原子荧光光谱法对果园土壤中砷和汞空间分布特征的研究

利用王水消解—双道原子荧光光谱法测定了山东省苹果主产区栖霞市果园土壤中的As和Hg含量,验证了检测方法的检出限、准确度与精密度,分析了栖霞市果园土壤中重金属As和Hg的空间分布特征,并对栖霞市果园土壤中As和Hg的污染状况进行评价。结果表明：栖霞市果园土壤中As的含量范围为2.79～20.93 mg·kg-1,平均值为10.59 mg·kg-1,而Hg的含量范围为0.01～0.79 mg·kg-1,平均值为0.12 mg·kg-1。As元素在土壤中变异较小,而Hg元素在土壤中变异较大。频数分布图显示,土壤中As元素含量基本符合正态分布,含量大多在7～15 mg·kg-1之间,土壤中Hg元素含量不符合正态分布,含量大多在0.03～ 0.21 mg·kg-1之间。土壤As和Hg含量与土壤各养分指标之间的相关性均不显著,且土壤中As和Hg两种元素之间亦无显著的相关关系。以国家绿色食品产地环境质量标准为评价依据,栖霞市果园土壤As含量处于无污染的清洁水平,而土壤Hg的污染指数大于1的样点占总数的4.76%,需要引起管理者的注意。     

基于高光谱的苹果花氮素含量预测模型研究

苹果花氮素含量是反映其质量高低的重要因素,利用高光谱技术对苹果花氮素含量进行定量化反演,可为苹果信息化管理提供理论依据。在室内条件下,利用ASD FieldSpec 3地物光谱仪,测定了120个盛花期苹果花样品的高光谱反射率,并化验了其氮素含量。在分析苹果花原始光谱和一阶导数光谱特征的基础上,与其氮素含量进行相关分析,确定敏感波段,构建特征光谱参数,建立氮素含量预测模型,对模型进行了优选和检验。结果表明,苹果花氮素含量与原始光谱反射率在374～696,1 340～1 890,2 052～2 433 nm波段呈极显著负相关,在736～913 nm呈极显著正相关;与一阶导数光谱反射率在637～675 nm呈极显著负相关,在676～746 nm呈极显著正相关。构建的6个特征光谱参数与苹果花氮素含量均呈极显著相关。通过进一步比较和筛选,确定了基于640 nm和676 nm原始光谱反射率的2个苹果花氮素含量最佳预测模型。经检验,模型决定系数R2分别为0.825 8和0.893 6,平均预测精度达92.9%和94%。研究成果为快速预测苹果花氮素含量及苹果的实时营养诊断提供了理论依据和技术支撑。     

基于SVM与RF的苹果树冠LAI高光谱估测

叶面积指数(leaf area index,LAI)是反映作物群体大小的较好的动态指标。运用高光谱技术快速、无损地估测苹果树冠叶面积指数,为监测苹果树长势和估产提供参考。以盛果期红富士苹果树为研究对象,采用ASD地物光谱仪和LAI-2200冠层分析仪,在山东省烟台栖霞研究区,连续2年测量了30个果园90棵苹果树冠层光谱反射率及LAI值;通过相关性分析方法构建并筛选出了最优的植被指数;利用支持向量机(support vector machine, SVM)与随机森林(random forests, RF)多元回归分析方法构建了LAI估测模型。新建的GNDVI₅₂₇,NDVI₆₇₆,RVI₆₈₂,FD-NVI₆₅₆和GRVI₅₁₇五个植被指数及前人建立的两个植被指数NDVI₆₇₀和NDVI₇₀₅与LAI的相关性都达到了极显著水平;建立的RF回归模型中,校正集决定系数C-R2和验证集决定系数V-R2为0.920,0.889,分别比SVM回归模型提高了0.045和0.033,校正集均方根误差C-RMSE、验证集均方根误差V-RMSE为0.249,0.236,分别比SVM回归模型降低了0.054和0.058, 校正集相对分析误C-RPD、验证集相对分析误V-RPD达到了3.363和2.520,分别比SVM回归模型提高了0.598和0.262,校正集及验证集的实测值与预测值散点图趋势线的斜率C-S和V-S都接近于1,RF回归模型的估测效果优于SVM。RF多元回归模型适合盛果期红富士苹果树LAI的估测。     

