高光譜揭秘葉片生物量監(jiān)測新方法-基于最佳光譜特征提取
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發(fā)布時間：2024-12-05
本論文的應用方向集中于農(nóng)業(yè)中作物葉片生物量的精準監(jiān)測及高光譜數(shù)據(jù)的特征提取。通過提出的SIPLS-SPA方法，有效提取小麥葉片生物量的敏感光譜特征，用于構建準確、穩(wěn)定的預測模型，支持農(nóng)田精準管理、資源優(yōu)化及作物育種。同時，該方法適用于植物性狀的快速檢測，為生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中的碳循環(huán)評估和農(nóng)業(yè)信息化提供新思路。這一成果可廣泛應用于未來農(nóng)業(yè)和生態(tài)系統(tǒng)的相關研究中。
背景
葉片生物量不僅是反映作物生長狀況的關鍵參數(shù)，還能有效指示氣候變化、食品安全及施肥狀況。傳統(tǒng)的地面采樣方法雖然***，但具有破壞性，且耗時費力，難以在大范圍內(nèi)實現(xiàn)快速、有效的空間和時間監(jiān)測。相比之下，遙感技術提供了非破壞性、快速且準確的解決方案，而高光譜遙感通過獲取連續(xù)的光譜信息，能更加***地反映作物特性。然而，完整波段的高光譜數(shù)據(jù)中包含大量冗余信息和噪聲，這不僅增加了數(shù)據(jù)處理的負擔，還會影響模型的精度和穩(wěn)定性。因此，選擇少量敏感特征波段，提取主要信息，成為提升監(jiān)測效率和精度的關鍵步驟。
為克服這些缺點并提升高光譜數(shù)據(jù)的特征選擇效果，作者提出了一種新的混合方法SIPLS-SPA。具體而言，將所選擇的***光譜特征確定為目標變量，用于建立更準確且穩(wěn)定的模型，以監(jiān)測小麥葉片生物量。同時，作者將該方法的性能與SIPLS、SPA及全波段方法分別進行了比較。精度、可靠性和實用性被用作評價所選特征及構建混合模型的性能指標。該研究結果將為今后農(nóng)業(yè)中作物性狀檢測的相關研究提供有效的實證參考。
實驗設計
1.1.材料與方法
(1)麥田試驗
本研究在中國東部江蘇省如皋（32°15′N，120°38′E）開展了兩項田間試驗。每個試驗均設置了不同的施氮量、品種和冬小麥種植密度（即行距）處理，采用完全隨機區(qū)組設計，設3個重復，共36個小區(qū)。每個地塊面積為5m×6m。所有處理均在播種前施用足量的磷酸鈣和氯化鉀。使用試驗田2的標定數(shù)據(jù)對葉片生物量估算模型進行校準，利用試驗田1的驗證數(shù)據(jù)對混合模型的靈敏度和準確性進行評估。
(2)高光譜圖像的獲取
所有高光譜數(shù)據(jù)均由高光譜成像系統(tǒng)（GaiaField-V10E，四川雙利合譜光譜成像技術有限公司）采集。該系統(tǒng)由成像光譜儀探測器V10E和控制模塊組成。該光譜儀由一個CCD相機和一個可見光-近紅外（NIR）光譜儀組成，光譜范圍為380~1030nm?？刂颇K由帶數(shù)據(jù)采集軟件的計算機和電動位移平臺構成。數(shù)據(jù)采集時間為北京時間10:00至14:00，選擇在小麥關鍵生育期的晴天條件下進行，采集高度為冠層上方1.0m（圖1）。
圖1.在小麥重要生長階段采集的圖像示例
(3)高光譜圖像數(shù)據(jù)預處理
圖像預處理流程如圖2所示。首先，利用標準光強圖像對天氣引起的光強變化進行校正。然后，為了降低反射噪聲，使用了最小噪聲分數(shù)旋轉（MNF）。最后，應用支持向量機方法（SVM）提取小麥感興趣區(qū)域（ROI）。ROI的平均反射率定義為植被光譜。
圖2.用于高光譜圖像數(shù)據(jù)的預處理步驟
（4）小麥葉片生物量的測定
在測量了冠層反射率后，收集30株小麥植株，立即帶到實驗室測定每個地塊的葉片生物量（kg/m2）。將所有樣品的綠葉與莖分離，然后在105°C下干燥30分鐘，在80°C下干燥48小時至恒重。同時，對所有地塊每平方米（m²）的分蘗數(shù)進行了統(tǒng)計。小麥葉片生物量（kg/m²）通過每株植物的葉片生物量乘以每平方米測得的分蘗數(shù)計算得出。
