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高光譜遙感監(jiān)測(cè)水稻缺水脅迫的各種建模方法的比較

日期: 2020-05-25
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高光譜遙感監(jiān)測(cè)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(guò)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(cè)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(cè)RWC,R2值為0.730.94。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(cè)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(lái)計(jì)算植物RWC。在這些多元模型中,PLSR-MLR被認(rèn)為是預(yù)測(cè)RWC的最佳模型,校正和驗(yàn)證的R2分別為0.980.97,預(yù)測(cè)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(guò)預(yù)測(cè)農(nóng)作物的RWC,開發(fā)出的方法可通過(guò)預(yù)測(cè)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(cè)模型,并彼此之間進(jìn)行比較;(4評(píng)估PLSR-MLR模型以測(cè)試其功效是否優(yōu)于僅通過(guò)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(lái)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 nm1900 nm處水吸收特征減弱。在350-700 nm波長(zhǎng)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ab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(zhǎng)向較短波長(zhǎng)移動(dòng),且光譜反射率增加。隨著RWC的降低,1400-1500 nm1850-1900 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(shì)。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(guò)新鮮葉片中的水,其次是通過(guò)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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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。

高光譜遙感監(jiān)測(cè)水稻缺水脅迫的各種建模方法的比較

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(cè)的最佳波段。右下圖顯示了三個(gè)潛在變量的覆蓋。


高光譜遙感監(jiān)測(cè)水稻缺水脅迫的各種建模方法的比較

圖13顯示了使用校準(zhǔn)和驗(yàn)證的R2RMSEP進(jìn)行多元模型和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的性能評(píng)估。


高光譜遙感監(jiān)測(cè)水稻缺水脅迫的各種建模方法的比較

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(cè)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(guò)PLSRANN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(guò)這項(xiàng)研究開發(fā)的模型和指數(shù)可以有效地檢測(cè)水分虧缺脅迫。使用高光譜反射率測(cè)量作物不同階段的相對(duì)含水量(RWC)可以及時(shí)檢測(cè)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(wú)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(lái)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(cè)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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