基于高光譜遙感數(shù)據(jù)的辣椒葉片葉綠素含量反演

以貴州省遵義市種植的辣椒為研究對(duì)象，實(shí)地采集辣椒盛果期葉片SPAD值，并獲取近地高光譜數(shù)據(jù)和無(wú)人機(jī)低空高光譜數(shù)據(jù)；通過(guò)高光譜數(shù)據(jù)提取辣椒葉片的光譜反射率，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理和相關(guān)性分析，構(gòu)建出與辣椒葉綠素相關(guān)性高的植被指數(shù)。

一、引言

辣椒的生長(zhǎng)狀況直接影響其品質(zhì)優(yōu)劣及經(jīng)濟(jì)價(jià)值，因此實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)辣椒生長(zhǎng)狀況非常必要，這也是確保辣椒科學(xué)種植的前提。葉綠素作為植被進(jìn)行光合作用的主要物質(zhì)，其含量的多少直接影響光合作用的效果，可將其作為衡量植物生長(zhǎng)健康狀況的重要指標(biāo)。

無(wú)人機(jī)高光譜遙感技術(shù)和近地高光譜技術(shù)在農(nóng)作物的生長(zhǎng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)、分類等方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，它快速、高效、便捷、監(jiān)測(cè)范圍廣，可對(duì)植被進(jìn)行連續(xù)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，在快速獲取大量植被表型信息的研究中有很好的應(yīng)用前景。研究人員將高光譜技術(shù)應(yīng)用到植被參數(shù)的反演中，可對(duì)植被進(jìn)行快速無(wú)損監(jiān)測(cè)。

本研究以辣椒為研究對(duì)象，設(shè)置基于不同辣椒品種的辣椒田間實(shí)驗(yàn)，測(cè)定地物高光譜數(shù)據(jù)、無(wú)人機(jī)高光譜數(shù)據(jù)和葉片SPAD值。并依據(jù)兩個(gè)平臺(tái)的光譜特性，構(gòu)建優(yōu)化光譜參數(shù)，揭示不同數(shù)據(jù)集對(duì)葉綠素含量反演的影響及內(nèi)在聯(lián)系，建立基于機(jī)器學(xué)習(xí)算法的SPAD回歸模型，進(jìn)而提出適用于該研究區(qū)辣椒葉片葉綠素含量反演模型。研究成果對(duì)于貴州地區(qū)的辣椒科學(xué)種植具有一定科學(xué)意義和實(shí)踐價(jià)值。

二、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與分析方法

2.1 典型地物光譜特征

研究區(qū)選擇遵義市新蒲新區(qū)貴州省農(nóng)業(yè)科學(xué)院辣椒研究所官莊示范基地（E104°18′20″、N25°19′44″，圖2-1），遵義市因辣椒品種豐富，營(yíng)養(yǎng)價(jià)值高被世界辣椒聯(lián)盟授予“世界辣椒之都”榮譽(yù)稱號(hào)。遵義市位于貴州省北部，云貴高原東北部，中心城區(qū)南到省會(huì)貴陽(yáng)市140千米，總面積30762平方千米，研究區(qū)屬于中亞熱帶高原濕潤(rùn)季風(fēng)區(qū)，一年四季分明，雨熱同季，無(wú)霜期長(zhǎng)，約250～350天，全年平均氣溫15.1℃，日照率23%～29%，日照充足，雨水整體較為豐沛，年平均降水量900mm～1200mm，變化范圍800mm～1600mm，具有種植辣椒的天然優(yōu)勢(shì)。

圖2-1研究區(qū)位置示意圖

2.2 高光譜數(shù)據(jù)獲取

2.2.1近地非成像光譜數(shù)據(jù)獲取

以辣椒盛果期葉片為研究對(duì)象進(jìn)行光譜測(cè)定，測(cè)量?jī)x器為便攜式地物光譜儀。

選取天氣適宜時(shí)對(duì)冠層光譜予以測(cè)定，量測(cè)時(shí)間為早上10:00到下午15:00。為避免光污染，檢測(cè)人員身穿深色衣物。測(cè)量過(guò)程中具體方法如下：測(cè)量時(shí)應(yīng)使探頭朝下，距離冠層植株約15～30cm，檢測(cè)過(guò)程中每隔5株植株經(jīng)過(guò)一次標(biāo)準(zhǔn)白板校正，對(duì)每株植株測(cè)量5次，取其平均值作為最終反射率。本研究測(cè)量光譜范圍在350～2500nm之間，共計(jì)2151個(gè)波段，由于農(nóng)作物波譜在1400nm、1900nm處受到水吸收帶的影響，且已有研究表明，葉綠素的響應(yīng)波段為可見(jiàn)光和近紅外波段，故本研究在采用高光譜儀分析葉綠素時(shí)使用的光譜范圍為350～1300nm。

