重金属污染水稻的冠层反射光谱特征研究

利用野外光谱仪获取矿区农田重金属污染水稻的冠层反射光谱,通过曲线模拟和统计分析提取了与水稻冠层叶片重金属含量变化极显著相关的光谱敏感波段(Pb, 460 nm;Zn, 560 nm;Cu, 660 nm;As, 1 100 nm)、归一化植被指数(Pb, NDVI_{(510, 810)};Zn, NDVI_{(510, 870)};Cu, NDVI_{(660, 870)};As, NDVI_{(510, 810)})和“红边”位置等水稻冠层反射光谱特征。表明水稻重金属污染可以被地面遥感传感器快速检测,其浓度变化与所提取的光谱特征之间存在极显著相关,归一化植被指数与“红边”位置对光谱信息的表达要优于敏感波段。归一化植被指数以及“红边”位置可以作为水稻重金属污染遥感监测模型的光谱特征参数选择参考。同时,文章提出了利用遥感技术监测水稻重金属污染的“光谱临界值”概念, 并计算出研究中各重金属对应的“光谱临界值”。     

倒伏胁迫对水稻可视茎叶穗比率的影响及光谱响应解析

倒伏胁迫下作物的冠层光谱响应机理解析,是大范围作物倒伏灾情遥感监测的重要基础。倒伏胁迫直接改变了遥感光谱探测视场内的可视茎叶穗比率,通过解析冠层光谱与可视茎叶穗比率间的关系,探索不同强度的倒伏胁迫下水稻可视茎叶穗组分变化规律及其与冠层光谱响应规律,为大范围作物倒伏灾情遥感监测提供理论支持。以2017年江苏省兴化市、大丰区的实发倒伏水稻为研究对象,在野外观测实验的支持下,分析不同倒伏强度的倒伏水稻冠层光谱变化规律,并对不同倒伏强度下的冠层可视茎叶穗比率与倒伏角度进行相关性分析,筛选能有效表征倒伏强度的敏感农学参数,采用灰色关联分析法构建倒伏水稻冠层光谱指标与敏感农学参数之间的响应模型,实现水稻倒伏灾情的光谱诊断,并利用野外实测样本评价诊断精度。研究结果表明,随着倒伏强度的加大,冠层光谱表现出规律性变化,红光波段与近红外波段响应较为明显,“红边”位置明显“蓝移”,且“红边”振幅与“红边”面积增大,说明红光波段和近红外波段对水稻倒伏胁迫强度较为敏感;冠层可视叶茎比存在随倒伏强度增加而减少的规律,其相关性可达0.715,说明倒伏后的水稻冠层可视叶茎比对于倒伏强度有着较好的表征能力;通过对可视叶茎比与冠层高光谱反射率进行相关性分析,分别于红光波段和近红外波段内筛选出698与1 132 nm作为敏感波段,进而计算特征植被指数;利用灰色关联分析构建了基于特征植被指数的水稻可视叶茎比光谱响应模型,检验样本的决定系数为0.635,以可视叶茎比预测结果进行倒伏灾情等级划分的精度达到82%。因此,倒伏发生后水稻冠层的茎、叶、穗等组分在光谱探测器视场中的贡献比例发生了规律性改变,茎、叶、穗本身光谱反射率差异和视场内比率差异直接反映于倒伏水稻冠层光谱差异,其中可视叶茎比能有效表征受倒伏胁迫的水稻群体结构变化,与倒伏强度具有较好的响应关系,不同倒伏强度的可视叶茎比与水稻冠层光谱之间的响应规律可以有效区分倒伏灾情等级,有助于为区域尺度的水稻倒伏灾情遥感监测提供先验知识。     

利用地表土壤的反射光谱勘探油气的方法研究

反射光谱分析提供了一种高效和低成本的鉴别物质成分和结构的方法,油气微渗漏理论则建立了油气藏与其上部地表特定蚀变之间的因果关系,因此,可以通过检测地表蚀变的反射光谱来勘探油气。野外实地测量和高光谱遥感均能够实现反射光谱的检测。文章首先提出了典型含气区测点的光谱曲线的宏观特征;然后,给出了一种基于野外测量的反射光谱来确定特定蚀变的地表分布(即分类)的方法。将本方法应用于青海××地区野外测量的反射光谱的分析中,得到的蚀变异常区与该地区的已有气田成功吻合。本方法的鲁棒性实验表明,当分类过程中选用不同的参数组合(例如：分类样本,研究波段范围和相似度阈值)时,均能得到较好的分类结果。为该地区进行中的Hyperion高光谱遥感油气勘探项目提供了有效的分类样本和参考算法。     

