CN102313699A

CN102313699A - 作物冠层叶片的全氮含量估算方法

Info

Publication number: CN102313699A
Application number: CN201110138022A
Authority: CN
Inventors: 赵春江; 徐新刚; 王纪华; 黄文江; 李存军; 宋晓宇; 杨小冬; 顾晓鹤; 杨贵军; 杨浩
Original assignee: Beijing Research Center for Information Technology in Agriculture
Current assignee: Beijing Research Center for Information Technology in Agriculture
Priority date: 2011-05-26
Filing date: 2011-05-26
Publication date: 2012-01-11
Anticipated expiration: 2031-05-26
Also published as: CN102313699B

Abstract

本发明公开了一种作物冠层叶片的全氮含量估算方法，涉及作物生化组分光谱无损检测技术领域，所述方法包括步骤：S1：测定作物冠层包含400nm～760nm波段范围的高光谱数据，计算作物冠层光谱反射率并得到其光谱反射率曲线；S2：利用作物冠层光谱反射率计算作物冠层相对光谱反射率并得到其相对光谱反射率曲线；S3：对作物冠层相对光谱反射率曲线中400nm～500nm与680nm～760nm两个特征波段的相对光谱反射率曲线分别进行线性拟合，计算得到两段相对光谱反射率曲线的斜率；S4：利用680nm～760nm与400nm～500nm两个特征波段相对光谱反射率曲线斜率的比值，建立作物冠层叶片全氮含量估算模型，实现作物冠层叶片全氮含量的估算。本发明能够建立扩展性强、稳定的作物氮素生化组分估算模型。

Description

作物冠层叶片的全氮含量估算方法

技术领域

本发明涉及作物生化组分光谱无损检测技术领域，特别是涉及一种对作物冠层叶片的全氮含量进行估算的方法。

背景技术

氮素是包括大麦在内的作物所需的主要营养元素，直接影响着作物生长发育与产量品质的形成。对作物冠层叶片的氮素含量水平进行实时、快速和准确地检测，有利于科学合理地指导氮肥施用，减少过量施氮造成的环境污染，提高作物的产量与品质，具有重要的实际意义与应用价值，本发明所述的全氮含量，具体是指作物冠层叶片单位干重中所含氮素的总量，乘以100后用百分比(％)表示，单位为gN100/gDW。

传统的作物氮素含量检测方法耗时费力成本高，并具有破坏性和滞后性。近年来，随着高光谱技术的快速发展，应用光谱无损探测技术对包括氮素在内的作物生化组分进行无损监测估算，已成为当前研究田间作物长势及营养诊断的重要方法。

目前，应用光谱技术检测作物氮素含量的主要方法有两种：一是使用敏感波长的反射率组合生成的各种光谱植被指数；二是应用光谱特征变量直接与作物氮素含量建立响应模型，实现氮素含量的光谱无损估测，光谱特征变量主要包括光谱曲线反射峰或吸收谷特征，以及导数光谱特征量。这两类方法由于通常只使用少数几个特征波长，往往忽略对高光谱数据多个波段丰富信息的挖掘应用，并且在实际应用中很少考虑晴天由于局部云斑阴影暂时或偶然性遮挡产生的光谱差异，使得构建的氮素光谱估算方法模型在时间与空间应用上常表现出扩展性不强、稳定性缺乏的局限。

发明内容

(一)要解决的技术问题

针对现有技术中的上述缺陷，本发明要解决的技术问题是：提供一种作物冠层叶片的全氮含量估算方法，其能够挖掘应用高光谱数据多个波段的丰富信息，建立起扩展性和稳定性强的作物叶片全氮含量光谱估算模型，还可以在一定程度上消除偶然性云斑阴影的影响，提高了作物冠层叶片全氮含量估算在实际应用中的准确性和可比性。

(二)技术方案

为解决上述问题，本发明提供了一种作物冠层叶片的全氮含量估算方法，所述方法包括步骤：

S1：测定作物冠层包含400nm～760nm波段范围的高光谱数据，计算作物冠层光谱反射率并得到其光谱反射率曲线；

S2：利用作物冠层光谱反射率计算作物冠层相对光谱反射率并得到其相对光谱反射率曲线；

S3：对作物冠层相对光谱反射率曲线中400nm～500nm与680nm～760nm两个特征波段的相对光谱反射率曲线分别进行线性拟合，计算得到两段相对光谱反射率曲线各自的斜率；

S4：利用680nm～760nm与400nm～500nm两个特征波段的相对光谱反射率曲线斜率的比值，建立作物冠层叶片全氮含量估算模型，实现作物冠层叶片全氮含量的估算。

其中，所述的步骤S2中计算作物冠层的相对光谱反射率包括：先对所述作物冠层光谱反射率曲线作平滑处理，然后用平滑后的作物冠层光谱反射率曲线中各个波长对应的光谱反射率除以平滑后的作物冠层光谱反射率曲线中所有波长对应的光谱反射率的均值的步骤。

其中，所述的先对所述作物冠层光谱反射率曲线作平滑处理，然后用平滑后的作物冠层光谱反射率曲线中各个波长对应的光谱反射率除以平滑后的作物冠层光谱反射率曲线中所有波长对应的光谱反射率的均值，进一步包括：设ρ_i为波长为i的光谱反射率，R_i为平滑后的波长为i的光谱反射率，R′_i为波长为i的相对光谱反射率，则

R_i＝(ρ_i-2+ρ_i-1+ρ_i+ρ_i+1+ρ_i+2)/5

R_{i}^{'} = R_{i} / (\frac{1}{k} Σ_{i = 1}^{k} R_{i}) .