2.2.2低空成像高光譜數(shù)據(jù)獲取

采用高光譜成像系統(tǒng)對(duì)研究區(qū)進(jìn)行影像數(shù)據(jù)采集，時(shí)間為2021年9月8日上午11點(diǎn)至12點(diǎn)。當(dāng)天無(wú)風(fēng)、無(wú)明顯云層遮擋，光照充足，無(wú)人機(jī)相機(jī)參數(shù)設(shè)置為：飛行高度100m，曝光時(shí)間10ms。                   

2.3 光譜預(yù)處理

2.3.1光譜平滑處理

由于光譜儀采集的光譜波段之間存在差異，容易在數(shù)據(jù)采集過(guò)程中受到與樣本無(wú)關(guān)的光譜信息的影響，呈現(xiàn)出來(lái)的光譜曲線不平滑，即“毛刺”現(xiàn)象。在數(shù)據(jù)處理過(guò)程中，為了獲得“平穩(wěn)”的光譜曲線，減少樣本光譜中的“噪聲”，需對(duì)原始光譜反射率數(shù)據(jù)進(jìn)行光譜去噪。常用的光譜去噪方法包括卷積平滑、移動(dòng)加權(quán)平均法、高斯濾波和中值濾波等，本文采用卷積平滑法，運(yùn)用軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

三、基于無(wú)人機(jī)高光譜的辣椒SPAD反演研究

3.1 冠層光譜特性分析

由圖3-1可知，無(wú)人機(jī)光譜反射率整體表現(xiàn)為：在可見(jiàn)光的短波波段區(qū)域內(nèi)，葉片光譜反射率普遍較低，出現(xiàn)了一個(gè)波峰和兩個(gè)波谷，在可見(jiàn)光的長(zhǎng)波區(qū)域內(nèi)，葉片反射率急劇增加，在可見(jiàn)光的長(zhǎng)波和近紅外區(qū)域內(nèi)反射率較為平穩(wěn)，SPAD值在30～70范圍內(nèi)各光譜反射率無(wú)明顯差異，高于70的反射率明顯低于其他SPAD值對(duì)應(yīng)的反射率。在可見(jiàn)光范圍內(nèi)SPAD值與光譜反射率無(wú)明顯規(guī)律，當(dāng)波長(zhǎng)超過(guò)730nm以后，規(guī)律顯示為葉綠素值越大，其反射率值越低。無(wú)人機(jī)光譜和近地光譜與SPAD之間的關(guān)系可以描述為SPAD值越大，對(duì)應(yīng)的反射率越小，呈反比關(guān)系。

圖3-1不同SPAD值對(duì)應(yīng)的光譜反射率（無(wú)人機(jī)）

圖3-2（a）展示了所有葉片樣本的葉綠素含量統(tǒng)計(jì)值，圖3-2（b）則將這些樣本分為了建模集和驗(yàn)證集，在葉綠素統(tǒng)計(jì)圖中標(biāo)記了最小值、最大值、平均值和標(biāo)準(zhǔn)差。觀察最小值和最大值可以得出訓(xùn)練集樣本葉片的葉綠素含量分布范圍在32.9～73.9之間，預(yù)測(cè)集樣本葉片的葉綠素含量分布范圍在55.8～66.4之間。訓(xùn)練集葉綠素含量的平均值為59.7，標(biāo)準(zhǔn)差為8.1，而預(yù)測(cè)集葉片的葉綠素平均值為61.2，標(biāo)準(zhǔn)差為3.2，驗(yàn)證集的葉綠素含量平均值相對(duì)于建模集略高，且葉綠素含量的分布范圍也較窄。

圖3-2樣本葉片的葉綠素含量統(tǒng)計(jì)情況圖

3.2數(shù)據(jù)預(yù)處理

無(wú)人機(jī)搭載光譜儀得到地物的原始慣導(dǎo)數(shù)據(jù)后，需對(duì)慣導(dǎo)數(shù)據(jù)進(jìn)行如圖3-3所示的航線分割、幾何校正、輻射校正、地理配準(zhǔn)、影像拼接、輻射定標(biāo)處理才能由立方體數(shù)據(jù)得到地物反射率數(shù)據(jù)。