基于双波段植被指数(TBVI)的柑橘冠层含氮量预测及可视化研究

氮素(nitrogen,N)是果树生长发育的必需重要元素,及时准确地无损检测果树的氮素水平对果实增产、合理施肥以及减少环境污染等具有重要意义。研究了基于高光谱成像技术进行柑橘冠层含氮量预测及可视化的可行性。实验采用高光谱成像光谱仪ImSpector V10E(Spectral imaging Ltd.,Oulu,Finland)分别采集柑橘叶片实验室样本和野外整个植株冠层的高光谱图像。利用ENVI软件提取每个叶片样本感兴趣区域(ROI)的平均光谱数据作为整个样本的光谱数据进行分析,同时采用杜马斯燃烧法快速定氮仪(ElementarAnalytical, Germany)测定叶片样本的含氮量。通过简单相关分析和双波段植被指数(TBVI)的获取,建立基于光谱数据的含氮量预测模型。计算表明,基于811和856 nm的双波段植被指数(TBVI)能够建立最佳的柑橘叶片含氮量预测模型(R2=0.607 1)。在此基础上,计算上述TBVI的冠层图像,把基于该TBVI的含氮量预测模型导入到TBVI图像中计算生成冠层含氮量的预测分布图。图中直观地显示柑橘嫩叶、中叶、老叶的含氮水平从高到低分布,实现了冠层含氮量的可视化。结果表明,利用高光谱成像技术可以实现柑橘冠层氮素水平的检测和诊断,这为实施基于每颗果树信息的变量施肥技术提供了参考信息。     

考虑水分光谱吸收特征的水稻叶片SPAD预测模型

叶绿素是植被光合作用的重要色素,传统实验室方法测定叶绿素含量需破坏性取样且操作复杂。通过构建高精度SPAD光谱估算模型,可以实现对水稻叶片叶绿素含量的实时无损监测。以黑龙江省不同施氮水平下水稻为研究对象,采用SVC HR768i型光谱辐射仪共获取移栽后、分蘖期、拔节期、孕穗期、抽穗期共五个关键时期水稻叶片反射光谱数据。光谱探测范围350~2 500 nm。利用自带光源型手持叶片光谱探测器直接测定叶片光谱,光源为内置卤素灯。采用SPAD-502型手持式叶绿素仪同步测定水稻叶片的SPAD值。叶片水分是植物光合作用的基本原料,也间接影响着叶绿素含量。叶片含水量降低则会影响植物正常的光合作用,导致其叶绿素含量随之降低。因此将叶绿素敏感波段与水分吸收范围结合作为SPAD估算的输入量。随机森林模型是一个基于多个分类树的算法。算法在采样的过程中包括两个完全随机的过程,一是有放回抽样,可能会得到重复的样本,二是选取自变量是随机的。因此本文对叶片光谱反射率进行去包络线（CR）处理,综合考虑可见光近红外波段提取水稻叶片反射光谱特征参数和植被指数,综合分析光谱指标与SPAD相关关系,采用随机森林算法构建不同输入量的SPAD高光谱估算模型。结果表明: （1）水稻叶片SPAD与光谱反射率的相关系数在叶绿素敏感波段红波段范围（600～690 nm）、红边范围（720~760 nm）、水分吸收波段范围（1 400~1 490和1 900~1 980 nm）均为0.75以上;（2）在光谱参数与SPAD 的相关分析中,NDVI,DP2与水稻叶片SPAD值相关性最好,相关系数为0.811和0.808;（3）以结合水分光谱信息后的CR_{(V1, V2, V3, V4)}为自变量所建立的随机森林模型精度最高,R2为0.715,RMSE为2.646,可作为水稻叶片叶绿素预测模型。研究结果揭示了不同品种水稻的光谱响应机制,提供了水稻叶片SPAD值高精度反演的技术方法,为监测与调控东北地区水稻正常生育进程提供技术支持。     