（5）利用SIPLS-SPA方法提取小麥葉片生物量相關的高光譜特征
首先，利用SIPLS-SPA從全波長提取敏感光譜區(qū)間，然后，確定敏感光譜區(qū)間的***變量。具體步驟如下：
①將全波段（400–1000nm）劃分為P個等間隔（25–50）。例如：如果將波段400–1000nm分為6個區(qū)間，則每個區(qū)間分別為：400–500nm、501–600nm、601–700nm、701–800nm、801–900nm和901–1000nm。
②構建結合Q（Q=2，3，4）個區(qū)間與葉片生物量的PLSR模型。
③重復步驟（1）和（2），通過最小的RMSECV（交叉驗證均方根誤差）確定P和Q的值。
④根據(jù)確定的P和Q得到敏感特征的光譜矩陣，設為X（N*J，其中N為樣本個數(shù)，J為光譜變量個數(shù)）。
⑤隨機選取一列作為Xj；其余的定義為S。
⑥分別計算Xj到S的投影。S的***投影表示最小相關性，其對應的列定義為Xi。
⑦設Xi代替Xj，重復步驟⑤、⑥，直到所選變量的個數(shù)達到M的設定值（M為迭代范圍，M≤J）。M的值是通過對數(shù)據(jù)進行多次計算而確定的。在這項研究中，M等于20。
⑧用所選變量和相應生物量擬合多元線性回歸（MLR）模型。最后，根據(jù)多變量回歸的最小驗證均方根誤差（RMSEv）選擇***變量。
（6）SIPLS-SPA的評價及選取的變量
通過將敏感光譜作為輸入變量構建生物量模型，評估變量選擇方法SIPLS-SPA的性能以及所選敏感特征的有效性。模型性能從精度、可靠性和實用性三個方面進行評估（見下表）。為了比較精度和可靠性，我們分別在校準和驗證數(shù)據(jù)集中使用了決定系數(shù)（Rc²，Rv²）、均方根誤差（RMSEc，RMSEv）以及相對均方根誤差（RRMSEc，RRMSEv）。模型的實用性包括運行時間（秒）、參數(shù)數(shù)量、復雜性水平和計算復雜度。
1.2.結果
（1）不同施氮量下小麥冠層反射率的變化及其與葉片生物量的關系
以Exp.2中不同施氮量下的“生選6號”數(shù)據(jù)為例，分析了冠層反射率的變化（圖3A）。結果顯示，冠層反射率受氮肥用量的顯著影響。具體而言，隨著氮肥施用量的增加，由于色素吸收增加，可見光區(qū)域的反射率降低；然而，由于水分和冠層結構的影響，近紅外區(qū)域的反射率上升。進一步分析了小麥葉片生物量與冠層反射率的關系，如圖3B所示。在可見光區(qū)域（480–720nm），冠層反射率與葉片生物量呈負相關，而在近紅外區(qū)域（720–900nm），反射率呈正相關，表現(xiàn)為具有較高相關系數(shù)（***相關系數(shù)為0.6）的平緩曲線。
圖3.(A)Exp.2中在拔節(jié)期“生選6號”在三種施氮水平下的冠層反射率；(B)小麥葉片生物量與冠層反射率的線性相關系數(shù)
（2）SIPLS-SPA參數(shù)確定
采用SIPLS-SPA方法提取小麥葉片生物量的敏感性特征。首先，將全譜劃分為最多50個區(qū)間，然后對每個病例在Q（Q=2，3，4）區(qū)間上構建PLSR模型。通過運行2.4節(jié)中的步驟①-④，成功地獲得了每個PLSR模型的RMSECV。結果表明，在P=37和Q=4條件下，獲得了RMSECV最低的***PLSR模型（圖4）。這意味著當整個光譜區(qū)域平均劃分為37個區(qū)間時，以22、24、30和37這四個區(qū)間構建的PLSR模型表現(xiàn)***。
圖4.不同P和Q值下SIPLS模型的RMSEcv
（3）SIPLS-SPA篩選小麥葉片生物量敏感性特征
SIPLS選取的4個區(qū)間對應的光譜區(qū)域分別為694~706nm、722~734nm、806~816nm和890~900nm，共44個波長變量。然后通過反復測試，確定M的值為20。最后，再次運行步驟⑤-⑧，確定***高光譜變量為706、724、734、806、808、810、812和816nm（圖5）。這些波段被命名為小麥葉片生物量的“***高光譜特征”。