圖3-3無(wú)人機(jī)高光譜數(shù)據(jù)預(yù)處理步驟

將原始反射率進(jìn)行波譜重采樣，處理后的無(wú)人機(jī)高光譜范圍為396nm～998nm。為了增強(qiáng)光譜反射率和葉綠素之間的相關(guān)性，消除周圍噪聲及土壤反射率等對(duì)辣椒光譜的影響

3.3相關(guān)性分析

3.3.1原始光譜與SPAD值的相關(guān)性分析

利用軟件計(jì)算出辣椒葉片高光譜數(shù)據(jù)與SPAD值之間的相關(guān)系數(shù)，在軟件中繪制出來(lái)，通過(guò)分析數(shù)據(jù)，葉片葉綠素含量與原始光譜反射率之間的相關(guān)性如圖3-4所示。

圖3-4原始光譜與SPAD值的相關(guān)系數(shù)關(guān)系圖

由圖3-4可知，辣椒葉片光譜反射率與葉綠素含量在可見(jiàn)光范圍內(nèi)密切相關(guān)，特別是在綠光波段（480～510nm）和紅光波段（587～702nm），在近紅外波段（780～1000nm）幾乎不能反映其相關(guān)性，其中在350nm～709nm波段范圍內(nèi)呈現(xiàn)極顯著正相關(guān)（0.01顯著性水平），504nm波長(zhǎng)下原始光譜與葉綠素含量呈最大正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.58。

3.3.2倒數(shù)對(duì)數(shù)光譜與SPAD值的相關(guān)性分析

圖3-5倒數(shù)對(duì)數(shù)光譜與SPAD值的相關(guān)系數(shù)關(guān)系圖

通過(guò)分析數(shù)據(jù)，葉片葉綠素含量與倒數(shù)對(duì)數(shù)光譜反射率之間的相關(guān)性如圖3-5所示。由圖3-5可知，倒數(shù)對(duì)數(shù)光譜在350nm～701nm范圍內(nèi)呈現(xiàn)極顯著負(fù)相關(guān)（0.01顯著性水平），在423nm處相關(guān)性最好，其相對(duì)應(yīng)的相關(guān)系數(shù)是-0.60。

3.3.3多元散射矯正光譜與SPAD值的相關(guān)性分析

葉片葉綠素含量與多元散射校正后的光譜之間的相關(guān)性如圖3-6所示。由圖3-6可知，350nm～523nm呈極限負(fù)相關(guān)，在515nm處呈負(fù)相關(guān)最大值，相關(guān)系數(shù)為-0.52。在540～732nm波段范圍內(nèi)呈正相關(guān)，在波段701nm處呈現(xiàn)正相關(guān)最大值，相關(guān)系數(shù)為0.65。

圖3-6MSC光譜與SPAD值的相關(guān)系數(shù)關(guān)系圖

3.3.3連續(xù)統(tǒng)去除光譜與SPAD值的相關(guān)性分析

葉片葉綠素含量與連續(xù)統(tǒng)去除光譜之間的相關(guān)性如圖3-7所示。由圖3-7可知，在400～724nm處呈極顯著正相關(guān)，812～827nm處呈極顯著負(fù)相關(guān)，在波段691nm處呈現(xiàn)相關(guān)性最大值，相關(guān)系數(shù)為0.601。

圖 3-7 連續(xù)統(tǒng)去除光譜與 SPAD 值的相關(guān)系數(shù)關(guān)系圖

四、總結(jié)

本文為實(shí)現(xiàn)研究區(qū)辣椒葉片葉綠素的區(qū)域反演，以研究區(qū)辣椒為研究對(duì)象，基于低空高光譜遙感和近地高光譜技術(shù)，采用無(wú)人機(jī)高光譜對(duì)辣椒葉綠素進(jìn)行反演，并利用光譜分析、數(shù)理統(tǒng)計(jì)等技術(shù)手段，同時(shí)結(jié)合田間同步采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析研究，篩選出與辣椒生理參數(shù)相關(guān)的特征波段及光譜植被指數(shù)，從而建立了具有強(qiáng)普適性、高精度的SPAD反演模型，研究結(jié)果可為山地辣椒生理參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和精確管理提供理論基礎(chǔ)和區(qū)域參考。

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