在保证其他管理措施相同的基础上,通过控制施水量来控制番茄的胁迫状态,干旱胁迫程度设计3个处理(适宜水分、中度和重度胁迫)。分批次采集不同干旱程度番茄幼苗嫩叶在400～1 000 nm范围的高光谱图像,并提取了每个样本的光谱和纹理特征。使用标准化(Norm)、多元散射校正(MSC)、一阶导数(1st)和标准正态变量变换(SNV)四种预处理方法对光谱数据进行预处理去除光谱中的噪声。使用连续投影算法(SPA)、竞争性自适应重加权算法(CARS)以及竞争性自适应重加权算法结合连续投影算法(CARS-SPA)选取光谱重要特征波段,用灰度梯度共生矩阵(GLGCM)提取番茄叶片的纹理特征,用SPA选择纹理特征的重要变量。融合重要光谱特征与...     

高光谱技术诊断马铃薯叶片晚疫病的研究

鉴于晚疫病可对马铃薯造成毁灭性灾害,对受晚疫病胁迫的马铃薯叶片进行了高光谱图像特征研究。旨在探索马铃薯叶片的高光谱图象特征与晚疫病害程度的关联,以实现准确、快速、无损的晚疫病诊断。采用60片马铃薯叶片,对其中48片采用离体方式接种晚疫病菌,所剩12片作为对照,染病前后连续观测7天,得到染病和健康样本。健康和染病样本按照染病时间和染病程度不同采用374～1 018 nm波段范围的可成像高光谱仪分别采样,基于ENVI软件处理平台提取图像中感兴趣区的光谱信息,并采用移动平均平滑、导数处理、光谱变换、基线变换等预处理方法提高信噪比,建立了最小二乘支持向量机（LS-SVM）的识别模型。9个模型中,基于原始光谱(不预处理)和光谱变换预处理后的数据所建立的模型预测效果最好,识别率均达到了94.87%。表明基于高光谱成像技术可以实现晚疫病胁迫下马铃薯病害程度的有效区分。     

水胁迫下典型盐生植被梭梭光谱特征分析

荒漠地区由于气候干燥，降水稀少，水分常成为制约植被生长的因素之一，水分胁迫对植物长势和产量的影响比任何其他胁迫都要大。随着高光谱技术的发展，国内外已有众多学者利用高光谱数据研究植被遭受胁迫作用，然而这些研究对象多集中于甜菜、棉花、玉米、水稻等作物，针对干旱区盐生植被遭受胁迫作用的研究较少。梭梭作为荒漠、半荒漠地区的典型盐生植被之一，具有极高的经济和生态效益。选择梭梭作为研究对象，培育一年生梭梭，并设置三个水分梯度，形成受不同水分量胁迫的梭梭。使用原始光谱、红边位置参数，结合植被指数及二维相关光谱研究其叶片光谱特征，为干旱区利用高光谱遥感监测盐生植被提供借鉴。结果表明：(1)分析梭梭叶片反射光谱曲线发现，在可见光至中红外各波段范围内，受不同水分量胁迫作用的梭梭叶片光谱反射率有显著差异。在可见光(350～610 nm)波段，各水分处理的梭梭叶片反射率依次为100 mL>500 mL>200 mL，这是由于100和200 mL水分促进梭梭内部叶绿素合成，使该波段反射率降低，而过多的水分(500 mL)对梭梭内部的叶绿素合成没有更大的促进作用。在红光区(611～738 nm)，随着水分量的增多，受不同水分量胁迫的梭梭叶片光谱反射率依次减小。在738～1 181和1 228～1 296 nm波段，受不同水分量胁迫作用的梭梭叶片光谱反射率为：200 mL>100 mL>500 mL；在1 182～1 227 nm波段，受不同水分量胁迫作用的梭梭叶片光谱反射率为：100 mL>200 mL>500 mL。这是由于植被细胞结构对近红外区域的反射率影响较大，因而受不同水分胁迫作用的梭梭叶片光谱反射率有显著差异。在1 300～1 365和1 392～1 800 nm波段，受各水分胁迫作用的梭梭叶片反射率为：100 mL>200 mL>500 mL。这表明在500 mL水分胁迫量范围内，水分越多，叶子的细胞液、细胞膜对水分的吸收能力越强，使得反射率下降。通过对原始光谱求取一阶导数并提取红边位置参数发现，各水分处理下的梭梭叶片一阶微分光谱曲线中红边位置未发生移动。这是由于梭梭在长期的干旱环境影响下，形成了特殊的适应机制，水分对其红边位置影响不敏感。(2)选取若干植被指数分析各水分处理下的梭梭光谱指数变化。当水分胁迫量由100 mL增至200 mL时，WI/NDWI，MSI和NDII指数值变化显著，可用于研究水分胁迫下梭梭的光谱特征。(3)使用二维相关光谱技术分析受各水分胁迫作用的梭梭光谱特征，得出在100 mL水分胁迫下，在536，643，1 219和1 653 nm波段处，吸收峰对水分的微扰敏感；在200 mL水分胁迫下，在846和1 083 nm波段处，吸收峰对水分的微扰敏感；在500 mL水分胁迫下，在835和1 067 nm波段处，吸收峰对水分的微扰敏感。总之，在近红外波段，与100 mL水分量相比，梭梭受200和500 mL水分量胁迫时，吸收峰对水分的微扰敏感度上升。由100 mL水分胁迫下梭梭的二维同步相关谱图可知，1 044和1 665 nm，1 072和903 nm，903和1 264 nm，1 230和1 061 nm波段处形成正交叉峰，表明这些波段处光谱强度随水分的干扰同时变化。     