苹果花期冠层光谱探测的规范化技术方法探讨

2008年和2009年,针对苹果花期冠层光谱进行了不同天气条件、不同探测时间、不同探头高度、不同探测角度条件下的冠层反射光谱探测试验,分析其对苹果花期冠层光谱特性的影响,探索规范化的光谱探测技术方法。结果表明,苹果花期冠层在不同条件下的反射光谱响应呈现出一定的规律性,特别是在760～1 350 nm近红外波段表现尤为明显。研究发现,随着光照强度的减弱,冠层光谱反射率降低,在晴天和少云时探测冠层光谱较理想;风速在2级以下时,冠层光谱较稳定;在10:00～15:00测定冠层光谱差异较小;探测高度以整个苹果树冠层充满光谱仪探头视场时光谱曲线较稳定;探头以垂直或近似垂直观测为最佳。在此基础上,提出了苹果花期冠层光谱探测的规范化技术方法,为苹果冠层光谱探测及信息提取提供了科学依据。     

基于模糊识别的苹果花期冠层钾素含量高光谱估测

依据2008年和2009年2年在栖霞试验区利用地物光谱仪ASD FieldSpec3测定的苹果花期冠层高光谱和实验室内测定的钾素含量数据,以冠层高光谱反射率及其11变换形式与钾素含量分别进行相关分析,以相关系数最大者为自变量,采用模糊识别算法,建立钾素含量估测模型;以2008年的检验样本对模型进行检验,并利用2009的独立试验数据对模型进行验证。结果表明,原始光谱反射率(R)及其倒数(1/R)、对数(lgR)、平方根(R1/2)与钾素含量的相关性较差,但它们的一阶微分和二阶微分与钾素含量之间的相关性明显增强;建立的钾素含量估测模型=11.344 5h+1.309 7的相关系数r为0.985 1,总均方根差RMSE为0.355 7,F统计量为3 085.6;24个检验样本实测值与估测值的平均相对误差为9.8%,估测精度为90.2%;2009年试验验证精度达到了83.3%。表明模型用于苹果花期冠层钾素含量的估测具有较高的稳定性,模型精度能满足生产上对苹果钾素含量估测的要求。     

利用高光谱植被指数估测苹果树冠层叶绿素含量

叶绿素含量是反映植物生长状况的重要参数。利用ASD FieldSpec 3光谱仪,测定春梢停止生长期苹果冠层高光谱反射率,对原始光谱进行微分变换,与苹果叶绿素含量进行相关分析确定敏感波段,通过分析敏感区域400～1 350 nm范围内所有两波段组合的植被指数,选择最佳植被指数并建立苹果冠层叶绿素含量估测模型。结果表明：(1)苹果冠层叶绿素含量的敏感波段区域为400～1 350 nm。(2)利用筛选得到的植被指数CCI(D₇₉₄/D₇₆₃)构建的估测模型能较好的估测苹果冠层叶绿素含量。(3)以CCI(D₇₉₄/D₇₆₃)指数为自变量的估测模型CCC=6.409+1.89R3+1.587R2-7.779R预测效果最佳。因此,利用高光谱技术能够较快速、精确的对苹果冠层叶绿素含量进行定量化反演,为苹果长势的遥感监测提供理论依据。     

苹果花期的冠层高光谱特征研究

系统分析苹果花期冠层高光谱特征,探明其敏感光谱波段,为大面积苹果树信息提取与营养状况的遥感反演等提供理论依据。利用ASD Field Spec 3便携式地物光谱仪实测的120个苹果花期的冠层高光谱数据,在分析了不同累计样本容量对花期冠层高光谱特征影响的基础上,采用方差分析的方法,明确了苹果花期的冠层高光谱特征及反映花期冠层高光谱的敏感波段。结果表明,随着累计样本容量的增加,苹果花期的高光谱曲线趋于稳定、平滑。在550 nm绿峰处和760～1 300 nm的反射高原区,反射率随着花量的增多而减小,在670 nm的红谷处,反射率随着花量的增多而增大;在350～400 nm,400～500 nm,600～680 nm,760～1 300 nm波段的方差分析结果极显著,是反映花期冠层光谱的敏感波段;随着花量的增多,红边位置、红边斜率和红边面积有逐渐减小的趋势。