叶片茸毛对叶片反射光谱及高光谱植被指数的影响研究

很多高光谱植被指数被用于对植被的生化物质含量进行非破坏性的估计与反演。由于这些指数都是利用不同波段的反射率计算而得到的,因而对叶片反射具有很大影响的茸毛等叶表结构对这些植被指数的反演精度的影响不容忽视。本研究发现去茸毛处理使得在400～1 000nm范围的的光谱反射都有所下降,但在各个波段的变化并不均匀。通过对比39个现有的高光谱植被指数在经过去茸毛处理前后的变化,发现一些只单独利用可见光或者近红外波段的高光谱植被指数,如CTR1:R695/R420,D740/D720,WBI:R900/R970,R860/(R550×R708)以及红边指数(REP)比大多数既使用可见光又使用近红外波段的高光谱植被指数受茸毛变化影响小,它们对茸毛的低敏感性可以使其在进行植被生化物质反演时更具有普适性。     

基于不同植被指数的植被-土壤混合像元高光谱偏振信息与模型研究

高光谱遥感被越来越多的应用于确定混合像元的地物组分和比例。将不同面积比例的植被-土壤混合像元作为研究对象,使用偏振装置和 ASD FieldSpec3 光谱仪得到植被-土壤组成的混合像元的偏振反射光谱曲线,计算得到八种植被指数值,讨论不同面积比例,不同偏振角度下植被-土壤混合像元的高光谱偏振特性。研究发现,随着叶片占混合像元面积比例的增大,植被-土壤光谱曲线越来越明显地表现出植被光谱“五谷四峰”的特性,且峰值与谷底的位置与植被光谱基本相同。偏振角越大,混合像元的光谱偏振反射比越大;混合像元条件下,植被所占混合像元的面积比例越大,光谱受偏振角的影响越大。各植被指数与混合像元中植被面积大小呈线性关系,其中植被衰减指数和改进红边归一化植被指数的相关系数最大,可以达到98%左右,适合用于建立植被指数与植被占混合像元面积比例之间的相关模型。在植被面积发生变化时,改进红边比值植被指数的灵敏性更好。在利用光谱吸收特征参数进行植被指数估算时,发现吸收谷深度与光化学植被指数的二次函数模型拟合度最强,决定系数R2为0.963 3;光谱吸收指数与光化学植被指数的二次函数模型拟合度最强,决定系数R2为0.960 5。     

ANFIS在植被叶绿素含量高光谱反演中的应用

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、毛白杨叶片的高光谱反射率与叶片绿度,建立了10个常见植被指数叶绿素含量估算模型,并采用相关系数较大波段作为BP人工神经网络模型(ANN-BP)的输入变量进行了叶绿素含量的估算,将自适应神经模糊推理系统(ANFIS)应用到植被叶绿素含量高光谱反演中。结果表明:10个常见植被指数中归一化植被指数可以较为精确反演叶绿素含量,法国梧桐、毛白杨归一化植被指数回归模型确定性系数R2分别为0.795 7和0.754 6,法国梧桐、毛白杨ANN-BP预测值与实测值之间的线性回归的确定性系数R2分别为0.935 2和0.917 1,ANFIS可以大大提高反演精度,法国梧桐、毛白杨预测值与实测值之间的线性回归的确定性系数R2分别为0.9998和0.995 6,是一种良好的植被叶绿素含量高光谱反演模式。     

