發(fā)布時(shí)間：2020-09-01 15:06

　　 精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)是一種基于信息的農(nóng)業(yè)管理系統(tǒng),利用傳感器和現(xiàn)代先進(jìn)的監(jiān)測(cè)技術(shù),對(duì)詳細(xì)的土地?cái)?shù)據(jù)和作物數(shù)據(jù)提供完全,準(zhǔn)確以及及時(shí)的了解,并結(jié)合準(zhǔn)確的時(shí)空統(tǒng)計(jì)分析,及時(shí)迅速的做出正確決策。通過利用高光譜數(shù)據(jù)與不同養(yǎng)分(氮、磷、鉀等)所建立的數(shù)學(xué)模型,可以用來估測(cè)作物養(yǎng)分得供應(yīng)狀況。通過大量的研究表明,通過遙感監(jiān)測(cè)作物的氮素含量水平的精確性優(yōu)于監(jiān)測(cè)作物其他營養(yǎng)元素的精確性。高光譜數(shù)據(jù)的預(yù)處理方法在高光譜數(shù)據(jù)處理中具有非常重要的地位。有效的預(yù)處理方法能夠減少甚至于消除高光譜的無關(guān)信息(例如樣本背景和電噪聲以及雜散光),對(duì)數(shù)據(jù)的影響為后續(xù)基于高光譜數(shù)據(jù)的分析提供更為可靠且有效的數(shù)據(jù)來源。小麥作為我國非常重要的糧食作物,利用高光譜技術(shù)及時(shí)和準(zhǔn)確的監(jiān)測(cè)其生長狀況以及產(chǎn)量等狀況尤為重要,對(duì)實(shí)現(xiàn)小麥生長的精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的管理也是非常重要的一部分。氮素是對(duì)小麥生長發(fā)育、產(chǎn)出量以及小麥品質(zhì)的非常重要的營養(yǎng)元素。提高氮元素的可利用性,可以在相對(duì)短期的時(shí)間之內(nèi)提高小麥作物的產(chǎn)量。目前世界上氮肥消耗量最大的國家便是中國,過量施用氮肥不僅影響小麥品質(zhì)和產(chǎn)量,還會(huì)引發(fā)一系列環(huán)境污染問題。因此,制定科學(xué)的施氮方案,提高肥料利用效率,不僅有利于小麥生長和增產(chǎn)增收,還可以保護(hù)生態(tài)環(huán)境,減少環(huán)境污染,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益和生態(tài)效益的共同發(fā)展。本研究將灌漿期的冬小麥作為研究對(duì)象,以大田實(shí)驗(yàn)和采樣實(shí)驗(yàn)作為手段,通過實(shí)地測(cè)量獲得灌漿期冬小麥的冠層光譜反射率,在實(shí)驗(yàn)室通過化學(xué)手段獲取小麥葉片氮素含量,充分分析小麥冠層光譜數(shù)據(jù)與小麥葉片氮素含量的相關(guān)性,篩選出敏感波段,利用偏最小二乘法來確立灌漿期冬小麥的氮素含量估測(cè)模型,之后對(duì)模型進(jìn)行了驗(yàn)證以及優(yōu)化。研究的主要成果是:(1)原始光譜反射率經(jīng)過預(yù)處理后,與小麥葉氮含量的相關(guān)性均會(huì)得到相應(yīng)提高,說明預(yù)處理對(duì)光譜數(shù)據(jù)的處理與應(yīng)用有著非常重要的作用,能夠減少甚至于消除高光譜的無關(guān)信息,能夠?yàn)楹罄m(xù)基于高光譜數(shù)據(jù)的分析提供更為可靠且有效的數(shù)據(jù)來源;(2)在經(jīng)過多種預(yù)處理的比對(duì)過后,發(fā)現(xiàn)經(jīng)過二階微分處理后的光譜數(shù)據(jù)建立的模型精度最高,說明二階導(dǎo)數(shù)變換為最優(yōu)光譜預(yù)處理方式;同時(shí),多元輻射校正以及小波變換(bior1.3)之后的光譜數(shù)據(jù)所建立的反演模型,擬合系數(shù)也均達(dá)到了0.8以上,對(duì)樣品適應(yīng)性相對(duì)良好,預(yù)測(cè)結(jié)果相對(duì)準(zhǔn)確,模型精度相對(duì)較高;(3)小波變換作為光譜數(shù)據(jù)預(yù)處理方法的一種,具有多個(gè)母函數(shù),但并不是每種類型均適用,要基于實(shí)際情況選擇合適的母函數(shù)進(jìn)行分析,在本研究中,通過對(duì)多種母函數(shù)的比較,最后選定的小波函數(shù)為bior1.3;(4)光譜平滑和一階導(dǎo)數(shù)變換作為高光譜預(yù)處理的一般方法,在本研究中建立的模型精度并不高,可能是因?yàn)楸尘霸肼曈绊戇^大,影響了數(shù)據(jù)的精確利用,降低了反演模型的精度。(5)經(jīng)過對(duì)原始光譜數(shù)據(jù)均值中心化與數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化的預(yù)處理后,均會(huì)將反演模型精度大幅提高,且提高的幅度幾近相同,但并不適用于本次研究,原因可能是數(shù)據(jù)獲取過程中受其他影響過大,原始數(shù)據(jù)精準(zhǔn)度降低,產(chǎn)生了誤差,干擾了本次實(shí)驗(yàn)。
【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】：2018
【中圖分類】：S512.1
【部分圖文】：

