氮素是蘋果生長過程中不可缺少的營養(yǎng)元素之一,是果樹生長重要的物質(zhì)基礎(chǔ)。傳統(tǒng)測(cè)量植物氮素含量的方法費(fèi)時(shí)、費(fèi)力、實(shí)時(shí)性差,不能滿足大面積、快速、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的需要。衛(wèi)星遙感因?yàn)槌杀镜汀@取和處理方便等特點(diǎn),已廣泛應(yīng)用到作物的生長和營養(yǎng)診斷,成為研究的熱點(diǎn)。本研究以山東省煙臺(tái)棲霞市蘋果園為研究區(qū),利用高分一號(hào)(GF-1)衛(wèi)星遙感影像,結(jié)合蘋果樹冠層葉片氮素含量數(shù)據(jù),對(duì)研究區(qū)蘋果樹冠層進(jìn)行氮素含量反演。在對(duì)GF-1衛(wèi)星原始影像進(jìn)行輻射定標(biāo)、FLAASH大氣校正、正射校正、影像融合的預(yù)處理的基礎(chǔ)上,利用GF-1多光譜影像,結(jié)合地面實(shí)測(cè)光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析,以GF-1影像的藍(lán)、綠、紅以及近紅外波段進(jìn)行了計(jì)算,通過波段運(yùn)算提取植被指數(shù),與蘋果樹冠層氮素含量進(jìn)行了相關(guān)分析,篩選了蘋果樹冠層氮素敏感植被指數(shù),通過單變量和多變量因素的回歸模型,建立了蘋果樹冠層氮素含量反演模型并進(jìn)行對(duì)比分析,篩選出了蘋果樹冠層氮素含量的最佳反演模型。利用GF-1全色與多光譜融合影像,根據(jù)NDVI、高程坡度信息以及最大似然法監(jiān)督分類進(jìn)行了研究區(qū)蘋果園的提取,結(jié)合氮素含量最佳反演模型,對(duì)研究區(qū)內(nèi)蘋果園冠層氮素含量進(jìn)行了空間反演。主要研究結(jié)果如下:(1)提取并篩選了蘋果樹冠層氮素含量的相關(guān)植被指數(shù)利用預(yù)處理的GF-1多光譜影像,綜合考慮植被的光譜特性,基于GF-1影像的藍(lán)、綠、紅以及近紅外波段,提取了12種植被指數(shù),分別為RVI、DVI、NDVI、GNDVI、EVI、VARI、GRVI、NPCI、SIPI、NRI、SAVI和OSAVI。通過與蘋果樹冠層氮素含量進(jìn)行相關(guān)性分析,篩選出了相關(guān)性大于0.5的植被指數(shù),分別為RVI、NDVI、EVI、VARI、NPCI和NRI。(2)建立及檢驗(yàn)了蘋果樹冠層氮素含量反演模型建立及檢驗(yàn)了基于單變量的蘋果樹冠層氮素含量反演模型,分別以RVI、NDVI、EVI、VARI、NPCI、NRI為自變量,氮素含量為因變量,建立了單變量氮素含量模型。結(jié)果表明,以NPCI為自變量建立的二次多項(xiàng)式模型驗(yàn)證決定系數(shù)為0.59,均方根誤差為1.18,模型精度和穩(wěn)定性最高,是基于單變量氮素含量最佳模型,模型為:N_(含量)=20.16*NPCI~2-29.54*NPCI+29.73,利用該模型能夠較好地對(duì)氮素含量進(jìn)行估算。建立及檢驗(yàn)了基于多變量的蘋果樹冠層氮素含量反演模型,以RVI、NDVI、EVI、VARI、NPCI、NRI為自變量,以氮素含量為因變量,建立了蘋果樹冠層氮素含量的線性回歸模型:多元線性回歸、多元逐步回歸和偏最小二乘回歸模型和非線性回歸模型:支持向量機(jī)和隨機(jī)森林模型。在線性回歸模型中,多元逐步回歸模型的驗(yàn)證決定系數(shù)較高和均方根誤差較低,分別為0.69、1.07,模型的精度和穩(wěn)定性最高。其模型為:N_(含量)=35.74-41.98*NPCI-10.78*NDVI。在非線性回歸模型中,支持向量機(jī)回歸模型檢驗(yàn)的決定系數(shù)較高和均方根誤差較低分別為0.61、1.33。因此,基于多變量建立的非線性最佳反演模型為支持向量機(jī)模型。(3)確定了蘋果樹冠層氮素含量反演最佳模型對(duì)已建立的單變量蘋果樹冠層氮素含量反演模型和多變量蘋果氮素含量反演模型的驗(yàn)證結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析,最終得到蘋果樹冠層氮素含量的最佳反演模型,模型為:N含量=35.74 41.98*NPCI-10.78*NDVI。(4)完成了研究區(qū)蘋果園提取以及蘋果樹冠層氮素含量的空間反演對(duì)GF-1全色和多光譜影像進(jìn)行NNDiffuse Pan Sharpening融合,利用NDVI、研究區(qū)的高程、坡度信息,采用最大似然法進(jìn)行分類,提取了GF-1融合影像的蘋果園信息,利用建立的蘋果樹冠層氮素含量最佳模型,對(duì)蘋果樹冠層氮素含量進(jìn)行了空間反演,得到了研究區(qū)蘋果樹冠層氮素含量的遙感空間反演圖。利用國產(chǎn)GF-1衛(wèi)星影像對(duì)蘋果樹冠層氮素含量進(jìn)行反演,為區(qū)域性果樹營養(yǎng)元素的大面積快速監(jiān)測(cè)提供了理論依據(jù)和技術(shù)支撐。
【學(xué)位單位】：山東農(nóng)業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：TP751;S661.1
【部分圖文】：