星载成像高光谱的湿地景观光谱特征分析

光谱特征是地物的固有属性,分析地物光谱不仅有助于提高地物识别精度,也是定量遥感研究的基础。然而受限于尺度效应,近地空间采集的光谱与遥感像元尺度的光谱往往差异较大。因此,在遥感像元尺度上揭示湿地典型景观地类的光谱特征,将有助于大尺度湿地遥感分类和植被参数反演精度的提高。以华北平原典型的草型湖泊湿地南阳湖为对象,基于EO-1 Hyperion星载成像高光谱数据,提取荷田、芦苇地、林地、水田、旱地、建筑用地、河道和湖泊鱼塘等8类湿地景观的反射率,并进行光谱一阶导数变换,同时计算多种高光谱植被指数,定量分析景观尺度上湿地地物的光谱特征。结果表明：（1）8种湿地景观地物反射率光谱差异明显,其中5种不同植被景观也存在差异。荷田反射率在全波段明显高于其他景观地类,荷田的绿波段反射峰和红波段吸收谷最明显。芦苇地与水田在可见光和红边区域具有相似的反射光谱特征,水田与旱地反射光谱曲线不同,且水田的绿峰明显高于旱地。（2）8种景观在蓝边、黄边及红边处的一阶导数光谱差异明显,尤以红边处最显著。荷田的红边斜率最大且红边位置明显蓝移（712 nm）,说明其叶绿素含量高,健康状况最好。林地的红边斜率次之,但红边位置明显红移（722 nm）。（3）林地具有最大的植被指数,水体和建筑用地植被指数均较低,其他景观地类居中。芦苇地、水田、旱地和荷田在大多数与归一化植被指数（NDVI）相关的指数中差异不明显,仅在增强型植被指数（EVI）和红边叶绿素指数（Chlorophyll Index RedEdge 710）中存在较明显差异,说明这两个指数能够更有效地指示湿地植被类型之间绿度和覆盖度的差异。该研究对于草型湖泊湿地景观地物高精度分类及其植被参数的遥感反演具有借鉴意义。     

尘埃影响下的植被指数修正研究

植被指数是表征植被覆盖,生长状况简单有效的度量参数。本文以城市绿化主要植被大叶黄杨为例,研究叶片滞尘对植被指数的影响,并构建植被指数修正模型对植被指数进行修正优化,提高植被指数的测量精度。研究选取北京城区为研究区,采集20个采样点的200个叶片样本,利用电子分析天平、ASD高光谱辐射仪及Win FOLIA叶面积仪,分别获取叶片尘埃量、光谱信息、叶面积等数据。通过对比分析样本叶片除尘前、后光谱特征及NDVI、NDWI、NDNI、NDII、CAI、PRI植被指数分布特征差异,结合单位滞尘量与光谱数据,构建植被指数修正模型,并对修正模型进行精度检验。结果表明：大叶黄杨叶片在除尘前与除尘后的光谱曲线均表现出典型的植被光谱特征,且蓝边、红边均出现在520和705 nm处,然而在350～700,750～1 350,1 500～1 850,1 900～2 100 nm波段范围内,滞尘对叶片光谱反射率影响显著,同时对植被指数也有较大影响;通过对滞尘量定量的研究分析发现,当尘埃质量增加时, NDVI和PRI植被指数与尘埃量的线性关系变弱,而NDWI,NDII,CAI植被指数与尘埃量依然保持明显的线性关系。修正模型NDVI,NDII,CAI,PRI精度验证决定系数(R2)分别为0.547,0.430,0.653,0.960,RMSE分别为0.035,0.020,0.112,0.009。研究结果表明对以后利用植被指数进行大面积植被反演、评估时,根据滞尘量影响进行修正优化,提高反演精度有一定参考意义。     

激光诱导击穿光谱的自组织特征映射结合相关判别对天然地质样品分类方法研究

激光诱导击穿光谱技术具有微损、原位、快速分析的特点,在样品分类识别、成分分析等领域有广阔的应用前景。为探索该技术在天然地质样品识别应用的可行性,提出了一种自组织特征映射神经网络结合相关判别对天然地质样品LIBS光谱分类识别的方法。为减小全谱中背景噪声等不相关数据干扰、降低计算量,在元素谱线归属的基础上进行了特征谱线提取,实现了高维光谱数据的降维。以特征谱数据为输入建立网络训练模型,得到具有输入样本特征的权向量,通过权向量与待测样本进行相关分析可以实现样品分类。对16种天然地质样品的分类算法实验证明,在全谱、主成分降维和特征谱段三种数据处理方法中,特征谱的降维和提取LIBS数据主特征效果最优。改进的SOM网络结合相关判别算法比支持向量机方法和直接应用SOM网络方法的分类准确度更高,初步证实了该方法的有效性。     

