基于高光谱的夏玉米冠层SPAD值估算模型的确定方法技术

本发明专利技术公开了一种基于高光谱的夏玉米冠层SPAD值估测模型的确定方法，通过对植株冠层高光谱和植株冠层叶片SPAD值等数据监测与分析，建立夏玉米冠层SPAD值与敏感波段、光谱指数之间的定量关系模型，通过小型蒸渗仪试验分析不同SPAD值下夏玉米植株冠层光谱反射率的变化特征，确定夏玉米植株冠层原始光谱及其一阶微分与冠层SPAD值的响应关系，筛选出在全生育期监测夏玉米冠层SPAD值的敏感波段与最优光谱指数，以促进高光谱技术在夏玉米水肥精准管理以及快速、无损长势监测中的应用。

【技术实现步骤摘要】
基于高光谱的夏玉米冠层SPAD值估算模型的确定方法
本专利技术属于农林业
，具体涉及一种基于高光谱的夏玉米冠层SPAD(“土壤作物分析仪器开发”的缩写，SoilandPlantAnalyzerDevelopment)值估算模型的确定方法。
技术介绍
叶绿素含量是植物生长过程中一个重要的生化参数，对植被光合能力、发育阶段以及营养状况具有指示作用。相比于传统的叶绿素测定方法，高光谱遥感具有高分辨率光谱信息，能够分辨作物冠层光谱信息的微弱变化，因此可以快速、无损地实现对作物生长及营养状况的监测。但基于叶片尺度的叶绿素含量仅表征单株植物信息，而遥感获取的信息则对应冠层的叶绿素含量。因此实时观测作物冠层叶绿素含量的变化对作物长势监测、施肥调控与产量评估具有重要意义。高光谱遥感从20世纪末开始应用于作物领域，在小麦、棉花、水稻、大豆、玉米等作物叶绿素含量监测方面已经开展了相关研究，分析了植株叶绿素含量与光谱反射率之间的相关性，建立了监测叶绿素含量的光谱指数。现有相关研究中，第一种方案中通过研究发现玉米叶片SPAD值与原始光谱及其一阶导数相关性最大处的波段位置在不同年份之间基本不变；第二种方案中发现光谱参数RVI(660,717)和NDVI(610,460)可以较好的估测水稻色素含量；第三种方案中指出以LCI、DSI(678,717)和DSI(549,678)为基础构建的预测模型可以准确预测玉米穗位叶SPAD值；第四种方案中通过研究小麦光谱反射率与叶绿素密度的相关性指出敏感波段位于红光光谱范围内；还有一种方案是采用统一的光谱指数来估算小麦叶绿素含量，并建立的叶绿素含量估测模型。目前已开展的研究主要是利用光谱估算叶绿素含量的可行性及其基本方法，关于夏玉米虽然也有一些简单研究，但还没有建立一个通用且精度较高的夏玉米冠层叶绿素含量估算模型。
技术实现思路
针对现有技术中的上述不足，本专利技术提供的基于高光谱的夏玉米冠层SPAD值估算模型的确定方法实现了利用高光谱技术更准确快捷估测夏玉米冠层SPAD值。为了达到上述专利技术目的，本专利技术采用的技术方案为：一种基于高光谱的夏玉米冠层SPAD值估算模型的确定方法，包括以下步骤：S1、采用小型蒸渗仪试验种植夏玉米，并监测夏玉米冠层的原始光谱反射率和SPAD值；S2、对原始光谱反射率进行重采样并导出，并确定其一阶微分光谱；S3、对夏玉米冠层的SPAD值分别与原始光谱反射率和一阶微分光谱进行相关性分析，确定与夏玉米SPAD值相关性最大的原始光谱反射率和一阶微分光谱所对应的光谱波段；所述原始光谱反射率和一阶微分光谱所对应的光谱波段分别为于原始光谱反射率、一阶微分光谱监测夏玉米冠层SPAD值的最敏感波段；S4、对夏玉米冠层的最敏感波段通过多元逐步回归分析法得到最优波段组合；S5、确定夏玉米冠层SPAD值最优光谱指数；S6、分别基于与SPAD值相关性最大的原始光谱反射率、一阶微分光谱、最优波段组合和最优光谱指数建立夏玉米植株冠层SPAD值估算模型；S7、通过模型评价指标对四个夏玉米植株冠层SPAD值估算模型进行检验，确定最优夏玉米SPAD值估算模型。