山東農(nóng)業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文（4）基于 GF-1 影像的蘋果園提取及蘋果樹冠層氮素含量空間反演根據(jù) GF-1 融合影像數(shù)據(jù)提取蘋果園信息，在進(jìn)行預(yù)處理后的 GF-1 全色多光譜的基礎(chǔ)上，利用 NDVI、高程和坡度信息、通過最大似然法進(jìn)行分類，提取影果園區(qū)域，得到研究區(qū)蘋果園分布圖。根據(jù)蘋果樹冠層氮素含量最佳反演模型層氮素含量反演，得到研究區(qū)蘋果樹冠層氮素含量圖。 技術(shù)路線本文具體技術(shù)路線見圖 1.1。

為山東省煙臺(tái)棲霞市，該市位于膠東半島腹地，介于北緯 37°05′ - 3733′ - 121°15′之間，屬于溫帶季風(fēng)性氣候，年平均氣溫 11.3℃，年平均降無霜期平均 207 天，秋季晝夜溫差大，土壤大多為棕壤土，自然環(huán)境非，該地區(qū)果園面積大且分布集中，比較適合利用遙感進(jìn)行大面積研究獲取樹冠層葉片采集17 年 5 月 24 日采集葉片樣本，主要采集于棲霞地區(qū)的 12 個(gè)鎮(zhèn)和 3 個(gè)街，選取生長狀況良好且遠(yuǎn)離明顯地物（道路、水渠等）的蘋果樹，在蘋南北四個(gè)方向，各取 3 片大小、顏色相近的成熟葉片，共計(jì) 12 片葉片 3 棵果樹，共計(jì)采集 59 個(gè)樣本，裝入自封袋中，密封編號(hào)后放進(jìn)保鮮實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行氮素測(cè)定。使用差分 GPS 同步記錄樣本采集點(diǎn)處經(jīng)緯度坐集點(diǎn)處蘋果樹冠層光譜反射率。

圖 2.2ASD FieldSpec 4 光譜儀Fig.2.2 ASD FieldSpec 4 Spectrometer表 2.1ASD FieldSpec 4 參數(shù)Table 2.1 ASD FieldSpec 4 parameters天氣晴朗無云無風(fēng)，在 10:30 - 14:00 時(shí)間內(nèi)進(jìn)正，光譜儀外接 5 米光纖，探頭垂直向下，定高度，每個(gè)樣本重復(fù)觀測(cè) 10 次，取其平均每 15 分鐘進(jìn)行一次白板優(yōu)化。參數(shù)FieldSpec 4 350-2500 nm 1.4 nm @ 350-1000 nm, 2 nm @ 3 nm @ 350-1000 nm, 8 nm @ 1 nm角 25°

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2829873