船尾伴流场-导管-螺旋桨互作用噪声预报研究

研究了导管螺旋桨低频离散谱噪声辐射机理和预报方法。依据线性声学原理,导管螺旋桨噪声场为螺旋桨直接辐射噪声与导管散射噪声之和,并利用速度势面元法分析流场,得到导管螺旋桨非定常力,将其作为FW-H方程的源项,求解得到螺旋桨直接辐射声。导管散射声通过Kirchoff积分方程求解获得。由于导管桨的导管是短导管,其算例分析计算表明,低频情况下导管散射声级远小于螺旋桨直接辐射声级。并将导管螺旋桨离散谱噪声级与测量所得的实桨离散谱噪声级进行了比较,证实导管螺旋桨离散谱噪声理论预报结果能够较合理的反映实桨离散谱噪声的量值。      

基于小波变换的木材近红外光谱去噪研究

木材近红外光谱常常被一系列噪声所污染,影响光谱分析结果。为了提高近红外光谱分析精度,需要对光谱数据进行预处理。光谱导数可以消除光谱背景干扰和基线漂移等因素影响,提高光谱分辨率,但导数光谱在增强信号的同时,也使信号噪声得到增强。应用小波变换对杉木木材近红外一阶导数光谱进行去噪研究,分别采用9点平滑法、25点平滑法、非线性小波硬阈值和软阈值法、9点平滑+小波变换法和25点平滑+小波变换法对光谱数据进行去噪研究。结果显示, 小波变换能够有效去除导数光谱中的噪声信号,保留光谱中的有效信息,提高光谱信噪比,提高光谱的分析能力,在木材近红外光谱分析中具有很好的应用前景。     

Prediction and validation of tonal noise from underwater propellers

Prediction and validation of low-frequency line spectrum noise from ship propeller under non-cavitating condition is presented.The flow field is analyzed with potential-based panel method,which requires the hydrodynamic forces to be integrated over the actual blade surface,rather than over the mean-chord surface.Then the pressure data is used as the input for Ffowcs Williams-Hawkings formulation to predict the far field acoustics.At the same time,propeller unsteady force is measured in hull-behind condition in China Large Cavitation Channel(CLCC).Line spectrum noise of the 1st blade passage frequency(BPF) of a five-bladed propeller operating in a non-uniform flow field is got according to the calculated and measured unsteady forces,in which good agreement is obtained,and the 1st BPF noise difference is within 3.0 dB.The investigation reveals that prediction precision of the propeller's 1st BPF unsteady force with panel method have reached engineering practical degree,providing significant parameters for prediction of propeller line spectrum noise.     

小波分析在汽车车灯光源色测量中CCD光谱的消噪平滑处理

本文依据小波变换原理 ,提出利用小波变换技术对汽车车灯光源色测量中实时采集的光源光谱信号进行多分辨分解 ,有效地消除噪声 ,提高了光谱的信噪比。由CCD接收的标准A光源谱进行了多层分解 ,讨论了不同小波基和分解阶次对信号分析结果的影响。选取最佳小波基 ,为光谱信号消噪平滑处理提供了较有效的数据处理方法。通过对CCD接收的光谱信号进行了消噪和平滑处理 ,解决了实时采集光谱信号在分析和数据处理上的困难 ,该研究充分体现了小波变换在数据处理方面的优势 ,在依赖于光谱信号的颜色测量领域中起重要的作用。     

基于联合偏度的高光谱图像波段选择对玉米种子分类研究

高光谱图像技术是在种子识别领域广泛应用的农产品品质无损检测方法。特征信息的充分提取和最优波段的选择是影响高光谱图像技术种子鉴选在线应用的关键因素。目的在于利用联合偏度算法选择高光谱图像的最优波段,用于开发在线的种子分级系统。论文利用高光谱图像采集系统获取10类共960粒玉米种子在438～1 000 nm(共219个波段)波段范围内的高光谱图像,并提取了种子高光谱图像的平均光谱、图像熵特征。利用联合偏度算法选择了高光谱图像的最优波段,分别建立了基于平均光谱、图像熵、平均光谱和图像熵联合特征条件下的支持向量机种子分类模型,比较不同特征下分类模型的识别精度。实验结果表明：无论是全波段分类模型,还是建立在最优波段基础上的分类模型,利用平均光谱和图像熵联合特征获得的分类精度均高于平均光谱和图像熵两种单一特征模型。在10个最优波段条件下,联合特征分类模型的识别精度达到了96.28%,比光谱均值和图像熵的识别精度分别提高了4.30%和20.38%,也高于全波段联合特征识别模型的93.47%。利用联合特征建立玉米种子分类模型时,基于联合偏度的波段选择算法的分类精度要高于无信息变量消除法、连续投影算法和竞争性自适应重加权算法。该研究为种子高光谱图像识别技术的在线运用提供了可行的途径。     

