一种构建分数阶微分光谱指数及其监测小麦条锈病的方法技术

本发明专利技术公开了一种构建分数阶微分光谱指数的方法，包括：步骤一、获取试验区各个样本小麦冠层反射率光谱数据；步骤二、确定遥感探测小麦条锈病的最优分数阶微分的阶次；步骤三、分别构建了两波段和三波段分数阶微分光谱指数；步骤四、确定用于构建分数阶微分光谱指数的分数阶次及其对应波长；步骤五、评价构建的分数阶微分光谱指数对小麦条锈病遥感探测的有效性。本发明专利技术还公开了一种利用上述指数监测小麦条锈病的方法。本发明专利技术利用分数阶次对光谱数据进行处理，能够突出光谱的细微信息，描述光谱数据间的微小差异，在一定程度上增强弱光谱的吸收特性，保留更多的有用信息，对提高小麦条锈病的遥感探测精度具有重要意义。

【技术实现步骤摘要】
一种构建分数阶微分光谱指数及其监测小麦条锈病的方法
本专利技术涉及小麦条锈病遥感监测
，具体是涉及一种构建分数阶微分光谱指数及其监测小麦条锈病的方法。
技术介绍
小麦条锈病是一种发病率高且危害范围广的气传真菌性病害，严重影响了小麦的安全生产，获取小麦条锈病的发病状况对其病害的防控具有重要意义。高光谱遥感数据能够敏感反映不同病害胁迫状况的光谱差异，为受胁迫植物的生理胁迫提供丰富的信息，被广泛用于作物病害状况的遥感探测。对反射率光谱数据进行微分处理能够增强光谱曲线在坡度上的细微变化，消除部分线性和接近线性的背景及噪声对植被光谱的影响，反映植被的本质特征。研究表明，微分光谱较原始反射率光谱对作物病害胁迫程度更为敏感，在作物病害的识别与监测中得到了广泛应用，然而整数阶微分忽略了光谱的渐变信息，在消除噪声的同时易造成信号缺失，影响了作物病害遥感探测精度。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服上述现有技术中的不足，提供了一种小麦条锈病遥感监测指数的构建方法，其利用分数阶次对光谱数据进行处理，能够突出光谱的细微信息，描述光谱数据间的微小差异，在一定程度上增强了弱光谱的吸收特性，保留了更多的有用信息。为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是：一种构建分数阶微分光谱指数的方法，其特征在于，包括下列步骤：步骤一、获取试验区各个样本小麦冠层反射率光谱数据；步骤二、以阶次间隔为0.1对各个样本的400-1000nm的光谱数据进行0-2阶分数阶微分处理，并对分数阶微分光谱与小麦条锈病病情严重度的相关性进行分析，提取各分数阶微分光谱中与病情严重度具有最大相关性的波段，确定适合遥感探测小麦条锈病的分数阶微分阶次；步骤三、以公式(1)～(6)的指数形式为基础，构造两波段分数阶微分差值指数(FDI)，分数阶微分比值指数(FRI)、分数阶微分归一化差值指数(FNDI)以及三波段分数阶微分改进差值指数(FIDI)、分数阶微分光化学指数(FPRI)和分数阶微分改进比值指数(FIRI)，并且计算这些指数与病情严重度的相关性；式中，ρ为不同阶次的光谱反射率，α为阶次，λ为波长，且λ1≠λ2≠λ3；步骤四、确定不同阶次下最佳两波段分数阶微分光谱指数和三波段分数阶微分光谱指数的波段组合，分析不同阶次下分数阶微分光谱指数与病情指数的相关性，选择所有阶次中与病情严重度相关性最高的指数作为最终构建的两波段分数阶微分光谱指数和分三波段分数阶微分光谱指数；步骤五、利用构建的分数阶微分光谱指数进行小麦条锈病的遥感探测，验证构建的分数阶微分光谱指数对小麦条锈病遥感探测的有效性。本专利技术还公开了一种利用上述指数监测小麦条锈病的方法，其特征在于，包括：步骤101、获取小麦冠层反射率光谱数据；步骤102、对所述反射率光谱数据进行分数阶微分处理，所述分数阶微分阶次取值为0.3～1.3。上述监测小麦条锈病的方法，其特征在于，所述分数阶微分处理包括两波段分数阶微分光谱指数计算，所述两波段分数阶微分光谱指数为：式中，ρ为光谱反射率。上述监测小麦条锈病的方法，其特征在于，所述分数阶微分处理包括三波段分数阶微分光谱指数计算，所述三波段分数阶微分光谱指数为：式中，ρ为光谱反射率。本专利技术与现有技术相比具有以下优点：1、本专利技术利用分数阶次对光谱数据进行处理，能够突出光谱的细微信息，描述光谱数据间的微小差异，在一定程度上增强弱光谱的吸收特性，保留更多的有用信息。2、本专利技术采用0.3～1.3阶次分数阶微分，其微分光谱与条锈病严重度的相关性较其他阶次更优，能够提高小麦条锈病的估测精度。3、本专利技术对反射率光谱数据进行分数阶微分处理能够提高其与小麦条锈病严重度的相关性，最大相关系数出现在1.2阶，对应波长为481nm，较原始光谱、一阶微分、二阶微分的最大相关系数分别提高了20.9％、3.9％和20.5％。4、本专利技术三波段分数阶微分光谱指数(FIDI，FIRI，FPRI)与小麦条锈病严重度的相关系数分别为0.808、0.842和0.875，两波段分数阶微分光谱指数(FDI，FRI，FNDI)与病情严重度的相关系数分别为0.774、0.803和0.795，证明三波段分数阶微分光谱指数小麦条锈病严重度更为敏感。5、本专利技术以分数阶微分光谱指数为自变量构建的GPR模型对小麦条锈病严重度的预测精度优于反射率光谱指数，其预测DI值和实测DI值间的R2比反射率光谱指数提高了19.1％，RMSE减少了33.5％，RPD值为3.103，表明基于分数阶微分光谱指数构建的GPR模型预测性能较好，对提高小麦条锈病的遥感探测精度具有重要的参考价值。下面通过附图和实施例，对专利技术做进一步的详细描述。附图说明图1为本专利技术分数阶微分光谱与病情严重度的相关性图。图2为本专利技术两波段光谱指数与病情指数相关系数分布图。图3为本专利技术三波段光谱指数与病情指数相关系数分布三维图。图4为本专利技术中2个模型对训练集病情指数预测结果图。具体实施方式下面将结合具体实验及实验数据对本专利技术做进一步的说明，然而应当理解的是，本专利技术可以通过各种形式来实现，而不应该被解释为限于这里阐述的实施例，相反提供这些实施例是为了更加透彻和完整地理解本专利技术。从遥感学的角度来说，地球上任何物体的反射光谱都是独特的。土壤、水、植被都有其独特的光谱曲线。因此，我们可以通过遥感技术准确地获取地球上物体的光谱信息，进而轻易的将其区分开来。同样，健康小麦植株、发生小麦条锈病的植株及处于小麦条锈病潜伏期的植株都有着自己独特的反射光谱曲线，合理地利用反射光谱曲线可以实现对小麦条锈病遥感监测。以线性或非线性形式对相关波段进行组合所构成的光谱指数能够捕获弱光谱信号，增强敏感信息，减少相关噪声的干扰，凸显作物病害的生理生化过程，因此一些专家学者也构建了具有特定用途的光谱指数。Zhao等基于两波段组合的方式构建了用于估算氮营养指数(NNI)的归一化差值光谱指数(NDSI)和土壤调节植被指数(SAVI)，结果表明基于新构造的NDSI与SAVI指数能够较好地估算NNI。Feng等利用584nm和550nm两个绿光波段开发了用于小麦白粉病监测的双绿指数DGSR和DGND，研究表明与传统的植被指数相比，双绿指数可更好的监测小麦白粉病。Zhang等应用随机森林法筛选了对镰刀菌枯萎病敏感的光谱波段，在此基础上构建了新型镰刀菌病指数(FDI)，研究表明FDI能够较好的预测镰刀菌枯萎病的严重度。已有作物病害监测指数主要是利用反射率光谱或整数阶微分光谱计算的，而原始光谱中存在噪声以及整数阶微分在一定程度上丢失的待测对象的有用信息均影响了作物病害的遥感监测精度。分数阶微分能够保留更多的光谱信息，突出不同胁迫程度下的光谱差异，弱化土壤背景的影响。基于此，本申请人在对小本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种构建分数阶微分光谱指数的方法，其特征在于，包括下列步骤：/n步骤一、获取试验区各个样本小麦冠层反射率光谱数据；/n步骤二、以阶次间隔为0.1对各个样本的400-1000nm的光谱数据进行0-2阶分数阶微分处理，并对分数阶微分光谱与小麦条锈病病情严重度的相关性进行分析，提取各分数阶微分光谱中与病情严重度具有最大相关性的波段，确定适合遥感探测小麦条锈病的分数阶微分阶次；/n步骤三、以公式(1)～(6)的指数形式为基础，构造两波段分数阶微分差值指数(FDI)，分数阶微分比值指数(FRI)、分数阶微分归一化差值指数(FNDI)以及三波段分数阶微分改进差值指数(FIDI)、分数阶微分光化学指数(FPRI)和分数阶微分改进比值指数(FIRI)，并且计算这些指数与病情严重度的相关性；/n

