專(zhuān)利名稱(chēng)：一種基于冠層多光譜的烤煙地上鮮生物量測(cè)定方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及烤煙地上鮮生物量的測(cè)定，尤其涉及一種利用冠層多光譜參數(shù)測(cè)定烤煙地上鮮生物量的方法。
背景技術(shù)：
烤煙地上鮮生物量是判斷烤煙長(zhǎng)勢(shì)的重要指標(biāo)，對(duì)于烤煙肥料管理決策具有重要的指示意義。目前，烤煙地上鮮生物量的傳統(tǒng)測(cè)定方法是對(duì)烤煙地上部分進(jìn)行刈割，用電子天平爭(zhēng)取質(zhì)量。缺點(diǎn)對(duì)植株的破壞是不可逆的，造成經(jīng)濟(jì)損失。烤煙冠層光譜包括可見(jiàn)光波段范圍和近紅外波段范圍。可見(jiàn)光波段范圍內(nèi)的反射率主要反映葉片葉綠素含量和密度，近紅外波段范圍內(nèi)的反射率主要反映烤煙的冠層結(jié)構(gòu)。一般情況下，烤煙地上生物量與葉片葉綠素含量高度一致性，因此地上生物量一定程度上影響烤煙冠層光譜中可見(jiàn)光波段的反射率。同時(shí)，地上生物量越大，近紅外波段范圍內(nèi)的光被反射的概率也會(huì)越大。因此，基于烤煙地上鮮生物量與冠層光譜參數(shù)的相關(guān)性，建立反演烤煙地上鮮生物量的模型，成為一種地上生物量無(wú)損檢測(cè)的新方法。已報(bào)道的相關(guān)文獻(xiàn)有以下幾個(gè)特點(diǎn)a.利用冠層光譜預(yù)測(cè)或監(jiān)測(cè)的目標(biāo)指標(biāo)以葉面積系數(shù)、葉片色素含量較多，以地上鮮生物量為測(cè)定目標(biāo)的報(bào)道較少；b.冠層光譜測(cè)定多采用高光譜輻射計(jì)完成，由于高光譜輻射計(jì)色散元件都是采用全息反射光柵，導(dǎo)致儀器價(jià)格昂貴，適用于科學(xué)研究但不適用于田間農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，特別是不適用于生產(chǎn)一線(xiàn)人員使用。c.高光譜輻射計(jì)所得到的冠層光譜數(shù)據(jù)量大，處理較繁瑣，多需要專(zhuān)業(yè)的計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行支持。d.文獻(xiàn)報(bào)道的地上鮮生物量監(jiān)測(cè)模型多基于小麥、水稻等糧食作物建立，因?yàn)榭緹熢谥晷?、葉片形態(tài)、冠層結(jié)構(gòu)等方面均與上述作物存在較大差異，所以已有糧食作物地上鮮生物量的預(yù)測(cè)模型不適用于烤煙地上鮮生物量的測(cè)定。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服背景技術(shù)中存在的問(wèn)題，本發(fā)明的目的在于提供一種基于冠層多光譜的烤煙地上鮮生物量測(cè)定方法，屬于一種原位、快速、無(wú)損的烤煙地上鮮生物量的方法。本發(fā)明的目的是通過(guò)以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)的
基于冠層多光譜的烤煙地上鮮生物量測(cè)定方法，采用多光譜輻射計(jì)對(duì)團(tuán)棵期到現(xiàn)蕾前期的烤煙冠層光譜進(jìn)行測(cè)定，構(gòu)建植被指數(shù)，利用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法建立利用冠層光譜參數(shù)反演烤煙地上鮮生物量的模型，測(cè)定待測(cè)樣本的冠層光譜參數(shù)，輸入模型，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)烤煙地上鮮生物量的測(cè)定。上述測(cè)定方法具體步驟如下