圖5. SIPLS-SPA提取小麥的***光譜變量為706、724、734、806、808、810、812和816nm
（4）基于***高光譜特征的生物質(zhì)模型標定與驗證
利用SIPLS-SPA選擇的輸入變量，建立小麥5個生長階段葉片生物量的標定模型（圖6A）。然后用獨立的Exp1數(shù)據(jù)集對模型進行驗證。圖6B顯示了Exp.2中6個重要生育期小麥葉片生物量實測值與預測值的散點圖。
圖6.在校準(A)和驗證(B)中，SIPLS-SPA估算的小麥葉片生物量與預測值之間的擬合關系為1:1
（5）與其他特征選擇方法的比較
通過與傳統(tǒng)的SIPLS和SPA方法進行比較，評估了新開發(fā)的SIPLS-SPA方法的有效性。此外，根據(jù)精度、可靠性和實用性（包括變量數(shù)量、訓練時間、復雜性水平和計算復雜度）對基于這些算法提取的不同數(shù)量敏感特征的PLSR模型進行了評估。
下表顯示了從與SIPLS-SPA相同的數(shù)據(jù)集中由SPA和SIPLS提取的敏感變量。結果表明，SIPLS為小麥葉片生物量選擇的敏感特征波段為694–706、722–734、806–816和890–900 nm，而SPA選擇的敏感特征為726、744、758、816和830 nm?？偟膩碚f，SIPLS選擇的敏感特征多于SPA和SIPLS-SPA。
利用SPA、SIPLS和SPA-SIPLS選擇的敏感特征作為輸入變量，構建小麥葉片生物量的PLSR模型。下表總結了它們各自的準確性和可靠性。結果表明，SIPLS模型和全波長模型的Rc2***（0.84），SPA和SIPLS-SPA次之。而SIPLS-SPA模型的Rv2值***（Rv2=0.67），SIPLS模型的Rv2值最小。此外，利用SIPLS-SPA選擇的敏感特征構建的模型獲得了最低的RMSEv（0.059kg/m2）和RRMSEv（38.55%）。
采用時間、復雜度和計算復雜度三個指標評價具有不同敏感特征的PLSR模型的實用性（見下表）。結果表明，SPA模式運行時間最短，SIPLS-SPA次之，全波長模式運行時間最長。SPA和SIPLS-SPA的矩陣復雜度和計算復雜度基本相同，但全波長模型的矩陣復雜度和計算復雜度在所有估計模型中最高。
結論
本研究提出了一種新的計算方法SIPLS-SPA，將SIPLS和SPA兩種方法結合用于從高光譜圖像中提取敏感特征，以檢測小麥葉片生物量。通過SIPLS-SPA方法篩選出的8個波段（706、724、734、806、808、810、812和816 nm）被認為是***的高光譜特征，作為輸入變量構建PLSR模型以估算冬小麥的葉片生物量。與其他先進的特征選擇技術相比，所選特征和構建的生物量模型在去除不相關、共線性、簡單變量方面表現(xiàn)更優(yōu)，且具有較低復雜度、降低的計算復雜性和更短的運行時間。總體而言，結果表明SIPLS-SPA是一種強大的高光譜特征選擇方法，可用于農(nóng)業(yè)應用中植物性狀的估算。
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作者簡介
通訊作者：姚霞，南京農(nóng)業(yè)大學，博導
參考文獻
論文引用自一區(qū)文章：Min Jia, Wei Li, Kangkang Wang, Chen Zhou, Tao Cheng, YongChao Tian, Yan Zhu, Weixing Cao, Xia Yao. A newly developed method to extract the optimal hyperspectral feature for monitoring leaf biomass in wheat. Computers and Electronics in Agriculture. Volume 165, 2019, 104942. https://doi.org/10.1016/j.compag.2019.104942.
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