其中，所述步骤S3进一步包括：将作物冠层的相对光谱反射率曲线中680nm～760nm与400nm～500nm两个波段对应的两段光谱曲线近似看成直线，以波长为自变量，以相对光谱反射率为因变量，进行线性拟合，将两段曲线各自拟合的线性方程的斜率分别作为这两段相对光谱反射率曲线的斜率。

其中，所述的步骤S4包括：以680nm～760nm波段与400nm～500nm波段的相对光谱反射率曲线斜率的比值为自变量，以作物冠层叶片的全氮含量为因变量，建立作物冠层叶片的全氮含量的线性估算模型，将待测的作物冠层的相对光谱反射率曲线斜率比值输入到该估算模型，实现作物冠层叶片全氮含量的估算。

其中，所述建立作物冠层叶片的全氮含量的线性估算模型的方法为最小二乘法。

(三)有益效果

本发明通过应用光谱反射率数据计算相对光谱反射率，通过对两个特征波段光谱反射率曲线进行线性拟合，得出两个特征波段光谱反射率曲线的斜率，而后利用两段相对光谱反射率曲线斜率的比值，建立作物冠层叶片全氮含量的估算模型。

本发明能够挖掘应用高光谱数据多个波段的丰富信息，建立起扩展性和稳定性强的作物叶片全氮含量光谱估算模型，与已有的仅使用少数几个特征波长信息的作物冠层叶片全氮含量光谱无损估算方法相比，本发明既可以充分应用特征波段内多个波长所提供的丰富光谱信息，又在一定程度对特征波段的信息进行了综合和简化，使得本发明所述方法的扩展性和稳定性得到增强。

本发明在估算过程中使用相对光谱反射率，能在一定程度上消除偶然性云斑阴影的影响，提高了作物全氮含量估算的可比性和准确性。

附图说明

图1为本发明所述作物冠层叶片的全氮含量估算方法的流程图；

图2为本发明所述的400nm～500nm与680nm～760nm两个特征波段相对光谱反射率曲线的斜率表达示意图；

图3为应用样本数据构建的大麦拔节至抽穗期冠层叶片全氮含量估算模型图；

图4为本发明所述方法的应用效果示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

如图1所示，本发明所述作物冠层叶片的全氮含量估算方法，包括步骤：

S1：测定作物冠层，例如大麦冠层400nm～760nm波段范围的高光谱数据，计算作物冠层光谱反射率并得到其光谱反射率曲线；

本步骤中，应用美国ASD(Analytical Spectral Device)公司生产的便携式野外地物光谱仪测量田间大麦拔节至抽穗期生长阶段的冠层光谱；所述冠层至少包括叶片。

本步骤中，在计算大麦冠层400nm～760nm波段的相对光谱反射率时，可以先对所述大麦冠层光谱反射率曲线作平滑处理，然后用平滑后的大麦冠层光谱反射率曲线中各个波长对应的光谱反射率除以平滑后的大麦冠层光谱反射率曲线中所有波长对应的光谱反射率的均值，得到大麦冠层光谱反射率曲线中各波长的相对光谱反射率。

设ρ_i为波长为i的光谱反射率，R_i为平滑后的波长为i的光谱反射率，R′_i为波长为i的相对光谱反射率，则

R_i＝(ρ_i-2+ρ_i-1+ρ_i+ρ_i+1+ρ_i+2)/5

R_{i}^{'} = R_{i} / (\frac{1}{k} Σ_{i = 1}^{k} R_{i}) .

由于对大麦冠层光谱反射率的测量一般要求晴天无云的天气条件，但有时在田间实际测量过程中，可能的局部少量云斑临时或偶然的光照遮挡，使得田间的光照条件产生一定差异，导致田间测得光谱反射率数据不具可比性，这样估算得到的叶片全氮含量可能产生较大误差。应用相对光谱反射率可在一定程度上消除光照条件差异的影响。

S3：对大麦冠层相对光谱反射率曲线中400nm～500nm与680nm～760nm两个特征波段的相对光谱反射率曲线分别进行线性拟合，计算得到两段相对光谱反射率曲线各自的斜率；

本步骤中，将大麦冠层叶片相对光谱反射率曲线中680nm～760nm与400nm～500nm波段范围的两段曲线近似看成直线，以波长为自变量，以相对光谱反射率为因变量，进行线性拟合，将两段曲线各自拟合的线性方程的斜率分别作为这两段相对光谱反射率曲线的斜率。如图2所示，其计算表达公式如下：

