水稻氮素含量反演高光谱植被指数构建方法技术

本发明专利技术提供了一种水稻氮素含量反演高光谱植被指数构建方法，属于精准农业领域，包括：采集水稻叶片高光谱反射率信息及水稻叶片氮素含量；对采集的400nm～1000nm范围内的水稻叶片高光谱反射率信息进行重采样；提取重采样后的水稻叶片高光谱反射率信息中与水稻叶片氮素含量具有相关性的特征波段；利用波段特征转移法对所述特征波段进行转换，构建氮素特征转移指数NCTI；以氮素特征转移指数NCTI为输入，采用线性回归方法构建水稻叶片氮素浓度反演模型。本发明专利技术通过选取400nm～1000nm范围内水稻叶片高光谱反射率的特征波段，采用基于特征转移的思想，构建水稻氮素含量氮素特征转移植被指数，以期为水稻叶片氮素含量快速监测构建一种高效、精准的植被指数。精准的植被指数。精准的植被指数。

【技术实现步骤摘要】
水稻氮素含量反演高光谱植被指数构建方法


[0001]本专利技术属于精准农业领域，具体涉及一种水稻氮素含量反演高光谱植被指数构建方法。

技术介绍

[0002]随着光学遥感技术的不断发展，利用多光谱、高光谱遥感数据面向水稻进行定量遥感反演，已成为快速获取水稻营养状况、病虫害胁迫、表型信息等理化参量的重要技术手段。氮素作为水稻生长过程中所必须的大量元素，其含量在水稻叶片内的亏缺程度将对水稻的生长状态有着重要影响。因此如何利用光谱技术实现水稻氮素含量的快速、精准反演，是近年来水稻数字化生产、育种表型高通量获取等研究中重要的研究热点。
[0003]近年来，高光谱技术由于光谱分辨较高，相比传统的多光谱监测能够快速获取水稻连续波段的高光谱反射率信息。如何利用丰富的高光谱信息构建植被指数，高效、准确实现水稻氮素含量的定量反演模型，国内外研究人员已开展了大量研究工作。
[0004]林维潘等借鉴了NDVI的构建原理及形式构建了三波段植被指数TVI，结果表明该植被指数型可以有效预测叶片氮积累量，决定系数为0.68，相对均方根误差为0.39。李艳大等基于CGMD光谱仪的差值植被指数DVI
(810，720)
的线性方程可较好地预测植株氮积累量，R2为0.90～0.93，模型检验的RMSE、RRMSE和r分别为3.71～6.33kg
·
hm
‑2、11.7％～14.3％和0.93～0.96。宋红燕等研究了植株冠层光谱特征与植株氮素含量之间的关系，并构建了植株含氮量的估算模型。结果表明覆膜旱作水稻植株氮含量与552和890nm等2个敏感波段构成的比值(RVI)和绿色归一化植被指数(GNDVI)的关系最佳，其中植株全氮含量拟合方程的决定系数为0.730～0.808。田永超等，综合分析了水稻冠层高光谱植被指数与叶层氮浓度的定量关系，结果表明以3个蓝光波段构建的光谱参数R
434
/(R
496
+R
401
)与水稻叶层氮浓度呈极显著的直线相关关系，该植被指数对水稻叶层氮浓度具有较好的预测性。谭昌伟等对水稻氮素含量与原始光谱反射率、一阶微分光谱以及高光谱特征参数间的相关性进行了分析，结果表明以植被指数的归一化变量(SD
r
－SD
b
)/(SD
r
+SD
b
)为自变量构建的水稻氮素营养高光谱遥感诊断模型能较好地诊断水稻氮素营养，R2＝0.8755，RMSE＝0.2372，该模型可定量诊断水稻氮素营养。薛利红等研究了不同氮肥水平下多时相水稻冠层光谱反射特征及其与叶片含氮量等参数的关系。结果表明是近红外与绿光波段的比值(R
810
/R
560
)与叶片氮积累量(LNA)呈显著线性关系不受氮肥水平和生育时期的影响，模拟值与实测值之间符合度较高估算精度为91.22％，估计的RMSE为1.09平均相对误差为0.026。
[0005]目前，水稻氮素含量植被指数的构建形式还是以传统的NDVI(Normalized Difference Vegetation Index，植被覆盖指数)、EVI(EnhancedVegetation Index，增强型植被指数)等植被指数的构建方法为主，只是在特征波长选择上存在不同。
[0006]因此，本申请提出一种水稻氮素含量反演高光谱植被指数构建方法。

