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基于高光譜成像技術(shù)的辣椒葉片葉綠素含量估算

閱讀:1195      發(fā)布時(shí)間:2022-8-18
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安徽省農(nóng)業(yè)科學(xué)院土壤肥料研究所利用我司高光譜設(shè)備,通過(guò)高光譜成像技術(shù)研究辣椒葉片葉綠素含量與光譜之間的定量關(guān)系,為大面積、快速檢測(cè)植被葉綠素含量變化提供了可能。

此研究選取150組不同生長(zhǎng)期的辣椒葉片作為研究對(duì)象,分別采集辣椒葉片的高光譜圖像和葉綠素含量后,進(jìn)行辣椒葉片葉綠素含量定量模型的預(yù)測(cè)研究。我司高光譜成像系統(tǒng)如圖1、圖2所示。

圖片1.jpg

圖1 GaiaSoter-Dual“蓋亞"雙相機(jī)全波段高光譜分選儀

圖片2.jpg

圖2 Gaiafiled-Pro-V10E相機(jī)及參數(shù)

通過(guò)選取如圖3所示的6處具有代表性的矩形感興趣區(qū)(避開(kāi)葉脈)作為樣本的原始光譜,加權(quán)平均后的光譜值作為原始光譜數(shù)據(jù)。去掉383~399 nm和950~1000 nm邊緣噪聲較大的光譜數(shù)據(jù),保留400~949 nm進(jìn)行下一步研究(如圖4所示)。

圖3.辣椒葉片取樣區(qū)域

Fig3. Sampling area of pepper leaves

圖片5.jpg

圖4原始光譜曲線

Fig 4. original spectral curve

通過(guò)隨機(jī)森林算法選擇得到重要性最高的前20個(gè)波段,如圖5所示。分別為697.1 nm、932.1nm、941.9 nm、693.6 nm、857.4 nm、930.8 nm、543.4 nm、927.1 nm、803.3 nm、550.1 nm、806.9 nm、785.4 nm、704.1 nm、890.1 nm、916 nm、530 nm、533.1 nm、556.8 nm、771.1 nm、536.7 nm,從上述所選波段分布來(lái)看,主要集中于可見(jiàn)光波段(390~780 nm),這可能與光合作用的波段主要是可見(jiàn)光波段有關(guān)。

圖片6.jpg

圖5.隨機(jī)森林特征重要性

Fig 5 Importance of random forest characteristics

將經(jīng)隨機(jī)森林特征選擇算法篩選后的波段作為自變量,SPAD值作為因變量。利用線性回歸(Linear Regression, LR)、偏最小二乘回歸(Partial Least Squares Regression, PLSR)、梯度提升回歸樹(shù)(Gradient Boosting Regressor Tree, GBRT)、隨機(jī)森林回歸(Random Forest regression, RFR)分別構(gòu)建反演模型。表1為4種模型的建模效果精度對(duì)比,圖6為4種模型的驗(yàn)證集驗(yàn)證效果。

表1 不同算法精度對(duì)比

Table1 Accuracy comparison of different algorithms

模型Model

建模Modeling

驗(yàn)證Verification

LR

0.93

1.77

1.41

0.83

2.39

1.89

PLSR

0.86

2.6

2.1

0.87

2.05

1.75

GBRT

0.99

0.54

0.42

0.87

2.06

1.7

RFR

0.97

1.29

1.05

0.90

1.87

1.43

圖片7.jpg

圖6.實(shí)測(cè)值與預(yù)測(cè)值關(guān)系

Fig 6. Relationship between measured and predicted values

研究結(jié)果表明:(1)隨機(jī)森林特征選擇算法篩選后波段構(gòu)建的模型精確度和可靠性較高,其中隨機(jī)森林回歸相對(duì)于其他回歸方法,模型精度最高,其驗(yàn)證集的 R2為0.9、RMSE為1.87、MAE為1.43。說(shuō)明模型具有較高的穩(wěn)定性和預(yù)測(cè)精度,可以滿足實(shí)際預(yù)測(cè)需求,其次利用隨機(jī)森林特征選擇算法很大程度上降低了模型的復(fù)雜度,從而提高了模型的預(yù)測(cè)精度和穩(wěn)定度,達(dá)到簡(jiǎn)化模型的目的。

(2)利用隨機(jī)森林特征選擇算法篩選的波段結(jié)合隨機(jī)森林回歸可以較為穩(wěn)定的預(yù)測(cè)辣椒葉片葉綠素含量,為后期大面積檢測(cè)辣椒的生長(zhǎng)狀況提供了理論依據(jù)。

(3)選用辣椒葉片為研究對(duì)象,但從特征波段的選擇和模型構(gòu)建來(lái)說(shuō),對(duì)于其他農(nóng)作物也具有重要的參考性,在今后的研究可以嘗試將該方法應(yīng)用到其他植被葉片。

通訊作者簡(jiǎn)介:

葉寅,博士,安徽省農(nóng)業(yè)科學(xué)院土壤肥料研究所助理研究員。

主要研究方向:1、面源污染防治與模擬。2、景觀生態(tài)學(xué)以及土地利用/覆被變化的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)。

 

參考文獻(xiàn):袁自然,葉寅,武際,方凌,陳曉芳,楊欣.基于高光譜成像技術(shù)的辣椒葉片葉綠素含量估算[J].江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué),2021,49(16):189-193.DOI:10.15889/j.issn.1002-1302.2021.16.035.


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