CN115508314A - 一种基于冠层组分光谱分离的土壤影响消除与小麦叶片叶绿素含量高精度估算方法 - Google Patents

一种基于冠层组分光谱分离的土壤影响消除与小麦叶片叶绿素含量高精度估算方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出一种基于冠层组分光谱分离的土壤影响消除与小麦叶片叶绿素含量高精度估算方法,包括以下步骤:提取小麦冠层反射光谱特征波段的反射率,利用两个特征波段模拟土壤组分的光谱信号,剔除土壤组分得到小麦组分光谱信号,计算植被指数估算小麦叶片叶绿素含量。本发明的方法通过对小麦和土壤反射光谱进行特征分析,分离出土壤和植被光谱的信号,减少土壤背景对叶片叶绿素含量估算的影响,该方法操作步骤简单,运算速度快,适用于冠层水平不同小麦品种、不同栽培处理、不同生育时期,可广泛用于小麦冠层水平的平均叶片叶绿素含量监测。

Description

一种基于冠层组分光谱分离的土壤影响消除与小麦叶片叶绿 素含量高精度估算方法
技术领域
本发明属于作物生长监测领域,尤其是一种基于冠层组分光谱分离的土壤影响消除与小麦叶片叶绿素含量高精度估算方法。
背景技术
小麦在我国粮食生产中具有重要的地位,及时监测小麦长势对保障国家粮食安全和农业可持续发展起基础作用。叶绿素含量是作物长势的一个重要指标,能够指示植物光合作用能力。目前,遥感技术已被广泛用于准确、无损地估算植被叶绿素含量。
在过去三十年里,大量研究提出了数百个植被指数,比如MTCI(MERISTerrestrial Chlorophyll Index)和NDVI(Normalized Difference Vegetation Index),但是这些指数主要用于估算冠层叶绿素含量(Canopy Chlorophyll Content,CCC)。CCC(g/m2)是单位土地面积上所有叶片叶绿素含量的总和,即叶面积指数(Leaf Area Index,LAI)和叶片叶绿素含量(Leaf Chlorophyll Content,LCC)的乘积。CCC是一个群体性指标,同时包含LAI和LCC的信息,不能单独反映叶片水平叶绿素含量。
LCC是单位叶片面积上的叶绿素含量(μg/cm2),与CCC相比更能体现叶片水平的光合能力和营养状况。为了从冠层光谱直接估算LCC,一些学者提出利用两个植被指数进行比值或者差值运算,比如AWI(Angular Insensitivity Vegetation Index)和LICI(LAIInsensitive Chlorophyll Index)。但是在植被覆盖度较低时(比如作物生长前期,冠层未闭合),冠层光谱中包含的土壤信号会影响植被指数,从而降低LCC的光谱估算精度。
为了消除土壤背景,有研究采用混合像元光谱分解方法从冠层光谱中提取出纯净植被光谱。然而混合像元光谱分解方法的精度取决于纯净植被和土壤的丰度与反射率估算,在实际应用中这两者具有明显的时空变化,限制了这类方法在区域尺度上的应用。因此需要一种自动消除土壤影响的方法,从而提高LCC的估算精度。
发明内容
本发明所解决的技术问题在于提供一种基于冠层组分光谱分离的土壤影响消除与小麦叶片叶绿素含量高精度估算方法,通过对小麦和土壤反射光谱进行特征分析,分离出土壤和植被光谱的信号,减少土壤背景对叶片叶绿素含量估算的影响,操作步骤简单,运算速度快,适用于不同小麦品种、不同栽培处理和不同生育时期,可广泛用于小麦冠层水平的平均叶片叶绿素含量监测。
实现本发明目的的技术解决方案为:
一种基于冠层组分光谱分离的土壤影响消除与小麦叶片叶绿素含量高精度估算方法,包括以下步骤:
步骤1:提取小麦冠层反射光谱特征波段的反射率,利用两个特征波段模拟土壤组分的光谱信号;
步骤2:剔除土壤组分得到小麦组分光谱信号,计算植被指数估算小麦叶片叶绿素含量。
进一步的,本发明的基于冠层组分光谱分离的土壤影响消除与小麦叶片叶绿素含量高精度估算方法,步骤1中小麦冠层反射光谱来源于不同小麦品种、不同栽培处理,土壤组分光谱信号提取步骤包括:
步骤1-1:从反射光谱中提取477nm和677nm波段处的反射率数据,并且计算两个波段之间斜率(slope),具体公式为:
slope=(RC,677-RC,477)/(677-477)
其中,RC,477和RC,677分别为小麦冠层反射率在477nm和677nm波段处的小麦冠层反射率。
步骤1-2:利用斜率估算出土壤组分光谱在参考波段(定义为477nm)处的反射率,具体公式为:
Figure BDA0003861071530000021
其中,RC,477为小麦冠层光谱在477nm波段处的反射率,slopemax为最大斜率,c为调节系数,CRS,477土壤组分光谱在参考波段477nm处的反射率。最大斜率slopemax定义为干土壤斜率。