受激拉曼增益介质中的量子噪声特性研究

研究了三能级原子系综与相干控制场以及量子探测场的相互作用下的受激拉曼系统.运用量子理论推导出了该受激拉曼系统中由于量子场真空涨落引起的量子噪声以及受激散射的量子化光场噪声谱,并且数值计算了注入拥有非经典涨落的量子探测场,真空涨落所引起的量子噪声谱. 关键词： 受激拉曼增益 量子噪声 噪声谱     

海面波浪谱对深海低频环境噪声的影响

提出了一种适用于深海低频环境噪声的波浪谱,通过声压谱和波浪谱的理论关系,分析了深海低频噪声在百赫兹以下的谱特征,解释了不同频段噪声谱的主要产生机理。将深海传播条件下海面波浪谱与海面风速相结合,利用波浪发声理论得到一种低频海洋环境噪声理论表示方法。仿真结果表明,波浪谱决定着辐射噪声谱的强度和斜率,本模型得到的理论噪声谱可以对低频海洋环境噪声进行预报。2016年的深海实验观测数据分析显示,统计的环境噪声谱级在1 Hz至100 Hz频段范围内大于70 dB,并且噪声谱在低频段呈倒“N”型,在34 Hz处为噪声谱的谷值,噪声级为70 dB,在50 Hz处为噪声谱的峰值,噪声级为92 dB,通过理论计算和实验对比,相关系数为0.95,理论结果和实验测量对比结果符合较好。      

提升小波变换与中值滤波结合的红外光谱消噪

在光谱数据的定量分析中,噪声的存在常常会影响结果的准确性。为提高红外光谱分析精度,需要对光谱数据进行去噪处理。将一种光滑阈值函数和一种分层阈值选取方法应用到提升小波域光谱信号的去噪处理中,并对提升小波重构信号进行中值滤波。对某小麦品种的实测光谱信号,添加信噪比为21.17 dB的噪声后采用该方法进行去噪处理,并利用信噪比(SNR)、均方根误差(RMSE)、峰值平均相对误差(AREPV)以及峰位平均误差(AEPP)四项指标对去噪效果进行评价。结果表明,与软阈值法与硬阈值法相比,该方法能更有效地去除光谱信号中的噪声,保留光谱中的有用信息,提高光谱信噪比,降低均方根误差、峰值平均相对误差以及峰位平均误差,提高光谱的分析能力。     

The effects of the ocean surface wave spectrum on low frequency ambient noise in deep water

An ocean surface wave spectrum which is used for low frequency ambient noise in deep water is proposed. It explains the mechanism of low frequency ambient noise from the theoretical relation between the spectrum of sound pressure and wave. Combining the surface wave spectrum and local wind speed in deep water, a theoretical expression of low frequency ambient noise is obtained with wave generated noise theory. Simulation results show that the wave spectrum is crucial to the intensity and the spectral slope of radiated noise spectrum,and the theoretical noise spectrum could be used to predict the ambient noise in deep water.The predicting results axe verified through the experimental data recorded by an ocean bottom seismometer that was deployed on the floor of deep water in April 2016. It is observed that the statistical noise levels from the experimental data for frequencies from 1 Hz to 100 Hz are larger than 70 dB, and the low frequency ambient noise spectrum follows the shape of inverted"N",the valley of noise spectrum is at 3-4 Hz, and the noise intensity is 70 dB. The peak of noise spectrum is at 50 Hz, and the noise intensity is 92 dB. The correlation coefficient is 0.95 between the model spectrum and measured data.