技术实现思路

[0007]为了克服上述现有技术存在的不足，本专利技术提供了一种水稻氮素含量反演高光谱植被指数构建方法。
[0008]为了实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：
[0009]一种水稻氮素含量反演高光谱植被指数构建方法，包括以下步骤：
[0010]采集水稻叶片高光谱反射率信息及水稻叶片氮素含量；
[0011]对采集的400nm～1000nm范围内的水稻叶片高光谱反射率信息进行重采样；
[0012]提取重采样后的水稻叶片高光谱反射率信息中与水稻叶片氮素含量具有相关性的特征波段；
[0013]利用波段特征转移法对所述特征波段进行转换，构建氮素特征转移指数NCTI；
[0014]以氮素特征转移指数NCTI为输入，采用线性回归方法构建水稻叶片氮素浓度反演模型。
[0015]优选地，采用海洋光学的HR2000+光纤光谱仪采集所述水稻叶片高光谱反射率信息，每个叶片采集三个位置，每个位置进行五次重复采集，通过计算平均高光谱反射率来表征水稻最终的高光谱反射率信息。
[0016]优选地，所述采集水稻叶片氮素含量包括：对采样点水稻进行整穴破坏性取样，将水稻所有新鲜叶片剪下置于烘箱中以120℃杀青60min，再以80℃烘干至恒重；称量后将其粉碎，把研磨好的粉末采用凯氏定氮法检测叶片的含氮量。
[0017]优选地，所述采集水稻叶片氮素含量具体包括以下步骤：
[0018]称量与炭化，在分析天平中放入称量纸进行校零；将干燥过后的水稻叶片样品放入称量纸上，称取0.2
±
0.01g；将称量好的水稻干叶样品放入50mL锥形瓶内并编号，将100mL的浓硫酸溶液分别加入锥形瓶，摇匀，放至干燥器皿中静置4h，直至瓶中样品彻底炭化；
[0019]煮沸与蒸馏，将2～3mL浓度为30％的过氧化氢溶液加入每个锥形瓶中，然后加热至出现酸雾后，继续加热10min后取下，并继续向其中滴入2～3mL浓度为30％的过氧化氢溶液，加热至瓶中溶液澄清透明；将溶液放入量程为50mL的容量瓶内，待溶液冷却后定容至50mL；称量10mL浓度为2％的硼酸溶液，并滴入1～2滴甲基红
‑
溴甲酚绿指示剂，将配置好的硼酸溶液置于蒸馏器的出液口处；量取5mL配置好的过氧化氢溶液与5mL的10mol/L过氧化钠溶液混合，放入蒸馏器中加热蒸馏；同时，使用pH试纸对蒸馏器出口处的冷凝液进行pH测试，当pH等于7时，暂停加热；
[0020]滴定，采用浓度为0.02mol/L的硫酸对硼酸溶液进行滴定，直至硼酸溶液逐渐变成酒红色为止，并记下所用硫酸体积；同时进行空白对照实验；
[0021]水稻叶片氮素含量计算，计算公式如下：
[0022][0023]V1、V0分别为样品所用的硫酸溶液体积和空白实验所用的硫酸溶液体积；N为硫酸溶液浓度；w为样品重量。
[0024]优选地，采用光谱插值方法对采集的400nm～1000nm范围内的水稻叶片高光谱反射率信息进行重采样。
[0025]优选地，利用续投影法提取重采样后的水稻叶片高光谱反射率信息中与水稻叶片氮素含量具有相关性的特征波段，提取的特征波段具体为500nm、555nm、662nm、690nm、729nm、800nm。
[0026]优选地，所述利用波段特征转移法对所述特征波段进行转换，构建氮素特征转移指数NCTI具体包括如下步骤：
[0027]已知氮素含量高光谱特征波段x1、x2、x3……
x
n
；
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种水稻氮素含量反演高光谱植被指数构建方法，其特征在于，包括以下步骤：采集水稻叶片高光谱反射率信息及水稻叶片氮素含量；对采集的400nm～1000nm范围内的水稻叶片高光谱反射率信息进行重采样；提取重采样后的水稻叶片高光谱反射率信息中与水稻叶片氮素含量具有相关性的特征波段；利用波段特征转移法对所述特征波段进行转换，构建氮素特征转移指数NCTI；以氮素特征转移指数NCTI为输入，采用线性回归方法构建水稻叶片氮素浓度反演模型。2.根据权利要求1所述的水稻氮素含量反演高光谱植被指数构建方法，其特征在于，采用海洋光学的HR2000+光纤光谱仪采集所述水稻叶片高光谱反射率信息，每个叶片采集三个位置，每个位置进行五次重复采集，通过计算平均高光谱反射率来表征水稻最终的高光谱反射率信息。3.根据权利要求1所述的水稻氮素含量反演高光谱植被指数构建方法，其特征在于，所述采集水稻叶片氮素含量包括：对采样点水稻进行整穴破坏性取样，将水稻所有新鲜叶片剪下置于烘箱中以120℃杀青60min，再以80℃烘干至恒重；称量后将其粉碎，把研磨好的粉末采用凯氏定氮法检测叶片的含氮量。4.根据权利要求3所述的水稻氮素含量反演高光谱植被指数构建方法，其特征在于，所述采集水稻叶片氮素含量具体包括以下步骤：称量与炭化，在分析天平中放入称量纸进行校零；将干燥过后的水稻叶片样品放入称量纸上，称取0.2
±
0.01g；将称量好的水稻干叶样品放入50mL锥形瓶内并编号，将100mL的浓硫酸溶液分别加入锥形瓶，摇匀，放至干燥器皿中静置4h，直至瓶中样品彻底炭化；煮沸与蒸馏，将2～3mL浓度为30％的过氧化氢溶液加入每个锥形瓶中，然后加热至出现酸雾后，继续加热10min后取下，并继续向其中滴入2～3mL浓度为30％的过氧化氢溶液，加热至瓶中溶液澄清透明；将溶液放入量程为50mL的容量瓶内，待溶液冷却后定容至50mL；称量10mL浓度为2％的硼酸溶液，并滴入1～2滴甲基红
‑
溴甲酚绿指示剂，将配置好的硼酸溶液置于蒸馏器的出液口处；量取5mL配置好的过氧化氢溶液与5mL的10mol/L过氧化钠溶液混合，放入蒸馏器中加热蒸馏；同时，使用pH试纸对蒸馏器出口处的冷凝液进行pH测试，当pH等于7时，暂停加热；滴定，采用浓度为0.02mol/L的硫酸对硼酸溶液进行滴定，直...

【专利技术属性】
技术研发人员：于丰华，许羽童，郭忠辉，金忠煜，
申请(专利权)人：沈阳农业大学，
类型：发明
国别省市：