小麦主要生育期苗情诊断关键参数遥感监测算法优化研究

摘要

小麦是我国也是江苏省的主要粮食作物之一。在目前小麦栽培与管理的实际过程中，相对于采用技术人员定点调查等传统的小麦生长生产监测方法，遥感技术能及时、快捷并无破坏地监测预报大面积的小麦生长状态，但是，遥感监测预报精度还不能完全满足实际生产管理需要，为此，前人已进行了相关的研究，其中利用遥感数据构建经验统计模型定量反演能够反映小麦生长状态的一些苗情关键参数的研究得到了广泛开展，在此方向的研究显示，构建统计模型所需的算法对遥感监测精度有很重要的影响。然而，现阶段与建模算法相关的国内外文献数量不多，且其中多数文献局限于研究使用相关算法遥感监测某一个农学参数，或只是针对小麦某一个生育期展开使用相关算法遥感监测其农学参数的研究，而针对小麦主要生育期的多个苗情诊断关键参数，系统分析、评价并比较基于不同算法构建遥感监测模型的实用性和预测性研究却少有涉及。
　　鉴于如上所述，为提高小麦生长状态的遥感监测精度，进而指导大面积小麦田间生产，最终实现高产、高效、安全、低耗、优质生产，本研究以江苏省的泰兴、姜堰、兴化和仪征地区2010-2013年稻茬小麦为研究对象，围绕小麦拔节、孕穗和开花期的叶面积指数(LAI)、生物量、叶片氮含量(LNC)和叶片SPAD值等苗情诊断关键参数，以各生育期相应的环境卫星HJ-CCD遥感信息为支撑，比较基于不同多元回归算法构建的遥感监测模型的可行性及预测性，旨在为提高大田尺度下的小麦苗情诊断关键参数遥感监测预报精度提供技术和方法。本研究的主要内容和结果如下:
　　(1)分析主要生育期小麦苗情诊断关键参数与遥感变量间的相关性，以0.01水平下显著相关为依据，结果表明在拔节和开花期分别选用NRI、RVI、NDVI、GNDVI、SIPI、SAVI、OSAVI和PSRI共8种植被指数，孕穗期选用NDVI、GNDVI、SIPI、SAVI、OSAVI和PSRI这6种植被指数，监测小麦叶面积指数是可行的;遥感监测小麦拔节、孕穗和开花期的地上干生物量时，各期均可选用NDVI、SAVI、OSAVI、NRI、GNDVI、SIPI、PSRI、RVI、CRI、EVI、MSR、NLI、RDVI、TVI和MTVI2这15个植被指数作为敏感遥感变量;遥感监测小麦叶片氮含量时，拔节期选用NDVI、GNDVI、SIPI、RVI、SAVI、OSAVI、MSAVI和EVI这8种植被指数，孕穗期选用NRI、PSRI、NDVI、GNDVI、SIPI、RVI、SAVI、OSAVI、MSAVI和EVI共10种指数，开花期选用NDVI、NRI和PSRI这3种植被指数，分别作为各生育期的敏感遥感变量;遥感监测小麦叶片SPAD值时，拔节期选用NRI、RVI、NDVI、GNDVI、SIPI、SAVI、OSAVI和PSRI共8种植被指数，孕穗期选用NDVI、NRI、RVI、SAVI和OSAVI这5种植被指数，开花期选用RVI、NDVI、GNDVI、SIPI、SAVI、OSAVI和PSRI共7种植被指数，分别作为各生育期的敏感遥感变量。
　　(2)使用多种回归算法构建主要生育期小麦各苗情诊断关键参数的遥感监测模型。分别针对每个生育期（拔节、孕穗和开花期）的LAI、生物量、LNC和SPAD各长势参数，以2010-2012年小麦数据为训练集，将筛选的敏感遥感变量作为输入变量，以长势参数为输出变量，分别采用传统多元线性(ML，Multiple Linear)、偏最小二乘(PLS，Partial LeastSquares)、人工神经网络（ANN，Artificial Neural Networks）、单核支持向量回归(SK-SVR，Single-Kernel Support Vector Regression)、双核支持向量回归(DK-SVR，Double-KernelSupport Vector Regression)和随机森林回归(RF，Random Forest)共6种回归算法建立每个生育期各长势参数的遥感反演多因子模型。利用独立于建模集的2013年小麦实测数据，结合决定系数R2和均方根误差RMSE这两个评价指标及实测值与模型预测值之间的1∶1关系图，系统性地评价并比较了所建模型的实用性及预测性，进而通过对各生育期模型性能比较确定最佳模型。
　　(3)明确了遥感监测小麦主要生育期叶面积指数(LAI)的各模型性能。研究结果表明，监测拔节、孕穗和开花期小麦LAI的最佳模型均为DK-SVR模型，3个生育期模型估测值与实测值之间的决定系数R2和均方根误差RMSE依次为:0.76和0.29，0.80和0.47，0.67和0.55，且各生育期的模型预测值与实测值拟合良好，同时，基于ML和ANN的模型监测这3个生育期LAI的效果最差;拔节期其余3个模型性能由高到低依次为SK-SVR模型（R2=0.71，RMSE=0.43）、PLS模型(R2=0.65，RMSE=0.40)和RF模型(R2=0.49，RMSE=1.41);孕穗期其余3个模型性能由高到低依次为SK-SVR模型(R2=0.78，RMSE=0.58)、PLS模型(R2=0.75，RMSE=0.74)和RF模型（R2=0.32，RMSE=1.13）;开花期其余3个模型性能由高到低依次为RF模型(R2=0.52，RMSE=0.57)、PLS模型(R2=0.45,RMSE=0.64)和SK-SVR模型（R2=0.33,RMSE=0.84）。
　　(4)明确了遥感监测小麦主要生育期地上千生物量的各模型性能。研究结果显示，在小麦拔节、孕穗和开花各期的6个模型中，RF模型均表现出最佳的预测能力，3个生育期RF预测值与实测值间的决定系数R2和均方根误差RMSE依次为:0.53和477 kg.hm-2，0.72和1126 kg.hm-2，0.79和1808 kg.hm-2。拔节期次优模型为DK-SVR模型(R2=0.50，RMSE=505.5 kg.hm-2)和SK-SVR模型（R2=0.47，RMSE=509.5 kg.hm-2），而基于ML、PLS和ANN的模型监测该生育期生物量的效果最差;在孕穗期和开花期，基于ANN的模型监测小麦生物量的效果最差，其余4个模型性能由高到低依次为DK-SVR模型（孕穗期R2=0.67，RMSE=1389.2 kg.hm-2;开花期R2=0.65，RMSE=2058.1 kg.hm-2）、SK-SVR模型（孕穗期R2=0.51，RMSE=1422.3 kg.hm-2;开花期R2=0.62，RMSE=2174.2 kg.hm-2）、ML模型（孕穗期R2=0.53，RMSE=1461.5 kg.hm-2;开花期R2=0.49，RMSE=2454.4 kg.hm-2）和PLS模型（孕穗期R2=0.48，RMSE=1521.7 kg.hm-2;开花期R2=0.49，RMSE=2803.6 kg.hm-2）。
　　(5)研究表明了遥感监测小麦主要生育期叶片SPAD值的各模型性能。综合考虑模型预测值与实测值之间的一致性，并且同时考虑二者之间的决定系数R2和均方根误差RMSE，结果显示，基于ML的模型监测小麦拔节、孕穗和开花期的叶片SPAD值时效果最差;在小麦拔节期，确定DK-SVR模型为最佳模型，预测值与实测值间的R2和RMSE为:0.65和1.58，其它4个模型按性能由高到低依次为:RF模型（R2=0.55，RMSE=2.11）、SK-SVR模型(R2=0.57，RMSE=2.31)、ANN模型（R2=0.43，RMSE=3.06）和PLS模型(R2=0.40，RMSE=3.42);在孕穗期，确定RF为最优模型（R2=0.72，RMSE=2.2），其余4个性能由高到低的模型为:DK-SVR模型(R2=0.57，RMSE=2.10)、SK-SVR（R2=0.52，RMSE=2.30）、PLS模型（R2=0.47，RMSE=5.76）和ANN模型(R2=0.43，RMSE=2.80);在开花期，确定RF为最优模型（R2=0.60，RMSE=3.16），同时结果显示，基于PLS的模型预测效果不好，其余3个模型为:DK-SVR模型（R2=0.52，RMSE=3.03）、SK-SVR(R2=0.48，RMSE=3.07)和ANN模型（R2=0.46，RMSE=3.20）。
　　(6)阐明了遥感监测小麦主要生育期叶片氮含量(LNC)的各模型性能。结果表明，基于DK-SVR算法构建的模型是分别遥感监测小麦拔节、孕穗和开花各期LNC的最佳模型，各生育期的模型预测值与实测值之间显示出良好的一致性，二者间的决定系数R2和均方根误差RMSE分别为:拔节期的R2=0.73，RMSE=0.13，孕穗期的R2=0.82，RMSE=0.21，开花期的R2=0.75，RMSE=0.20; SK-SVR模型和PLS模型均为各生育期的次优模型，3个生育期SK-SVR模型的R2和RMSE依次为:0.61和0.16，0.77和0.29，0.72和0.21，同时，PLS模型的R2和RMSE依次为:0.59和0.23，0.77和0.31，0.52和0.26;结果还表明，基于ML、ANN和RF的模型监测这3个生育期LNC的效果最差。