步骤1-3:利用斜率和土壤组分光谱在参考波段的反射率,模拟土壤组分光谱信号,具体公式为:
CRS,λ=slope×(λ-477)+CRS,477
其中,CRS,λ为模拟的土壤组分信号,λ为波长。
进一步的,本发明的基于冠层组分光谱分离的土壤影响消除与小麦叶片叶绿素含量高精度估算方法,步骤2中提取小麦组分光谱信号的具体公式为:
CRV,λ=RC,λ-CRS,λ
其中,RC,λ为小麦冠层反射信号,CRV,λ为小麦组分的光谱信号。
基于小麦组分光谱信号,计算植被指数估算小麦叶片叶绿素含量属于现有技术。
本发明采用以上技术方案与现有技术相比,具有以下技术效果:
1、本发明的基于冠层组分光谱分离的土壤影响消除与小麦叶片叶绿素含量高精度估算方法操作步骤简单,运算速度快,在不同场景的适用性好;
2、本发明的基于冠层组分光谱分离的土壤影响消除与小麦叶片叶绿素含量高精度估算方法适用于不同小麦品种、不同栽培处理和不同生育时期,可广泛用于消除冠层光谱中的土壤影响;
3、本发明的基于冠层组分光谱分离的土壤影响消除与小麦叶片叶绿素含量高精度估算方法有利于提高小麦生产中基于光谱学的叶绿素含量估测准确度。
附图说明
图1是本发明的基于冠层组分光谱分离的土壤影响消除与小麦叶片叶绿素含量高精度估算方法的示意图,其中(A)为选取的一条冠层反射光谱,(B)为估算的土壤组分光谱,(C)为纯净小麦组分光谱,即(A)与(B)的差值。
图2是冠层光谱去除土壤影响前基于AIVI和LICI估算的LCC与实测的LCC的散点图,其中,(A)为AIVI的结果,(B)为LICI的结果。
图3是冠层光谱去除土壤影响后基于AIVI和LICI估算的LCC与实测的LCC的散点图,其中,(A)为AIVI的结果,(B)为LICI的结果。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施方式,所述实施方式的示例在附图中示出,其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的,仅用于解释本发明,而不能解释为对本发明的限制。
本发明实施例基于不同生育期、不同施氮水平和不同种植密度处理的小麦试验田,根据获取的反射光谱提取土壤组分光谱,剔除土壤组分光谱之后计算植被指数AIVI和LICI,并且用于监测叶片叶绿素含量,同时与土壤影响消除前的LCC估算结果进行比较。
具体小麦试验田的基本信息和数据采集时间如表1~表2所示。
表1小麦试验田基本信息
Figure BDA0003861071530000031
Figure BDA0003861071530000041
表2小麦冠层光谱数据采集时的生育时期信息
日期 播种后天数 生育时期
2017年3月15日 135 拔节期
2017年3月27日 147 孕穗期
2017年4月12日 163 抽穗期
2017年4月25日 176 开花期
在拔节期、孕穗期、抽穗期和开花期获取小麦冠层反射光谱和叶片叶绿素含量数据。本发明的实验数据获取***性强,涵盖了两种株型的小麦品种,包含主要生育期,且处理因素多(密度和施氮水平),能够有效地验证本发明基于光谱特征的土壤消除和叶绿素估算方法在不同环境条件和处理下监测小麦叶片叶绿素含量的准确度与适应性。
一种基于冠层组分光谱分离的土壤影响消除与小麦叶片叶绿素含量高精度估算方法,具体包括以下步骤:
步骤1:获取小麦主要生育期间的冠层反射光谱以及相对应的叶片叶绿素含量数据。采集的反射光谱数据包括不同生育期、不同施氮水平、不同种植密度处理和不同品种类型的小麦。测量的生育时期包括拔节期、孕穗期、抽穗期和开花期。冠层反射光谱测量采用美国Analytical Spectral Device(ASD)公司生产的FieldSpec Pro FR2500型背挂式野外高光谱辐射仪,使用的波段范围为440~800nm。叶片叶绿素含量的测试方式具体为:选择十五张光照叶片,测量它们的Dualex值,求得平均值后根据下面公式转为叶片叶绿素含量,作为冠层水平的平均叶绿素含量。最终使得每个试验区对应一条冠层反射光谱和叶片叶绿素含量(LCC)。
LCC=Dualex*1.56-11.78
步骤1:利用两个特征波段模拟土壤组分的光谱信号。由于植被组分反射率在477nm和677nm两个波段间差异较小,土壤反射率在440-800nm光谱区间近似线性变化,因此,477nm和677nm两个波段间的冠层反射率差异主要由土壤组分决定,利用这两个波段可以推算出土壤组分的信息,具体步骤包括:
步骤1-1:从反射光谱中提取477nm和677nm波段处的反射率数据,并且计算两个波段之间斜率(slope),如图1(A)所示,具体公式为:
slope=(RC,677-RC,477)/(677-477)