1)、校正樣本光譜數(shù)據(jù)庫(kù)的建立，選取有代表性烤煙植株，測(cè)定其團(tuán)棵期到現(xiàn)蕾前期的冠層光譜，具體操作方式采用MSR16光譜輻計(jì)進(jìn)行，測(cè)定前進(jìn)行標(biāo)定，共16個(gè)波段，其具體波段設(shè)置為460/500/550/600/650/670/730/780/800/850/950/1050/1100/1200/1260/ 1480 nm，儀器視場(chǎng)角31. 1°。光譜測(cè)定在晴朗無(wú)云或少云的天氣條件下進(jìn)行，測(cè)定時(shí)間為
310 00-14 :00，測(cè)定時(shí)探頭垂直向下，距離冠層高度1. 0-1. 5m,每重復(fù)測(cè)量1點(diǎn)，每點(diǎn)測(cè)定 3次，以3次重復(fù)的平均值為一點(diǎn)的冠層光譜參數(shù)。將校正樣本冠層光譜原始反射率錄入數(shù)據(jù)庫(kù)，并利用原始冠層光譜反射率構(gòu)建差值植被指數(shù)(DVI)比值植被指數(shù)(RVI)和歸一化植被指數(shù)(NDVI)。RVlO1, λ 2) = p X1/ ρ X2, DVIU ” λ2)= I ρ λ「ρ λ2 I，
NDVIU1,入2)= I P λ「Ρ λ2 I /(P λ ^P λ2)，其中 P 為反射率，λ 為波長(zhǎng)； 2 )、校正樣本烤煙地上鮮生物量測(cè)定，結(jié)合步驟1，在測(cè)定校正樣本冠層光譜數(shù)據(jù)后，對(duì)對(duì)應(yīng)煙株地上部分進(jìn)行刈割，迅速用電子天平稱(chēng)取質(zhì)量；
3)、預(yù)測(cè)模型的構(gòu)建，分別利用多元線(xiàn)性回歸、偏最小二乘回歸、曲線(xiàn)估計(jì)等建模方法分析了冠層光譜參數(shù)與地上鮮生物量的定量關(guān)系，通過(guò)比較擬合方程的決定系數(shù)，構(gòu)建模型如下
烤煙地上鮮生物量=15. 023 RVI (1050, 550)3 247 (n=45, R2=O. 9588**)其中η為參與預(yù)測(cè)模型構(gòu)建的樣本量，R2為決定系數(shù)，**表示模型具有極顯著意義；
4)、預(yù)測(cè)模型的檢驗(yàn)，在烤煙團(tuán)棵期到現(xiàn)蕾前期，隨機(jī)選取45株，按照步驟1描述方法測(cè)定冠層光譜；按照步驟2測(cè)定烤煙地上鮮生物量；將冠層光譜代入步驟3中構(gòu)建的預(yù)測(cè)模型，輸出烤煙地上鮮生物量。根據(jù)實(shí)測(cè)地上鮮生物量與預(yù)測(cè)地上鮮生物量對(duì)模型進(jìn)行檢驗(yàn)，經(jīng)計(jì)算，模型的預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值擬合曲線(xiàn)決定系數(shù)為0. 9503 ；
5)、待測(cè)樣本冠層光譜的測(cè)定，在烤煙團(tuán)棵期到現(xiàn)蕾前期，按照步驟1中描述的校正樣品冠層光譜的采集方法對(duì)待測(cè)樣品的冠層光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)定；
6)、待測(cè)樣本地上鮮生物量的測(cè)定，按照步驟1描述的方法對(duì)測(cè)定樣品的冠層多光譜進(jìn)行測(cè)定，并將待測(cè)樣品的RVI (1050, 550)輸入步驟3所建模型，得出待測(cè)樣本的地上鮮生物量。我們把通過(guò)步驟1-6完成的烤煙地上鮮生物量的測(cè)定統(tǒng)稱(chēng)為“一種基于冠層多光譜的烤煙地上鮮生物量測(cè)定方法”。本方法與技術(shù)背景相比有以下優(yōu)勢(shì)1.原位測(cè)定，不需要取樣，對(duì)煙株無(wú)損傷；2.與高光譜輻射計(jì)相比有較大的成本優(yōu)勢(shì)，更適用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)； 4.只需獲得550nm和1050nm兩通道的數(shù)據(jù)就可以完成測(cè)定，數(shù)據(jù)處理方法和過(guò)程簡(jiǎn)便。


