光谱技术结合BiPLS-GA-SPA和ELM算法的生菜冠层氮素含量检测研究

氮素是影响生菜产量和品质的重要因素,光谱技术是检测作物氮素含量最有效的手段之一。通过获取不同氮素水平下生菜冠层的反射光谱,对其进行FDSGF（first-order derivative based savitzky-golay filt）滤波后,利用后向区间偏最小二乘算法（BiPLS）、遗传算法（GA）及连续投影算法（SPA）对特征波长进行梯度提取,最终从2 151个波长点中提取了8个与生菜氮素最为相关的特征波长。分别利用多元线性回归（MLR）、径向基函数神经网络（RBFNN）及极限学习机（ELM）三种算法建立了基于特征波段或特征波长的8个生菜冠层氮素含量检测模型。结果表明： BiPLS-GA-SPA-ELM模型（RMSEC=0.241 6%,R_c=0.934 6,RMSEP=0.284 2%,R_p=0.921 8）的预测结果优于其他模型,为指导合理施肥和开发便携式仪器提供了理论基础。     

基于高光谱图像的生菜叶片氮素含量预测模型研究

为了便于更经济合理地为作物施肥,建立一种无损检测作物氮营养元素的高光谱图像模型。本实验以生菜为研究对象,无土栽培各氮素水平的生菜叶样本,在莲座期,采集生菜叶片样本的高光谱图像(390~1050 nm),同时采用凯氏定氮法测定对应生菜叶片样本的全氮含量。通过ENVI软件提取出生菜叶片中感兴趣区域的平均光谱作为该样本原始光谱信息,分别使用平滑处理(Smoothing)、多元散射矫正(MSC)、标准正态变量变换结合去趋势(SNV detrending)、一阶导数法(First derivative)、二阶导数法(Second derivative)、正交信号矫正(OSC)等预处理方法对样本原始光谱进行处理,然后利用偏最小二乘回归法(Partial least squares regression,PLSR)分别建立样本全波段光谱信息与氮含量的关系模型,研究各预处理方法对氮含量模型的影响,结果表明,使用OSC预处理的模型效果最好。为了简化模型,根据OSC预处理光谱后的模型的PLSR回归系数优选出敏感波长,利用训练集中样本的敏感波长光谱信息与氮含量数据重新构建PLSR回归模型,并利用测试集样本进行测试试验。结果表明,该模型得到校正集和预测集的决定系数(R2p)分别为0.89,0.81;均方根误差RMSEC,RMSEP分别为0.33,0.45。该回归模型大大降低了自变量个数,简化了模型,并且取得了较优的效果,这为生菜氮素含量预测提供了一种新的快速有效方法。     

基于高光谱图像的生菜叶片水分预测研究

为了便于生菜合理施水管理,力求构建生菜叶片水分检测模型。采集生菜叶片获取高光谱图像并同时测量叶片含水率,分析高光谱图像寻求生菜叶片水分特征波段,处理特征波段处的波段图像,求取生菜叶片水分的图像特征,并通过相关性分析筛选出其中与水分相关性高的图像特征。由于图像特征之间存在可能的相关性,利用偏最小二乘PLS提取图像特征的主成分,作为具有回归预测能力的BP神经网络的输入,构建PLS-ANN模型。同时分别利用BP神经网络、传统的多元回归方法MLR建模,采用相同的样本数据分别对三种模型进行预测试验,结果表明,发棵期的PLS-ANN网络模型的生菜叶片水分预测平均误差率达到9.323%,比BP-ANN和MLR预测模型均有了改善。