高光谱成像技术检测高温障碍胁迫下番茄叶片色差的研究

提出了利用可见/近红外高光谱成像技术检测高温障碍胁迫下番茄叶片色差的方法。首先采集380~1 023 nm波段范围内60个高温障碍胁迫和60个健康番茄叶片的高光谱图像,同时获取全部叶片的色差值(L*, a*和b*),然后提取所有样本的高光谱图像中感兴趣区域(region of interest, ROI)的光谱反射率值。基于不同预处理方法建立偏最小二乘(partial least squares, PLS)预测模型,再利用连续投影算法(successive projections algorithm, SPA)提取特征波长并建立SPA-PLS预测模型。最后分别基于全波段和特征波段建立偏最小二乘-判别分析(partial least squares-discriminant analysis, PLS-DA)模型。结果显示,全波段中基于原始光谱信息建立的模型效果最好,3个色差值的预测集决定系数(determination coefficient, R2)分别是0.818,0.109和0.896;基于特征波长建立的模型预测集R2分别是0.591,0.244和0.673;所有模型预测集的总体识别率均大于77.50%。结果表明,可见/近红外高光谱成像技术检测番茄叶片色差值(L*和b*)和识别高温障碍样本是可行的。     

基于小波包变换的叶片高光谱数据的树种分类

非成像高光谱数据的特点为树种的精细识别提供了可能.非成像高光谱数据的多波段特性,使得利用数据间的微小差异来进行树种的识别分类研究成为可能.该文利用光谱相关匹配(Spectral correlation matching,SCM)方法来对树种进行识别分类,分别采用均值平滑法、中值平滑法、小波包变换对高光谱数据进行预处理及识别分类研究.结果表明,经过数据平滑预处理,可以有效地去除噪声,提高叶片高光谱数据的树种分类的精度.小波分析能有效的去除光谱中的噪声信息,保留光谱中的有效信息.在小波包变换的基础上,经过中值滤波数据预处理之后的分类精度高于均值滤波数据预处理后的分类精度.     

基于红边位置提取验证成像与非成像高光谱数据的一致性

定量遥感是当前遥感发展的前沿,作物组分信息解析是农业定量遥感的研究热点,而成像高光谱技术为解决微观尺度的作物组分信息探测研究提供了强有力的手段.利用成像光谱仪( pushbroom imaging spectrometer,PIS)与地物光谱仪(FieldSpec ProFR2500,ASD)同步收集冬小麦、玉米不同生...     

应用近地成像高光谱估算玉米叶绿素含量

图谱合一的近地成像高光谱是现代数字农业对田块尺度的作物长势信息进行动态临测和实时臀理的需要,是促进农业定量遥感发展的重要手段之一.文章通过自主研制的田间扫描成像光谱仪近地获得盆栽和大田玉米的冠层高光谱影像,从影像中精确提取玉米不同层位的叶片反射光谱并计算TCARI,OSA-VI,CARI,NDVI等多种光谱植被指数.构...     

基于无人机高光谱遥感的冬小麦全氮含量反演

氮素是作物生长发育必需的营养元素之一,作物的全氮含量是表征其氮素状况的主要指标。田块尺度的冬小麦全氮含量空间分布监测可以辅助其精准定量追肥,减少环境污染。无人机高光谱遥感具有分辨率高、时效性高、成本低等优势,可为作物长势信息反演提供重要数据源。XGBoost（extreme gradient boosting）作为一种新兴集成学习算法,运行效率高,泛化能力强,可以有效的应用于构建冬小麦全氮含量遥感反演模型,预测田块尺度冬小麦全氮含量空间分布。以农业部蒙城砂姜黑土生态环境站内拔节期冬小麦为研究对象,开展以下工作: （1）以低空无人机搭载高光谱成像仪获取冬小麦拔节期冠层成像光谱影像,结合地面采样数据,获取126个样点全氮含量数据;（2）分析拔节期冬小麦冠层光谱特征,并根据Person相关系数分析176个波段的光谱反射率与全氮含量之间的相关性;（3）构建基于XGBoost算法的不同土壤肥力条件下拔节期冬小麦全氮含量无人机高光谱反演模型。结果表明: （1）176个波段（400~1 000 nm）的光谱反射率与冬小麦全氮含量之间具有较强的相关性,除了735.5 nm外其他波段光谱反射率与全氮含量之间的相关系数均大于0.5;（2）基于XGBoost算法构建的拔节期冬小麦全氮含量无人机高光谱遥感反演模型具有较高的反演精度（R2=0.76,RMSE=2.68）;（3）基于XGBoost算法的冬小麦全氮含量反演模型可以获取不同土壤肥力条件下田块尺度的全氮含量空间分布图,总体上呈现较为显著的空间差异。该研究可为冬小麦精准定量追肥提供一定的科学依据,也为发展无人机高光谱遥感的精准农业应用提供了参考。     