进一步地，所述步骤S1中测量夏玉米冠层原始光谱反射率的方法具体为：通过光谱仪在夏玉米生育期内监测夏玉米冠层原始光谱反射率，监测过程中，进行标准白板校正，对每个小型蒸渗仪中的若干株夏玉米进行光谱反射率监测，然后将该若干光谱反射率的算数平均值作为该小型蒸渗仪的夏玉米冠层的原始光谱反射率；所述夏玉米冠层原始光谱反射率的监测参数设置为：光谱波段为325nm～1075nm，监测采样间隔为1nm，光谱分辨率为3nm，监测时间为每天10点～14点，光谱仪传感器探头垂直向下，光谱仪视场角为25°，距离夏玉米冠层顶垂直高度为10～20cm。进一步地，所述步骤S1中监测夏玉米冠层SPAD值的方法具体为：通过叶绿素仪在夏玉米生育期监测夏玉米冠层SPAD值，将夏玉米冠层展开的第二、三叶片作为监测样点，监测时选取叶片中部并避开叶脉，每个样点随机测量若干个SPAD值，取同一小型蒸渗仪的所有SPAD值的平均值作为该小型蒸渗仪SPAD值。进一步地，所述步骤S2具体为：通过光谱仪的处理软件将监测的原始光谱反射率数据进行重采样并导出，对原始光谱反射率数据求一阶微分，并从一阶微分光谱中提取叶片的红边、蓝边和黄边的参数，用于夏玉米冠层的SPAD值与一阶微分光谱的相关性分析；其中，采样间隔为1nm。进一步地，夏玉米生育期中的拔节期、抽雄期、灌浆期和成熟期均需在各个小型蒸渗仪中选取若干夏玉米冠层进行原始光谱反射率和SPAD值的监测。进一步地，所述步骤S3具体为：计算夏玉米冠层SPAD值与原始光谱反射率及一阶微分光谱的相关系数，确定与夏玉米SPAD值相关性最大的原始光谱反射率和一阶微分光谱所对应的光谱波段；所述相关系数r的计算公式为：式中，n为实测次数；xi为第i个夏玉米冠层的光谱反射率或一阶微分光谱；为第i个夏玉米冠层的光谱反射率的平均值或一阶微分光谱平均值；yi为第i个夏玉米冠层SPAD值；为第i个夏玉米冠层SPAD值的平均值。进一步地，所述步骤S4具体为：采用逐步回归法，对夏玉米冠层325nm～1075nm范围内的光谱反射率和SPAD值进行回归分析，得到夏玉米植株冠层的最优波段组合。进一步地，所述步骤S5具体为：以73个SPAD值光谱监测指数为基础，通过对每个SPAD值光谱监测指数与夏玉米植株冠层SPAD值进行相关性分析，根据其相关系数，确定夏玉米冠层最优光谱指数。进一步地，所述步骤S6中四个所述夏玉米植株冠层SPAD值估算模型均为二次项方程式。进一步地，所述步骤S7中的评价指标为决定系数、均方根误差和平均绝对误差。本专利技术的有益效果为：本专利技术提供的基于高光谱的夏玉米冠层SPAD值估算模型的确定方法，以夏玉米为研究对象，以手持式地物光谱仪为技术支持，对不同叶绿素含量下夏玉米冠层光谱特征进行研究，通过分析夏玉米冠层SPAD值与冠层光谱之间的相关性，确定夏玉米冠层SPAD值的光谱敏感波段及最优SPAD值估算模型。夏玉米冠层数据监测中，为小型蒸渗仪试验，对不同参数处理把握更加准确，相比于大田试验受各种因素干扰较小，获得的数据及得出的结论更加准确；本专利技术方法中针对全生育期夏玉米冠层进行研究，相比单一关键生育期数据建模，全生育期样本数据丰富，提高了估算模型的可靠性；且相比于夏玉米叶片尺度研究，冠层尺度研究所得结论对区域性研究具有重要意义。附图说明图1为本专利技术提供的实施例中基于高光谱的夏玉米层SPAD值估算模型的确定方法流程图。图2为本专利技术提供的实施例中不同施氮水平下夏玉米冠层SPAD值对比图。图3为本专利技术提供的实施例中不同施氮水平下夏玉米产量对比图。图4为本专利技术提供的实施例中不同生育中夏玉米冠层光谱特征曲线。图5为本专利技术提供的实施例中不同施氮水平下夏玉米冠层光谱特征曲线。图6为本专利技术提供的实施例中夏玉米冠层光谱反射率与SPAD值的相关系数曲线。图7为本专利技术提供的实施例中夏玉米冠层光谱反射率的一阶微分光谱与SPAD值的相关系数曲线。具体实施方式下面对本专利技术的具体实施方式进行描述，以便于本
