一種基于荔枝冠層光譜的葉片鉀濃度反演方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明專利涉及一種基于荔枝冠層光譜的葉片鉀濃度反演方法，涉及反演技術(shù)領(lǐng) 域。
【背景技術(shù)】
[0002] 近年來光譜和遙感技術(shù)發(fā)展在作物生化參數(shù)反演如水分、LAI (Leaf Area Index 葉面指數(shù)）、葉綠素、生物量等方面取得了很多成績，并基于光譜和遙感技術(shù)對作物氮素反 演的方法和機(jī)理進(jìn)行了研究。但鉀素的光譜和遙感研究相對較少，一些學(xué)者通過人工施用 鉀肥量不同，進(jìn)行試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)葉片光譜變化與鉀肥施用量有關(guān)系，并指出一些用于鉀檢測的 波段和模型。但這些研究主要基于葉片反射光譜進(jìn)行，且鉀素估算方法主要基于偏最小二 乘回歸方法，這種方法模型復(fù)雜，模型可以移植性差，同時(shí)基于作物冠層光譜和遙感尺度的 鉀素研究相對較少;一些研究者指出生育期、品種等是影響農(nóng)作物的遙感的重要因素;不同 生育期，作物冠層結(jié)構(gòu)、生化參數(shù)變化對營養(yǎng)元素反演有重要影響。這些原因?qū)е掠跋癯叨?的鉀素反演不便，因此基于冠層荔枝光譜探索簡單的，可移植的鉀素反演模型是很有必要 的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 針對以上不足，本發(fā)明目的，在于提供一種基于荔枝冠層光譜的葉片鉀濃度反演 方法，其通過輻射傳輸方程的簡化，發(fā)現(xiàn)比值、差值處理可以降低環(huán)境參數(shù)等因素對光譜的 影響，提高光譜數(shù)據(jù)與鉀濃度的關(guān)系，分析他人提出光譜指數(shù)，構(gòu)建任意兩波段比值(Ratio vegetation index，RVI)、差值（Difference vegetation index，DVI)、三波段指數(shù)（Three band spectral index，TBSI)，進(jìn)行光譜指數(shù)構(gòu)建，尋找適合各個(gè)生育期蒸枝鉀濃度反演的 光譜模型。
[0004] 為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明通過下列技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)：
[0005] -種基于荔枝冠層光譜的葉片鉀濃度反演方法，其包括以下步驟：
[0006] 步驟1、樣本采集:分別選取m個(gè)和η個(gè)相同或不同生育時(shí)期的荔枝葉片樣品作為訓(xùn) 練樣本和評價(jià)樣本，并實(shí)測這些樣品的葉片鉀濃度值，m和η均為大于1的正整數(shù)；
[0007] 步驟2、構(gòu)建鉀濃度反演光譜指數(shù)集合:在所述訓(xùn)練樣本中，分析現(xiàn)有鉀濃度反演 光譜指數(shù)，并選取波長350-2500nm范圍內(nèi)的反射光譜，去除水分吸收波段和儀器噪聲影響 波段，保留波長400-1350nm，1450-1800nm，1960-2450nm的光譜信息，構(gòu)建組合形式光譜指 數(shù)，所述現(xiàn)有鉀濃度反演光譜指數(shù)和組合形式光譜指數(shù)構(gòu)成鉀濃度反演光譜指數(shù)集合;所 述現(xiàn)有鉀濃度反演光譜指數(shù)包括光譜指數(shù)PjmU4 5()、P_1645_m5和PjosojfM;所述組合形式光 譜指數(shù)包括任意兩波段比值指數(shù)RVI (i，j)、兩段式差值DVI (i，j)、任意三個(gè)波段組合形成 的三波段指數(shù)TBSI1 (i，j，k)和TBSI2(i，j，k);其中具體指數(shù)的形式如下：
[0008] P-870-1450= (R870_Rl450)/(R870+Rl450)
[0009] P-1645-1715= (Rl645-Rl715)/(Rl645+Rl715)
[0010] P_1080_1460= (Rl080~Rl46〇)/ ( Rl080+Rl460 )
[0011] RVI(i, j)=Ri/Rj
[0012] DVI(i, j)=Ri-Rj
[0013] TBSI1 (i，j，k) = (Ri-Rj)/(Rj+Rk)
[0014] TBSI2(i，j，k) = (Ri+Rj)/Rk
[00?5]上述式中：R為在其下標(biāo)表示的波長位置處的反射率；i矣j，且j矣k，i、j、k的取值 范圍均為400-1350nm、1450-1800nm、1960-2450nm;
[0016] 步驟3、數(shù)據(jù)篩選:對所述鉀濃度反演光譜指數(shù)集合進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)，從所述鉀濃 度反演光譜指數(shù)集合中選擇與其對應(yīng)樣品的葉片鉀濃度達(dá)到顯著相關(guān)，且皮爾遜相關(guān)系數(shù) 最大的一組光譜指數(shù)作為新鉀濃度反演光譜指數(shù)；
