作物杂志,2019, 第3期: 126–131 doi: 10.16035/j.issn.1001-7283.2019.03.020

• 生理生化·植物营养·栽培耕作 • 上一篇    下一篇

基于高光谱遥感的玉米叶片SPAD值估算模型研究

董哲,杨武德,张美俊,朱洪芬,王超   

  1. 山西农业大学旱作农业工程研究所,030801,山西太谷
  • 收稿日期:2018-09-21 修回日期:2019-04-04 出版日期:2019-06-15 发布日期:2019-06-12
  • 通讯作者: 杨武德
  • 作者简介:董哲,硕士研究生,主要从事农业信息技术研究;
  • 基金资助:
    国家自然科学基金(31871571);山西省科技攻关项目(20150311002-4)

Estimation Models of Maize Leaf SPAD Value Based on Hyperspectral Remote Sensing

Dong Zhe,Yang Wude,Zhang Meijun,Zhu Hongfen,Wang Chao   

  1. Institute of Dry Farming Engineering, Shanxi Agricultural University, Taigu 030801, Shanxi, China
  • Received:2018-09-21 Revised:2019-04-04 Online:2019-06-15 Published:2019-06-12
  • Contact: Wude Yang

摘要:

灌浆期玉米叶片叶绿素含量对玉米光合作用及产量形成具有重要作用。为通过高光谱特征准确、高效估测玉米叶片叶绿素含量,以SPAD值表征叶绿素相对含量,构建了基于光谱特征参数的传统回归模型、基于全谱和光谱特征参数的PLSR模型和BP神经网络模型,并进行了比较分析。结果表明:基于全谱构建的PLSR模型SPAD值拟合效果最好(R 2=0.910,RMSE=2.071),而基于光谱特征参数所建立的PLSR模型拟合效果可达到与全谱PLSR模型相近的水平。但后者的实测值与预测值拟合效果(R 2=0.867,RMSE=2.581,RPD=2.628)优于全谱PLSR模型,且建模时间短,模型复杂程度降低。BP神经网络模型相较于两种PLSR模型预测效果略差,但优于传统回归模型。综合来看,基于光谱特征参数建立的PLSR模型估测效果最好。

关键词: 高光谱, 玉米叶片, SPAD, 偏最小二乘, BP神经网络

Abstract:

The leaf chlorophyll content at the filling stage plays an important role in photosynthesis and yield formation of maize. To estimate the maize leaf chlorophyll content accurately and efficiently, hyperspectral remote sensing was used by taking SPAD value as the relative chlorophyll content. Conventional regression models based on spectral characteristic parameters, PLSR models based on full spectrum and spectral characteristic parameters, and BP neural network model were constructed and compared. The results showed that SPAD value of PLSR model based on full spectrum had the best fitting effect (R 2=0.910, RMSE=2.071). The fitting effect of PLSR model based on spectral characteristic parameters was close to that of PLSR model based on full spectrum. But the measured and predicted values of the latter fitting effect (R 2=0.867, RMSE=2.581, RPD=2.628) was better than that of full spectrum PLSR model, and the PLSR model based on spectral characteristic parameters had short modeling time and tow complexity. The prediction effect of the BP neural network model was worse than the two PLSR models, but better than the conventional regression models based on spectral characteristic parameters. In brief, the estimation effect of PLSR model based on spectral parameters was the best.

Key words: Hyperspectral, Maize leaf, SPAD, Partial least square regression, BP neural network

表1

本试验所用光谱特征参数计算公式"

光谱特征参数Spectral characteristic parameter 定义Definition 来源Source
NDVI NDVI=(R750-R705)/(R750+R705) Gitelson等[11]
GNDVI GNDVI=(R750-R550)/(R750+R550) Gitelson等[11]
RVI RVI=R760/R710 Penuelas等[12]
λr 红光范围内一阶导数光谱最大值对应的波长 Horler等[13]
kλr 红光范围内一阶导数光谱的峰度 姚付启等[14]
sλr 红光范围内一阶导数光谱的偏度 姚付启等[14]

表2

光谱特征参数与玉米叶片SPAD的相关系数(n=80)"

参数Parameter 相关系数
Correlation coefficient
植被指数Vegetation index NDVI 0.843**
GNDVI 0.811**
RVI 0.893**
红边参数The trilateral parameter λr 0.935**
kλr 0.872**
sλr 0.914**

表3

基于光谱特征参数的玉米叶片SPAD值估算模型"

光谱特征参数
Spectral characteristic parameter
最优拟合模型
The optimal fitting equation
建模集Modeling set 验证集Validation set
R2 RMSE R2 RMSE RPD
NDVI y=12.696e2.6521x 0.728 3.686 0.636 4.072 1.500
GNDVI y=10.909e2.7102x 0.672 4.020 0.574 4.366 1.340
RVI y=20.758x0.9129 0.812 3.095 0.716 3.715 1.791
λr y=3E-104x36.805 0.880 3.774 0.854 3.327 2.005
kλr y=640.3e1.7036x 0.784 3.432 0.714 3.657 1.739
sλr y=87.296x2+54.674x+46.509 0.847 2.697 0.804 3.028 2.137

表4

基于PLSR的玉米叶片SPAD估算模型"

模型Model 建模集
Modeling set
验证集
Validation set
R2 RMSE R2 RMSE RPD
PLSR(全谱) 0.910 2.071 0.862 2.600 2.545
PLSR(光谱特征参数) 0.900 2.200 0.867 2.581 2.628

表5

基于BP神经网络的玉米叶片SPAD估算模型"

建模集Modeling set 验证集Validation set
R2 RMSE R2 RMSE RPD
0.904 2.165 0.822 2.861 2.305

表6

不同估算模型预测效果比较"

模型
Model
建模集Modeling set 验证集Validation set
R2 RMSE R2 RMSE RPD
PLSR(光谱特征参数)PLSR (spectral characteristic parameter) 0.900 2.200 0.867 2.581 2.628
PLSR(全谱)PLSR (full spectrum) 0.910 2.071 0.862 2.600 2.545
BP神经网络BP neural network 0.904 2.165 0.822 2.861 2.305
多项式Polynomial (sλr) 0.847 2.697 0.804 3.028 2.137

图1

基于不同估算模型的SPAD实测值与预测值1∶1关系图 a. PLSR(光谱特征参数)、b. PLSR(全谱)、c. BP神经网络、d. 多项式(sλr)"

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