基于比值导数法的棉花蚜害无人机成像光谱监测模型研究

蚜虫是棉花的主要害虫之一,我国棉花产量每年因蚜虫危害造成的损失高达5%～10%。田块尺度的棉花蚜害空间分布监测可以辅助精准定量施药,减少环境污染。利用无人机搭载成像光谱仪获取的“图谱合一”的遥感数据因其具有分辨率高、时效性高、成本低等优势,可为作物病虫害监测提供了重要数据源。比值导数法模型简洁,运行效率高,结果精确,可以有效的应用于遥感反射率光谱解混处理,提取对目标信息较为敏感的波段,为构建虫害监测模型提供了有效的手段。因此本研究选择棉花典型生产区新疆库尔勒地区为实验区,开展以下工作: （1）以低空无人机搭载成像光谱仪获取棉花蕾期冠层成像光谱影像,结合地面调查数据,获取76个样点光谱数据及蚜害严重度(包含健康植株16个,蚜害严重度1～4级每级选取15个);(2)分析不同蚜害严重度棉花冠层光谱的特征,并利用比值导数法筛选出对蚜害胁迫敏感的光谱波段,分别为514,566和698 nm波段; (3)构建基于三个敏感波段的光谱反射率、比值导数光谱值的一元线性回归和偏最小二乘法的蚜害严重度估测模型。结果表明：(1)蚜害对棉花冠层的光谱反射率有显著影响。棉株受蚜害胁迫越严重,其在可见光区域的反射率越高,近红外波段反射率越低,发生红边区域“蓝移”;（2）比值导数法可有效提取蚜害棉花冠层光谱敏感波段,所筛选的514,566和698 nm三个波段与相关系数法所筛选的敏感波段一致;(3)利用敏感波段比值导数光谱值所构建的蚜害严重度估测模型精度优于敏感波段光谱反射率所构建的模型, 其中698 nm波段构建的模型精度最佳（R2=0.597, RMSE=0.91）; (4)三个敏感波段的比值导数光谱值所构建的偏最小二乘多元回归模型精度优于单个波段比值导数光谱值所构建的模型（R2=0.612, RMSE=0.89）;(5)基于比值导数法的棉花蚜害无人机成像光谱监测模型可以获取田块尺度的不同严重度蚜害空间分布图,对于精准定量施药有重要的指示意义。     

星载超光谱成像技术发展与展望

超光谱成像技术由于能够同时获取目标的空间信息和光谱信息,显著提高了空间遥感技术对地物的探测和识别能力,在对地观测和深空探测领域具有广阔的应用前景。总结了星载超光谱成像技术近三十年来的国内外研究现状,对国内外典型超光谱成像仪的技术指标、技术特点和应用领域进行了论述。分析结果表明：高空间分辨率、高光谱分辨率是超光谱成像技术未来的发展趋势,offner光栅色散型超光谱成像仪是一个重要的发展方向。     

基于高光谱成像的小麦白粉病与条锈病识别

小麦白粉病和条锈病是我国两种最普遍、最具破坏性的小麦病害,且田间常常混合发生。由于病源和发病机理不同,有必要对这两种病害进行准确区分和识别,以采取不同的防治措施。基于ImSpector V10E高光谱成像系统采集的条锈菌侵染叶片、白粉菌侵染叶片和健康叶片(共计320个)在375～1 017 nm范围内的高光谱图像,利用高斯平滑等预处理方法得到三种小麦叶片的平均光谱曲线,发现小麦白粉病和条锈病的敏感波段均集中在550～680 nm的色素强吸收位置,且趋势基本一致。针对两种病害的响应波段交叉重叠的问题,通过主成分分析-载荷法(PCA)、连续投影算法(SPA)和竞争性自适应重加权算法(CARS)对小麦叶片的光谱信息进行有效降维,分别优选出3、6、30个敏感波段和特征波长;在此基础上,采用最小二乘-支持向量机和极限学习机两种分类算法分别基于全波段、PCA、SPA和CARS的优选波段,建立白粉病、条锈病和健康叶片的判别模型。结果表明,8种模型的准确识别率均在94.58%以上。其中,主成分分析-载荷法结合极限学习机模型最优,训练集与校正集的正确识别率分别为99.18%和100%,且结构简单,仅含有三个变量(占全波段的1.1%)。最后,通过对小麦白粉病、条锈病以及健康叶片的显微结构分析,发现病菌入侵叶片,破环细胞结构,导致叶绿素含量减少,光合作用效能降低,进而使得小麦在可见光波段光吸收程度减弱,反射率增大。可见,利用作物的高光谱图像信息能够准确地识别不同类型的小麦病害,为研发作物病害在线识别的多光谱系统提供重要的理论依据。     

