基于光谱学原理苹果树叶片全氮含量预测建模.pdfVIP

2011 年中国农业工程学会学术年会（CSAE 2011 ） 基于光谱学原理的苹果树叶片全氮含量预测建模 ※ 张瑶，郑立华 ，邓小蕾，李民赞 （“现代精细农业系统集成研究”教育部重点实验室，中国农业大学，北京 100083） 摘 要：氮素是果树营养的核心元素，对果树的生长发育及产量、品质的形成有重要影响。如何实时、快捷、准确地监测果树氮素 含量，指导果农及时、适量地进行科学施肥，降低氮肥总施用量，提高氮肥利用率已成为绿色果品生产亟需解决的关键技术之一。在 果树年度生长周期的重要物候期，利用shimadzuUV2450 光谱仪测量了果树叶片在可见光和近红外区域的反射光谱，同时使用实验室 手段测量了果树叶片的全氮含量。然后分析了果树叶片光谱反射率、一阶导数光谱以及NDVI 值与全氮含量之间的相关关系，并探讨 了反映果树叶片全氮含量的敏感波段。而后利用主成分回归分析以及多元线性回归分析方法建立了预测果树叶片全氮含量的测定模 型，模型预测精度R2 2 达到0.89，验证精度R 达到0.87。模型精度达到实用水平，说明能够使用苹果果树叶片光谱快速预测其全氮含 量，进而检测其生长及营养状况。 关键词：苹果果树，叶片，全氮，高光谱，回归模型 中图分类号：O657.3; S15 [6]。作为高光谱技术应用先决条件的光谱特征分析研究， 0 引 言 在遥感领域具有重要技术支撑作用，在植被遥感研究与 [7] 氮素是影响苹果树生长发育、产量和品质最为显著 应用中表现出强大优势 。目前，国内外许多研究学者 的营养元素之一，对氮素营养诊断一直是农学家关注的 也先后对植物的光谱特性进行了研究，取得了很多的研 [1] 重点 。传统的叶片化学分析方法，虽然对果树氮营养 究成果。Thomas 等发现甜椒叶片含氮量与550-675nm 波 元素含量具有较高的监测精度，但由于受高耗性、繁冗 长间叶片的反射系数高度相关，所预测含氮量与实际测 复杂性、时滞性等的制约，不能大范围、快速地对果树 定含量之间的误差小于７％。Shibaya-ma 等对水稻的研 营养进行诊断。随着高光谱遥感技术的快速发展与不断 究发现，单位土地面积上的叶片氮素含量与620和760nm 完善，植被的遥感监测技术已涉及包括氮素在内的植株 处反射率的线性组合以及与400，620 和880 ｎｍ处反射 化学成分的估测，并在理论和实践上为评价植物长势和 率的线性组合均有较好的回归关系，预测值和实测值线 生理参数特征提供了可靠的保证[2] 。作物氮素的遥感监 性相关，且不受品种类型的影响。Horler 等认为“红边” 测一直是作物遥感监测研究的重点[3]。 等利用短波 与植被叶绿素浓度间的关系显著，说明利用“红边”遥 Yoder 红外波段反射率进行对数变换以监测枫树叶片的氮含 感参量来推算植被叶绿素浓度是可行的。姚露[8]和李映 量， 等提出波段反射率的比值可以监测杂草和花 [9] Everitt 雪等 对冬小麦和水稻的不同品种、生育期和施氮水平 卉植物的氮素状况， 等利用红边位置和短波近红 的光谱特征分别进行了深入的研究。唐延林等[10]认为 Tarpley 外波段的比值预测棉花叶片氮浓度， 等研究提 NDVI 和RVI等植被指数与水稻叶片含氮量间有良好的相 Blackmer 出玉米氮素营养的敏感波段， 等基于 和 关性，诊断水稻氮素营养水平的叶片光谱敏感波段为 Stone 671 780nm 两个波段反射率组合估算小麦植株全氮含量，薛利红等 760-900，630-660 和530-560nm。以上研究表明，受种 [4]利用660nm 和460nm 两个波段组合反应小麦叶片氮含 类、生长状况、健康水平的影响，作物具有不同的光谱 量。可见，农作物氮素营养研究与遥感学科的交叉和融 特性，明确作物光谱特性有利于监测作物长势及诊断其 合已成为当前作物氮素营养研究领域一个重要研究方 营养状况。 [5] 向，并且已成为该领域研究的热点 。 本研究首先测定了苹果叶片光谱反射率（Ri）以及 高光谱是遥感技术发展的一个重要方向，是地物识 叶片氮素含量，探讨了苹果叶片的高光谱特征，筛选了 别的重要手段，也是定量遥感技术应用发展的前提条件 苹果叶片氮素含量的敏感波段。同时，对原始光谱反射 率（R ）进行了微分变换。，并对R 及其光谱变换数据与 i i ? 收稿日期： 修订日期： 氮素含量进行相关分析，基于光谱参数建立了苹果叶片 项目基金：国家自然科学基金项目（座机电话号码 ）和国家863 计划项目 （2011AA100704 ） 氮素含量的估测模型。最后，经过对模型的优选与检验， 作者简介：张瑶（1988.4），女（汉），河北省，硕士，精细农业与农业信息化 得出最佳的估