R′＝k*W+b

其中，R′为因变量，指相对光谱反射率；W为自变量，指400nm～500nm或680nm～760nm波段中的各波长；b为线性拟合方程的截距；k为线性拟合方程的斜率，也就是本发明方法所指的相对光谱反射率曲线的斜率，当W的值在400nm～500nm波段范围内时，指K_400-500，当W的值在680nm～760nm波段范围内时，指K_680-760。

S4：利用680nm～760nm与400nm～500nm两个特征波段的相对光谱反射率曲线斜率的比值，建立大麦冠层叶片全氮含量估算模型，实现作物冠层叶片全氮含量的估算。

本步骤中，以大麦冠层相对光谱反射率中680nm～760nm与400nm～500nm两段相对光谱反射率曲线斜率的比值，即K_680-760/K_400-500为自变量，以大麦冠层叶片全氮含量为因变量，利用最小二乘法建立大麦冠层叶片全氮含量的线性估算模型，将待测的大麦冠层相对光谱反射率曲线斜率比值输入到该估算模型，实现大麦冠层叶片全氮含量的估算。基于上述的光谱和大麦冠层叶片全氮含量样本数据，建立的拔节至抽穗期大麦冠层叶片全氮含量的估算模型如下：

N(％)＝0.022*K_680-760/K_400-500+2.429(R²＝0.679**，n＝25)

图3是使用样本数据构建的大麦拔节至抽穗期的冠层叶片全氮含量估算模型图，从图中可以看出模型的决定系数(R²)达到极显著水平(R²＝0.679^**)，均方根误差(RMSE)为0.592，表明使用本发明所述方法建立的模型具有较高的质量。

为验证本发明方法的应用效果，随机选择了拔节至抽穗期的大麦地块，进行大麦冠层光谱反射率的测定，根据本发明方法的处理流程，通过计算大麦冠层相对光谱反射率曲线中680nm～760nm与400nm～500nm两段光谱曲线斜率的比值K_680-760/K_400-500，将其输入到上述的拔节至抽穗期大麦冠层叶片全氮含量的估算模型中，得到大麦冠层叶片全氮含量，并使之与实测值进行比较。结果表明利用本方法估算得到的大麦冠层叶片全氮含量与实测值的相关系数达到了极显著水平(r＝0.79^**，n＝13)，如图4所示，其均方根误差(RMSE)为0.583，平均相对误差为8.9％，这表明了本发明利用相对光谱反射率曲线斜率变量信息估算拔节至抽穗期大麦冠层叶片全氮含量的可行性。

以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。

Claims

1.一种作物冠层叶片的全氮含量估算方法，其特征在于，包括步骤：

2.如权利要求1所述的作物冠层叶片的全氮含量估算方法，其特征在于：所述的步骤S2中计算作物冠层的相对光谱反射率包括：先对所述作物冠层光谱反射率曲线作平滑处理，然后用平滑后的作物冠层光谱反射率曲线中各个波长对应的光谱反射率除以平滑后的作物冠层光谱反射率曲线中所有波长对应的光谱反射率的均值的步骤。

3.如权利要求2所述的作物冠层叶片的全氮含量估算方法，其特征在于，所述的先对所述作物冠层光谱反射率曲线作平滑处理，然后用平滑后的作物冠层光谱反射率曲线中各个波长对应的光谱反射率除以平滑后的作物冠层光谱反射率曲线中所有波长对应的光谱反射率的均值，进一步包括：设ρ_i为波长为i的光谱反射率，R_i为平滑后的波长为i的光谱反射率，R′_i为波长为i的相对光谱反射率，则

R_i＝(ρ_i-2+ρ_i-1+ρ_i+ρ_i+1+ρ_i+2)/5

R_{i}^{'} = R_{i} / (\frac{1}{k} Σ_{i = 1}^{k} R_{i}) .

4.如权利要求1所述的作物冠层叶片的全氮含量估算方法，其特征在于，所述步骤S3进一步包括：将作物冠层的相对光谱反射率曲线中680nm～760nm与400nm～500nm两个波段对应的两段光谱曲线近似看成直线，以波长为自变量，以相对光谱反射率为因变量，进行线性拟合，将两段曲线各自拟合的线性方程的斜率分别作为这两段相对光谱反射率曲线的斜率。

5.如权利要求1所述的作物冠层叶片的全氮含量估算方法，其特征在于，所述的步骤S4包括：以680nm～760nm波段与400nm～500nm波段的相对光谱反射率曲线斜率的比值为自变量，以作物冠层叶片的全氮含量为因变量，建立作物冠层叶片的全氮含量的线性估算模型，将待测的作物冠层的相对光谱反射率曲线斜率比值输入到该估算模型，实现作物冠层叶片全氮含量的估算。

6.如权利要求5所述的作物冠层叶片的全氮含量估算方法，其特征在于，所述建立作物冠层叶片的全氮含量的线性估算模型的方法为最小二乘法。