冬小麦冻害胁迫高光谱分析与冻害严重度反演.pdf

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1、第３４卷，第５期光谱学与光谱分析Vol畅３４，No畅５，pp１３５７‐１３６１２０１４年５月SpectroscopyandSpectralAnalysisMay，２０１４冬小麦冻害胁迫高光谱分析与冻害严重度反演１，２２２２１倡王慧芳，王纪华，董莹莹，顾晓鹤，霍治国１．中国气象科学研究院，北京１０００８１２．北京农业信息技术研究中心，北京市农林科学院，北京１０００９７摘要对冬小麦冻害严重度的精确反演是及时采取补救措施降低损失的关键，同时及时预测产量损失对政府职能部门也具有积极意义。针对冬小麦冻害群体严重度评估方法在经典统计反演模型存在估算效果不理想的情况下，以冬小麦为试验对象，首先对冬小麦

2、冠层光谱反射率数据进行重采样平滑处理，再用主成分分析（PCA）技术对高光谱数据进行分析，进一步实现综合原始光谱主成分信息作为自变量参与冬小麦冻害２严重度反演过程，最后采用决定系数R、均方根误差RMSE、准确度Accuracy三种模型精度验证方法对模型进行评价。结果显示，基于主成分分析法建立冬小麦冻害严重度模型精度分别达０畅６９７５，０畅１８４２和０畅６９７５；同时对反演模型进行验证，其精度也分别达到０畅６３０９，０畅３５０３和１畅３３９６。因此，该方法能有效地对冬小麦冻害严重度进行快速、精确的反演。关键词冬小麦冻害；高光谱；主成分分析（PCA）中图分类号：S１２７文献标识码：ADOI：１

3、０畅３９６４／j畅issn畅１０００‐０５９３（２０１４）０５‐１３５７‐０５内外学者将主成分变换方法用于各项领域的研究中，取得了［８‐１５］引言较好的研究结果。目前极端天气的频繁出现，由于在不同胁迫状态下植物冻害是造成冬小麦产量重大损失的农业气象灾害之一，体内生理生化变化特征的高光谱响应机理较为复杂，要寻找［１］对生产造成不可逆的损失。因此，早期快速识别冬小麦冻一种敏感的诊断冻害胁迫方法是当前研究热点。因此，本工害胁迫状况，并及时采取相对应的措施，对于保障粮食安全作对不同冻害胁迫条件下冬小麦群体高光谱数据进行分析，至关重要。传统室外采样与室内生理生化分析方法虽然测量从PCA定义入手，研

4、究了在冠层尺度下冬小麦不同冻害胁精度高，但投入人力物力大、成本高、周期长。随着高光谱迫程度与冬小麦冠层高光谱数据应用情况，通过主成分分析遥感技术的发展，快速、高效、实时、大面积、无损地获取冬法进行冬小麦群体冻害严重度反演，并评价其对反演冻害严［２］小麦冻害胁迫信息成为一种有效途径。重度的效果。目前，利用高光谱数据定量分析植物生理生化参数研究已取得一定进展，其中大部分研究集中在对光谱指数、高光１实验部分谱特征参数、光谱不同变化形式的统计分析，也有学者在上述研究的基础上结合人工神经网络、支持向量机、遗传算法1畅1实验设计［３‐７］进行分析。主成分分析是近几年发展起来的一种在均方２０１１年１０

5、月—２０１２年６月在北京市昌平区小汤山镇国根误差最小的情况下建立在统计特征基础上的最佳正交线性家精准农业试验基地开展小区试验。经纬度信息为：１１６畅４４°变换方法，目的是将多个指标简化为少数几个综合性指标的E，４０畅１８°N，研究区属暖温带半湿润大陆性季风气候。试验一种统计分析方法，且PCA技术对波段间高度相关的数据区地势平坦。因为冻害的发生是长期复杂的过程，因此试验非常有效。高光谱数据具有波段多、光谱范围窄、数据量大中避免其他因素影响，保持水肥条件一致，播期一致，播量等特点，对其进行降维处理且不失去特征信息非常重要。国一致，栽培管理一致。试验基础数据如表１所示。收稿日期：２０１３‐０７

6、‐１７，修订日期：２０１３‐１１‐１８基金项目：国家自然科学基金项目（４１００１１９９）和国家科技支撑计划项目（２０１２BAD２０B００），国家高分辨率对地观测重大专项（民用部分）（０３‐Y３０B０６‐９００１‐１３／１５）资助作者简介：王慧芳，１９８３年生，中国气象科学研究院博士后e‐mail：whf４２８＠１２６．com倡通讯联系人e‐mail：huozhigg＠cams．cma．gov．cn１３５８光谱学与光谱分析第３４卷Table1Basicinformationofwinterwheatfreezeinjuryexperiment项目描述数据获取时间２０１１畅１１畅２４；２０１

7、１畅１２畅１２；２０１２畅１２畅２９；２０１２畅０１畅１１；２０１２畅０４畅０５；２０１２畅０４畅１８；供试品种“京９８４３”（强冬性）、“中优２０６”（半冬性）、“矮抗５８”（半冬性）、“豫农９４９”（弱春性）有机质含量：１畅３％～１畅４８％；全氮含量：０畅０８％～０畅１１％；碱解氮：５９畅８～６９畅０mg·kg－１；有效磷：２１畅６～试验地土壤基本５项５２畅３mg·kg－１；速效钾：１１２畅７～１１９畅６０mg·kg－１播期２０