基于二值化图像结合像元统计法的扑尔敏片剂近红外成像检测参数优化研究

研究药物领域中近红外成像检测参数对高光谱数据质量的影响,建立检测参数优化方法。以扑尔敏片剂为研究对象,采用近红外化学成像技术,考察光谱分辨率、空间分辨率、扫描次数和扫描高度等因素,采用L9 (34) 正交表设计,优化近红外成像检测参数;采用二值化图像法和像元统计法对高光谱数据进行定量分析,测定扑尔敏片剂表面马来酸氯苯那敏含量。以高效液相色谱法作为参考方法,精密测定片剂中马来酸氯苯那敏含量。两种方法测定的含量差值绝对值为考察指标,优化最佳检测条件。结果表明, 扑尔敏片剂的高光谱数据最佳检测条件：空间分辨率25 μm×25 μm,扫描高度-5340(Z值,精确聚焦),光谱分辨率16 cm-1,扫描次数16次。该研究首次优化近红外成像扫描高度参数对高光谱数据质量的影响,优化近红外成像扫描高度等检测参数可用于指导扑尔敏片及其他药物近红外成像数据采集和方法建立。     

折/反混合式长波红外成像光谱仪光学系统设计

为了实现遥感目标的长波红外高光谱成像,满足目标探测对多信息量的需求,设计了高光谱分辨率长波红外(8~12 μm)成像光谱仪。前置望远系统采用离轴三反系统,以实现无遮拦、大口径及宽视场成像设计;光谱分光系统分别采用折射式和反射式结构进行优化设计。设计结果显示,采用折射式结构,可得到通光孔径为100 mm,F数为2,光谱分辨率16 nm,空间分辨率150 μrad,冷光阑效率100%,成像质量接近衍射极限的光学系统;采用反射式结构,为了保证光学系统无挡光,需采用多片离轴反射镜,增加了系统的非对称性,使得系统的像散、彗差和场曲难以校正到最佳状态。设计结果表明：折/反混合式成像光谱系统具有光谱分辨率高、成像质量好和结构合理等优点,点斑均方根直径与国内现有探测器像素尺寸匹配。     

超光谱成像探测系统的图谱标定和评估

超光谱成像是一种场景图谱合一的技术,在战场侦察中得到了迅速应用。超光谱成像系统的标定是确定其输出准确数值的过程。分析了一种基于背照减薄CCD和凹面光栅成像光谱部件的UV/Vis/NIR超光谱军用探测系统,其光谱分辨力为3.3 nm;探讨了0.25～1.1μm工作波段内超光谱成像系统的标定和评估方法,详细介绍了以带有测试靶均匀辐射源为对象的空间成像质量评估、以激光和Hg灯为基础的光谱质量评估以及利用高精度标准辐射源的辐射性能标定。在经过多步辐射校正和光谱真实性检测验证后,最终获得的景物反射率光谱曲线真实反映了光谱特性,满足了0.2mrad的空间分辨力和±0.5％色散线性率的精度要求并在军用探测系统中进行了反伪装的成功应用。     

Hyperspectral image fusion based on sparse constraint NMF

The spatial resolution of hyperspectral image is often low due to the limitation of the imaging spectrometer. Fusing the original hyperspectral image with high-spatial-resolution panchromatic image is an effective approach to enhance the resolution of hyperspectral image. However, it is hard to preserve the spectral information at the same time of enhancing the resolution by the traditional fusion methods. In this paper, we proposed a fusion method based on the spectral unmixing model called sparse constraint nonnegative matrix factorization (SCNMF). This method has a superior balance of the spectral preservation and the spatial enhancement over some traditional fusion methods. In addition, the added sparse prior and NMF based unmixing model make the fusion more stable and physically reasonable. This method first decomposes the hyperspectral image into an endmember-matrix and an abundance-matrix, then sharpens the abundance-matrix with the panchromatic image, finally obtains the fused image by solving the spectral constraint optimization problem. The experiments on both synthetic and real data show the effectiveness of the proposed method.