【技术特征摘要】
1.一种构建分数阶微分光谱指数的方法，其特征在于，包括下列步骤：
步骤一、获取试验区各个样本小麦冠层反射率光谱数据；
步骤二、以阶次间隔为0.1对各个样本的400-1000nm的光谱数据进行0-2阶分数阶微分处理，并对分数阶微分光谱与小麦条锈病病情严重度的相关性进行分析，提取各分数阶微分光谱中与病情严重度具有最大相关性的波段，确定适合遥感探测小麦条锈病的分数阶微分阶次；
步骤三、以公式(1)～(6)的指数形式为基础，构造两波段分数阶微分差值指数(FDI)，分数阶微分比值指数(FRI)、分数阶微分归一化差值指数(FNDI)以及三波段分数阶微分改进差值指数(FIDI)、分数阶微分光化学指数(FPRI)和分数阶微分改进比值指数(FIRI)，并且计算这些指数与病情严重度的相关性；


















式中，ρ为不同阶次的光谱反射率，α为阶次，λ为波长，且λ1≠λ2≠λ3；
步骤四、确定不同阶次下最佳两波段分数阶微分光谱指数和三波段分数阶微分光谱指数的波段组合，分析不同阶次下分数阶微分光...

【专利技术属性】
技术研发人员：时鸣，余洋，张腾，竞霞，
申请(专利权)人：西安科技大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61