[0017] 步驟4、構(gòu)建鉀濃度反演模型：根據(jù)所述新鉀濃度反演光譜指數(shù)，利用多元回歸方 法，以新鉀濃度反演光譜指數(shù)為自變量，相應(yīng)樣品的葉片鉀濃度為因變量，構(gòu)建鉀濃度反演 豐旲型；
[0018] 步驟5、模型評價(jià):通過模型確定系數(shù)以及均方根誤差對所述鉀濃度反演模型進(jìn)行 評價(jià)。
[0019] 所述步驟3中顯著性檢驗(yàn)的方法為t檢驗(yàn)。
[0020] 所述步驟3中與其對應(yīng)樣品的葉片鉀濃度達(dá)到顯著相關(guān)，且皮爾遜相關(guān)系數(shù)最大 的一組光譜指數(shù)為七個(gè)新鉀濃度反演光譜指數(shù)，分別為RVI(765,855nm)，RVI(745， 1045nm)、DVI(955，1045nm)、DVI(1185，1235nm)、TBSIl(755,805,865nm)、TBSI2(465,755， 1045nm)和 P-1645-1715。
[0021 ]所述鉀濃度反演模型為：
[0022] y = 3.382+43.755 XDVI( 1185,1235)-3.421 XTBSI2(465,755,1045) (1)
[0023] 其中，y為葉片鉀濃度。
[0024] 所述模型確定系數(shù)R2評價(jià)的公式為：
[0025]
(2)
[0026]所述均方根誤差評價(jià)的公式為：
[0027]
(3)
[0028] 其中，負(fù)為第i個(gè)評價(jià)樣本的葉片鉀濃度預(yù)測值，通過公式（1)計(jì)算獲得，yi為第i 個(gè)評價(jià)樣本的葉片鉀濃度實(shí)測值，f為所有評價(jià)樣本的葉片鉀濃度實(shí)測值的平均值，1 < i < n〇
[0029] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果在于:本發(fā)明從荔枝冠層反射率變化的角度 分析，不同生育期內(nèi)冠層反射率變化與鉀濃度變化的關(guān)系;利用相關(guān)系數(shù)大小，篩選與荔枝 冠層葉片鉀濃度達(dá)到顯著相關(guān)的指數(shù)，提出簡單的線性鉀濃度反演模型y = 3.382+43.755 XDVI(1185,1235)-3.421 XTBSI2(465,755,1045)，可以很好地進(jìn)行鉀濃度反演，模型確定 系數(shù)較高(模型確定系數(shù)R2為〇. 704，RMSE = 0.242% )，且模型較為簡單，易于移植。
【附圖說明】
[0030] 圖1是本發(fā)明基于荔枝冠層光譜的葉片鉀濃度反演方法的流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0031] 下面結(jié)合附圖和【具體實(shí)施方式】對本發(fā)明的內(nèi)容做進(jìn)一步詳細(xì)說明。
[0032] 請參照圖1所示，一種基于荔枝冠層光譜的葉片鉀濃度反演方法，其包括以下步 驟：
[0033] (1):選取m個(gè)和η個(gè)相同或不同生育時(shí)期的荔枝葉片樣品分別作為訓(xùn)練樣本和評 價(jià)樣本，并實(shí)測這些樣品的葉片鉀濃度值，m和η均為大于1的正整數(shù)，其中，訓(xùn)練樣本用于構(gòu) 建葉片鉀濃度反演模型，以下步驟(2)-(5)中均是使用訓(xùn)練樣本;評價(jià)樣本用在步驟(6)中， 用于對葉片鉀濃度反演模型進(jìn)行評價(jià)或驗(yàn)證。
[0034] (2):分析他人提出的鉀濃度反演的光譜指數(shù)(?_870_1450，？_1645_1715，？_1__1460);
[0035] (3):對350-2500nm范圍內(nèi)的反射光譜，去除水分吸收波段和儀器噪聲影響波段， 保留400-1350nm，1450-1800nm，1960-2450nm的光譜信息，然后參考表1中的光譜指數(shù)的形 式，構(gòu)建組合形式光譜(兩波段、三波段)指數(shù)；
[0036]表1鉀濃度反演光譜指數(shù)集合 Γη/Τ57?
[0038] 表1中Ri，Rj，Rk表示波長在i，j，k nm波長位置處的反射率，i矣j，且j矣k，i，j，k等 取值范圍為400_1350nm，1450-1800nm，1960-2450nm。這一計(jì)算過程利用matlab 2007a實(shí) 現(xiàn)。
[0039] (3)如何選擇用于鉀濃度反演的光譜指數(shù)：從三種其他研究中提出的光譜指數(shù) (P-870-1450 ^ P-1645-1715 ^ P-1080-1460 )、和眾多的 RVI(i，j)、DVI(i，j)、TBSIl(i，j，k)、TBSI2(i，j， k)組合形式中選擇與其對應(yīng)樣品的鉀濃度顯著相關(guān)，且對于這五種組合光譜形式，每一種 組合形式下，選擇與鉀濃度達(dá)到顯著相關(guān)，且皮爾遜相關(guān)系數(shù)的絕對值為最大值的光譜組 合形式，因此共選擇出RVI(765,855nm)，RVI(745，1045nm)、DVI(955，1045nm)、DVI(1185， 1235歷）、了851