圖1為本方法的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為預(yù)測(cè)模型的構(gòu)建示意圖。圖3為預(yù)測(cè)模型的檢驗(yàn)示意圖。
具體實(shí)施例方式2009年6月17日12 :00，在河南省方城縣古莊店鄉(xiāng)煙葉生產(chǎn)基地，利用MSR16 多光譜輻射計(jì)對(duì)煙株冠層多光譜進(jìn)行了測(cè)定，儀器具體波段設(shè)置為460/500/550/600 /650/670/730/780/800/850/950/1050/1100/1200/1260/1480 nm，測(cè)定時(shí)探頭垂直向下，距離冠層高度1. 3m,共測(cè)定3次，以3次重復(fù)的平均值為該煙株的冠層光譜參數(shù)， 共獲取上述16個(gè)波段的冠層光譜數(shù)據(jù)。其中P 550=12. 64%，P 1050=52. 67%，經(jīng)計(jì)算其RVI (1050, 550) =4. 17，將該冠層 RVI (1050, 550)輸入所建模型 烤煙地上鮮生物量=15. 023 RVI (1050, 550)3.247 得到該煙株地上鮮生物量為1550g。
權(quán)利要求
1.一種基于冠層多光譜的烤煙地上鮮生物量測(cè)定方法，其特征在于采用多光譜輻射計(jì)對(duì)團(tuán)棵期到現(xiàn)蕾前期的烤煙冠層光譜進(jìn)行測(cè)定，構(gòu)建植被指數(shù)，利用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法建立利用冠層光譜參數(shù)反演烤煙地上鮮生物量的模型，測(cè)定待測(cè)樣本的冠層光譜參數(shù)，輸入模型， 進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)烤煙地上鮮生物量的測(cè)定。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于冠層多光譜的烤煙地上鮮生物量測(cè)定方法，其特征在于具體步驟如下1)、校正樣本光譜數(shù)據(jù)庫(kù)的建立，選取有代表性烤煙植株，測(cè)定其團(tuán)棵期到現(xiàn)蕾前期的冠層光譜；將校正樣本冠層光譜原始反射率錄入數(shù)據(jù)庫(kù)，并利用原始冠層光譜反射率構(gòu)建差值植被指數(shù)(DVI)比值植被指數(shù)(RVI)和歸一化植被指數(shù)(NDVI)RVIU1, λ2) = Ρ λ ^p 入2，DVI ( λ ” λ2)= I ρ λ「ρ λ2 I，NDVIU1,入2)= I P λ「Ρ λ2 I /(P λ ^P λ2)，其中 P 為反射率，λ 為波長(zhǎng)；2 )、校正樣本烤煙地上鮮生物量測(cè)定，結(jié)合步驟1，在測(cè)定校正樣本冠層光譜數(shù)據(jù)后，對(duì)對(duì)應(yīng)煙株地上部分進(jìn)行刈割，迅速用電子天平稱(chēng)取質(zhì)量；3)、預(yù)測(cè)模型的構(gòu)建，分別利用多元線(xiàn)性回歸、偏最小二乘回歸、曲線(xiàn)估計(jì)等建模方法分析了冠層光譜參數(shù)與地上鮮生物量的定量關(guān)系，通過(guò)比較擬合方程的決定系數(shù)，構(gòu)建模型如下烤煙地上鮮生物量=15. 