圖 1.2.2 綠色植被典型光譜（趙英時(shí)，2003）Figure 1.2.2 Typical spectrum of green vegetation(Zhao Yingshi, 2003)色素的吸收程度決定可見光波段內(nèi)的光譜反射率，細(xì)胞的內(nèi)部結(jié)構(gòu)決定了近紅外波段內(nèi)的光譜反射率，水汽的吸收程度決定短波紅外光譜的反射率特性，這便是植被光譜反射率的曲線特征（張超等，2010）。根據(jù)總結(jié)整理，發(fā)現(xiàn)植被在 350nm-2500nm 波譜范圍內(nèi)具有以下典型的反射光譜特征：（1）350nm-490nm 譜段范圍：因?yàn)?400nm-450nm 譜段內(nèi)是葉綠素強(qiáng)吸收帶，425nm-490nm 譜段范圍是類胡蘿卜素強(qiáng)吸收帶，380nm 波長附近有大氣弱吸收帶，所以350nm-490nm 譜段范圍內(nèi)的平均反射率較低，一般情況下不會(huì)超過 10%，反射光譜曲線形狀表現(xiàn)為較平緩；（2）490nm-600nm 譜段范圍內(nèi)：由于 550nm 的波長附近為葉綠素反射峰，所以植被在此波段反射光譜曲線呈現(xiàn)波峰的形態(tài)以及中等反射率數(shù)值（數(shù)值在 8%-28%之間）；（3）600nm-700nm 譜段范圍內(nèi)：650nm-700nm 譜段范圍是葉綠素強(qiáng)吸收帶,610nm

相關(guān)系數(shù) r 公式表現(xiàn)為:（2）相關(guān)系數(shù) r 表示的是兩個(gè)變量之間線性關(guān)系的相關(guān)程度，當(dāng) r>0 時(shí)表示正相關(guān) r<0 表示負(fù)相關(guān)，r 的絕對(duì)值越大，兩個(gè)變量之間的相關(guān)性程度就越高。.1 原始光譜與氮素含量相關(guān)性在原始光譜數(shù)據(jù)中，由于近紅外區(qū)域的吸收強(qiáng)度較弱，光譜信噪比相對(duì)較低，倍光譜帶重疊時(shí)有發(fā)生，從而使原始光譜的解析和信息提取以及依照原始光譜進(jìn)行的分析變得不精確。由于數(shù)據(jù)獲取中產(chǎn)生的誤差，原始光譜反射率與小麥葉片氮素含相關(guān)性相對(duì)較低，本文中將原始光譜反射率與小麥葉片氮含量相關(guān)性作為多種光譜預(yù)處理后與小麥氮素含量相關(guān)性的對(duì)照實(shí)驗(yàn)，以此來驗(yàn)證光譜數(shù)據(jù)預(yù)處理后是否會(huì)光譜數(shù)據(jù)與葉氮含量相關(guān)性。

3.2 平滑后光譜與氮素含量相關(guān)性分析信號(hào)平滑處理在光譜數(shù)據(jù)預(yù)處理中是常用的消除噪聲的方法，通常還會(huì)被稱作數(shù)字波器。從地面光譜儀光電檢測(cè)系統(tǒng)采集到的光譜數(shù)字信號(hào)分為兩部分：一部分是探測(cè)對(duì)地面物體的響應(yīng)信號(hào)，另一部分是系統(tǒng)噪聲。噪聲主要來源于探測(cè)器系統(tǒng)，在部件作期間產(chǎn)生的地面物體的光譜曲線還包括背景的噪聲和部分光譜的噪聲。由于這些噪的存在，使得物體光譜的利用和分析帶來了很大的干擾（陳拉 2009），所以為了消除擾因素，就需要對(duì)光譜數(shù)據(jù)中存在的噪聲使用平滑的預(yù)處理方法。不同平滑方法產(chǎn)生平滑效果是不同的，所以設(shè)定了平滑標(biāo)準(zhǔn)的判斷原則：根據(jù)最大程度保持光譜特征值原則，使光譜曲線盡可能平滑，且平滑光譜曲線對(duì)是冬小麥理化參量的預(yù)測(cè)精度較高田明璐，2017）。平滑的基本思想是通過平均或擬合寬度為（2r + 1）個(gè)點(diǎn)的窗口的點(diǎn)來獲得平滑點(diǎn)最佳估計(jì)值。在本研究中，使用的平滑方法為指數(shù)平滑，平滑系數(shù)為 0.3。

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2809896