其中,RC,477和RC,677分别为小麦冠层反射率在477nm和677nm波段处的小麦冠层反射率。
步骤1-2:利用斜率估算出土壤组分光谱在参考波段(定义为477nm)处的反射率,具体公式为:
Figure BDA0003861071530000051
其中,RC,477为小麦冠层光谱在477nm波段处的反射率,slopemax为最大斜率(设置为0.48),c为调节系数(设置为0.6),CRs,477为土壤组分光谱在参考波段477nm处的反射率。
步骤1-3:利用斜率和土壤组分光谱在参考波段的反射率,模拟土壤组分光谱信号,如图1(B)所示,具体公式为:
CRS,λ=slope×(λ-477)+CRS,477
其中,CRS,λ为模拟的土壤组分信号。
步骤2:剔除土壤组分得到小麦组分的光谱信号,如图1(C)所示,具体公式为:
CRv,λ=RC,λ-CRS,λ
其中,RC,λ为小麦冠层反射信号,CRv,λ为小麦组分的光谱信号。
步骤2:植被指数AIVI和LICI计算以及LCC估算的具体公式为:
Figure BDA0003861071530000052
LCC=52.85×LICI-16.71
Figure BDA0003861071530000053
LCC=53.04×AIVI-13.40
其中,CRV,445,CRV,573,CRV,680,CRV,720和CRV,735分别为573nm,680nm,720nm和735nm处的小麦组分光谱反射率。
下面评价本发明提出的土壤影响消除方法在LCC估算方面的表现,估算精度采用均方根误差(Root Mean Square Error,RMSE)描述,计算公式如下所示:
Figure BDA0003861071530000061
其中,yi和y′i分别为实测和估算的LCC,n为样本个数。
消除土壤影响前,基于AIVI和LICI估算的LCC与实测的LCC关系散点图如图2所示,从中可以看出RMSE分别7.13μg/cm2和7.25μg/cm2。利用本发明消除土壤影响后,基于AIVI和LICI估算的LCC与实测的LCC关系散点图如图3所示,从中可以看出,消除土壤影响后,RMSE分别为6.54μg/cm2和5.53μg/cm2,与土壤影响消除前相比,估算误差分别降低了8%和23%左右。结果表明,本发明方法可以有效消除土壤影响提高LCC的估算精度,尤其选用LICI植被指数估算LCC的精度最高。
以上所述仅是本发明的部分实施方式,应当指出,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明原理的前提下,还可以做出若干改进,这些改进应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种基于冠层组分光谱分离的土壤影响消除与小麦叶片叶绿素含量高精度估算方法,其特征在于,包括以下步骤:
步骤1:提取小麦冠层反射光谱特征波段的反射率,利用两个特征波段模拟土壤组分的光谱信号;
步骤2:剔除土壤组分得到小麦组分光谱信号,计算植被指数估算小麦叶片叶绿素含量。
2.根据权利要求1所述的基于冠层组分光谱分离的土壤影响消除与小麦叶片叶绿素含量高精度估算方法,其特征在于,步骤1中模拟土壤组分光谱信号步骤包括:
步骤1-1:从反射光谱中提取477nm和677nm波段处的反射率数据,并且计算两个波段之间斜率slope,具体公式为:
slope=(RC,677-RC,477)/(677-477)
其中,RC,477和RC,677分别为小麦冠层反射率在477nm和677nm波段处的小麦冠层反射率;
步骤1-2:利用斜率估算出土壤组分光谱在参考波段处的反射率,参考波段定义为477nm;具体公式为:
Figure FDA0003861071520000011
其中,RC,477为小麦冠层光谱在477nm波段处的反射率,slopemax为最大斜率,c为调节系数,CRS,477土壤组分光谱在参考波段477nm处的反射率;
步骤1-3:利用斜率和土壤组分光谱在参考波段的反射率,模拟土壤组分光谱信号,具体公式为:
CRS,λ=slope×(λ-477)+CRS,477
其中,CRS,λ为模拟的土壤组分信号,λ为波长。
3.根据权利要求2所述的基于冠层组分光谱分离的土壤影响消除与小麦叶片叶绿素含量高精度估算方法,其特征在于,最大斜率slopemax定义为干土壤斜率。
4.根据权利要求1所述的基于冠层组分光谱分离的土壤影响消除与小麦叶片叶绿素含量高精度估算方法,其特征在于,步骤2中得到小麦组分光谱信号的公式为:
CRV,λ=RC,λ-CRS,λ
其中,RC,λ为小麦冠层反射信号,CRV,λ为小麦组分的光谱信号,CRS,λ为模拟的土壤组分信号。
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