023 RVI (1050, 550)3 247 (n=45, R2=O. 9588**)其中η為參與預(yù)測(cè)模型構(gòu)建的樣本量，R2為決定系數(shù)，**表示模型具有極顯著意義；4)、預(yù)測(cè)模型的檢驗(yàn)，在烤煙團(tuán)棵期到現(xiàn)蕾前期，隨機(jī)選取45株，按照步驟1描述方法測(cè)定冠層光譜；按照步驟2測(cè)定烤煙地上鮮生物量；將冠層光譜代入步驟3中構(gòu)建的預(yù)測(cè)模型，輸出烤煙地上鮮生物量；根據(jù)實(shí)測(cè)地上鮮生物量與預(yù)測(cè)地上鮮生物量對(duì)模型進(jìn)行檢驗(yàn)，經(jīng)計(jì)算，模型的預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值擬合曲線(xiàn)決定系數(shù)為0. 9503 ；5)、待測(cè)樣本冠層光譜的測(cè)定，在烤煙團(tuán)棵期到現(xiàn)蕾前期，按照步驟1中描述的校正樣品冠層光譜的采集方法對(duì)待測(cè)樣品的冠層光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)定；6)、待測(cè)樣本地上鮮生物量的測(cè)定，按照步驟1描述的方法對(duì)測(cè)定樣品的冠層多光譜進(jìn)行測(cè)定，并將待測(cè)樣品的RVI (1050, 550)輸入步驟3所建模型，得出待測(cè)樣本的地上鮮生物量。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于冠層多光譜的烤煙地上鮮生物量測(cè)定方法，其特征在于測(cè)定團(tuán)棵期到現(xiàn)蕾前期的烤煙冠層光譜的具體操作方式是采用MSR16光譜輻射計(jì)進(jìn)行，測(cè)定前進(jìn)行標(biāo)定，共16個(gè)波段，其具體波段設(shè)置為460/500/550/600/650/670/730/ 780/800/850/950/1050/1100/1200/1260/1480 nm，儀器視場(chǎng)角 31. 1°，光譜測(cè)定在晴朗無(wú)云或少云的天氣條件下進(jìn)行，測(cè)定時(shí)間為10 00-14 :00，測(cè)定時(shí)探頭垂直向下，距離冠層高度1. 0-1. 5m,每重復(fù)測(cè)量1點(diǎn)，每點(diǎn)測(cè)定3次，以3次重復(fù)的平均值為一點(diǎn)的冠層光譜參數(shù)。
全文摘要
一種基于冠層多光譜的烤煙地上鮮生物量測(cè)定方法，其特征在于采用多光譜輻射計(jì)對(duì)團(tuán)棵期到現(xiàn)蕾前期的烤煙冠層光譜進(jìn)行測(cè)定，構(gòu)建植被指數(shù)，利用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法建立利用冠層光譜參數(shù)反演烤煙地上鮮生物量的模型，測(cè)定待測(cè)樣本的冠層光譜參數(shù)，輸入模型，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)烤煙地上鮮生物量的測(cè)定。本方法與技術(shù)背景相比有以下優(yōu)勢(shì)1.原位測(cè)定，不需要取樣，對(duì)煙株無(wú)損傷；2.與高光譜輻射計(jì)相比有較大的成本優(yōu)勢(shì)，更適用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)；3.只需獲得550nm和1050nm兩通道的數(shù)據(jù)就可以完成測(cè)定，數(shù)據(jù)處理方法和過(guò)程簡(jiǎn)便。
文檔編號(hào)G01N21/25GK102207453SQ20111007009
公開(kāi)日2011年10月5日 申請(qǐng)日期2011年3月23日 優(yōu)先權(quán)日2011年3月23日
發(fā)明者劉陽(yáng), 周漢平, 張仕祥, 梁太波, 王建偉, 薛超群, 過(guò)偉民, 魏春陽(yáng) 申請(qǐng)人:中國(guó)煙草總公司鄭州煙草研究院