高光譜遙感監(jiān)測水稻缺水脅迫的各種建模方法的比較

摘要：本研究旨在理解不同缺水脅迫下10個(gè)水稻基本型的表現(xiàn)。記錄了不同脅迫水平下植物的相對(duì)含水量（RWC）以及在350-2500 nm范圍內(nèi)的高光譜數(shù)據(jù)。通過光譜指數(shù)，多元技術(shù)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)確定最佳波段，并建立預(yù)測模型。建立了新的水敏感光譜指數(shù)，并就RWC評(píng)估了現(xiàn)有的水帶光譜指數(shù)。這些基于指數(shù)的模型可以有效地預(yù)測RWC，R²值為0.73至0.94。在350-2500 nm范圍內(nèi)的所有可能組合中，使用比率光譜指數(shù)（RSI）和歸一化光譜指數(shù)（NDSI）繪制等高線，并量化與RWC的相關(guān)性以確定最佳指數(shù)。光譜反射率數(shù)據(jù)（ASD Field Spec3 spectroradiometer測量）還用于建立偏最小二乘回歸（PLSR），然后進(jìn)行多元線性回歸（MLR）和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（ANN），支持向量機(jī)回歸（SVR）和隨機(jī)森林（RF）模型來計(jì)算植物RWC。在這些多元模型中，PLSR-MLR被認(rèn)為是預(yù)測RWC的最佳模型，校正和驗(yàn)證的R²分別為0.98和0.97，預(yù)測的均方根誤差（RMSEP）為5.06。結(jié)果表明，PLSR是鑒定作物缺水脅迫的可靠技術(shù)。盡管PLSR是可靠的技術(shù)，但如果將PLSR提取的最佳波段饋入MLR，則結(jié)果會(huì)得到顯著改善。使用所有光譜反射帶建立了ANN模型。建立的模型未取得令人滿意的結(jié)果。因此，使用PLSR選擇的最佳波段作為獨(dú)立x變量開發(fā)了模型，發(fā)現(xiàn)PLSR-ANN模型比單獨(dú)的ANN模型更好。該研究成功地在各種建模方法之間進(jìn)行了分析比較，以量化缺水脅迫。通過預(yù)測農(nóng)作物的RWC，開發(fā)出的方法可通過預(yù)測農(nóng)作物的RWC而更準(zhǔn)確地識(shí)別缺水脅迫。

本研究的目標(biāo)是：（1）評(píng)估現(xiàn)有水帶指數(shù)以及開發(fā)新的有效水帶指數(shù)；（2）確定對(duì)作物的RWC敏感的最佳波段；（3）使用多元技術(shù)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)開發(fā)各種RWC預(yù)測模型，并彼此之間進(jìn)行比較；（4）評(píng)估PLSR-MLR模型以測試其功效是否優(yōu)于僅通過PLS回歸開發(fā)的模型。

缺水脅迫下光譜反射率的變化

通常，特定作物表現(xiàn)出相似的反射光譜。但是缺水脅迫帶來了反射光譜的顯著變化。該研究顯示了不同缺水脅迫下植物的反射率模式。新鮮植物的反射率較低，而干燥植物的反射率較高。RWC降低，SWIR區(qū)域反射率反而增加，原因是1400 nm和1900 nm處水吸收特征減弱。在350-700 nm波長區(qū)域觀察到了類似的變化模式。藍(lán)色和紅色區(qū)域（葉綠素a和b的吸收范圍）中光譜顯示出隨著RWC降低，反射率增加。隨著葉片的干燥，1400-1925 nm波長向較短波長移動(dòng)，且光譜反射率增加。隨著RWC的降低，1400-1500 nm和1850-1900 nm處的吸收特征變淺。吸收率下降的原因是RWC降低而使水吸收特性減弱。在810-1350 nm的海綿狀葉肉中的散射也反映出反射率隨RWC降低而增加的類似趨勢。此外，在中紅外（1100-2500 nm）處的吸收也是一個(gè)強(qiáng)烈的吸收區(qū)域，隨著RWC降低，葉片枯萎主要通過新鮮葉片中的水，其次是通過干物質(zhì)（例如蛋白質(zhì)，木質(zhì)素和纖維素）而變得更加明顯。

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圖2顯示了水稻葉片隨相對(duì)含水量降低，其基因型的平均光譜反射率結(jié)果，顯示了相對(duì)含水量的百分比以及不同時(shí)間間隔的響應(yīng)光譜。

圖8顯示了從偏最小二乘回歸模型中提取的潛在變量。光譜的波峰和波谷用于相對(duì)含水量預(yù)測的最佳波段。右下圖顯示了三個(gè)潛在變量的覆蓋。

圖13顯示了使用校準(zhǔn)和驗(yàn)證的R²和RMSEP進(jìn)行多元模型和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的性能評(píng)估。

結(jié)論：這項(xiàng)研究成功地評(píng)估了基于指數(shù)，多元技術(shù)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法，準(zhǔn)確地預(yù)測了水稻基因型缺水脅迫條件下的相對(duì)含水量（RWC）。評(píng)估了現(xiàn)有的水帶指數(shù)，并提出了對(duì)水分脅迫敏感的新水帶指數(shù)。發(fā)現(xiàn)MDWI是所有常規(guī)現(xiàn)有指數(shù)中最好的指數(shù)。新提出的指數(shù)優(yōu)于所有其他指數(shù)。對(duì)于水稻作物的RWC的估算，MLR技術(shù)（PLSR-MLR模型）是最好的（產(chǎn)生高R²和低RMSEP），其次是通過PLSR和ANN技術(shù)開發(fā)的模型（PLSR-ANN模型）。因此，從這項(xiàng)研究中可以得出結(jié)論，及時(shí)發(fā)現(xiàn)缺水脅迫對(duì)于精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)非常重要。通過這項(xiàng)研究開發(fā)的模型和指數(shù)可以有效地檢測水分虧缺脅迫。使用高光譜反射率測量作物不同階段的相對(duì)含水量（RWC）可以及時(shí)檢測出水分虧缺脅迫。與基于地面的光譜輻射儀數(shù)據(jù)相比，高光譜成像可以提供大面積覆蓋，并且將更加適合。研究區(qū)域無法獲得高光譜圖像，這限制了在區(qū)域尺度上評(píng)估缺水脅迫。在未來的研究中使用機(jī)載/衛(wèi)星傳播的高光譜數(shù)據(jù)可能會(huì)大大增強(qiáng)此類研究的實(shí)用性。為預(yù)測RWC而開發(fā)的方法可利用作物反射光譜更準(zhǔn)確地識(shí)別缺水脅迫，并可用于開發(fā)抗旱品種。

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