的技术人员理解本专利技术，但应该清楚，本专利技术不限于具体实施方式的范围，对本
的普通技术人员来讲，只要本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于高光谱的夏玉米冠层SPAD值估算模型的确定方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、采用小型蒸渗仪试验种植夏玉米，并监测夏玉米冠层的原始光谱反射率和SPAD值；S2、对原始光谱反射率进行重采样并导出，并确定其一阶微分光谱；S3、对夏玉米冠层的SPAD值分别与原始光谱反射率和一阶微分光谱进行相关性分析，确定与夏玉米SPAD值相关性最大的原始光谱反射率和一阶微分光谱所对应的光谱波段；所述原始光谱反射率和一阶微分光谱所对应的光谱波段分别为原始光谱反射率、一阶微分光谱监测夏玉米冠层SPAD值的最敏感波段；S4、对夏玉米冠层的最敏感波段通过多元逐步回归分析法得到最优波段组合；S5、确定夏玉米冠层SPAD值最优光谱指数；S6、分别基于与SPAD值相关性最大的原始光谱反射率、一阶微分光谱、最优波段组合和最优光谱指数建立夏玉米植株冠层SPAD值估算模型；S7、通过模型评价指标对四个夏玉米植株冠层SPAD值估算模型进行检验，确定最优夏玉米SPAD值估算模型。

【技术特征摘要】
1.一种基于高光谱的夏玉米冠层SPAD值估算模型的确定方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、采用小型蒸渗仪试验种植夏玉米，并监测夏玉米冠层的原始光谱反射率和SPAD值；S2、对原始光谱反射率进行重采样并导出，并确定其一阶微分光谱；S3、对夏玉米冠层的SPAD值分别与原始光谱反射率和一阶微分光谱进行相关性分析，确定与夏玉米SPAD值相关性最大的原始光谱反射率和一阶微分光谱所对应的光谱波段；所述原始光谱反射率和一阶微分光谱所对应的光谱波段分别为原始光谱反射率、一阶微分光谱监测夏玉米冠层SPAD值的最敏感波段；S4、对夏玉米冠层的最敏感波段通过多元逐步回归分析法得到最优波段组合；S5、确定夏玉米冠层SPAD值最优光谱指数；S6、分别基于与SPAD值相关性最大的原始光谱反射率、一阶微分光谱、最优波段组合和最优光谱指数建立夏玉米植株冠层SPAD值估算模型；S7、通过模型评价指标对四个夏玉米植株冠层SPAD值估算模型进行检验，确定最优夏玉米SPAD值估算模型。2.根据权利要求1所述的夏玉米冠层SPAD值估算模型的确定方法，其特征在于，所述步骤S1中测量夏玉米冠层原始光谱反射率的方法具体为：通过光谱仪在夏玉米生育期内监测夏玉米冠层原始光谱反射率，监测过程中，进行标准白板校正，对每个小型蒸渗仪中的若干株夏玉米进行光谱反射率监测，然后将该若干光谱反射率的算数平均值作为该小型蒸渗仪的夏玉米冠层的原始光谱反射率；所述夏玉米冠层原始光谱反射率的监测参数设置为：光谱波段为325nm～1075nm，监测采样间隔为1nm，光谱分辨率为3nm，监测时间为每天10点～14点，光谱仪传感器探头垂直向下，光谱仪视场角为25°，距离夏玉米冠层顶垂直高度为10～20cm。3.根据权利要求1所述的夏玉米冠层SPAD值估算模型的确定方法，其特征在于，所述步骤S1中监测夏玉米冠层SPAD值的方法具体为：通过叶绿素仪在夏玉米生育期监测夏玉米冠层SPAD值，将夏玉米冠层展开的第二、三叶片作为监测样点，监测时选取叶片中部并避开叶脉，每个样点随机测量若干个SPAD值，取同一小型蒸渗仪的所有SPAD值的平均值作为该小型...

【专利技术属性】
技术研发人员：彭致功，刘露，张宝忠，魏征，韩娜娜，
申请(专利权)人：中国水利水电科学研究院，
类型：发明
国别省市：北京,11