目录

论文说明

摘要

第一章 绪论

1 农作物遥感监测基本原理

2 农作物苗情诊断关键参数遥感监测预报模型研究进展

2．1 单因子模型

2．2 多因子模型

3 农作物苗情诊断关键参数遥感监测预报多因子模型构建算法

3．1 传统多元线性回归

3．2 偏最小二乘回归算法

3．3 人工神经网络算法

3．4 单核支持向量回归算法

3．5 双核支持向量回归算法

3．6 随机森林回归算法

4 本研究的目的及意义

参考文献

第二章 小麦叶面积指数遥感监测多元回归算法研究

前言

1 数据获取与处理

1．1 试验设计

1．2 叶面积指数数据获取

1．3 影像数据及预处理

1．4 植被指数

1．5 数据分析与利用

2 结果

2．1 相关性分析

2．2 小麦叶面积指数遥感监测模型的建立

2．3 小麦叶面积指数遥感监测模型的评价

3 不同算法所建叶面积指数遥感监测模型预测性评价

4 小结

参考文献

第三章 小麦生物量遥感监测多元回归算法研究

前言

1 数据获取与处理

1．1 试验设计

1．2 地上部分生物量

1．3 影像数据及预处理

1．4 植被指数

1．5 数据分析与利用

2 结果

2．1 相关性分析

2．2 小麦生物量遥感监测模型的建立

2．3 小麦生物量遥感监测模型的评价

3 不同算法所建生物量遥感监测模型预测性评价

4 小结

参考文献

第四章 小麦SPAD值遥感监测多元回归算法研究

前言

1 数据获取与处理

1．1 试验设计

1．2 小麦SPAD值测定

1．3 影像数据及预处理

1．4 植被指数

1．5 数据分析与利用

2 结果

2．1 相关性分析

2．2 小麦SPAD值遥感监测模型的建立

2．3 小麦SPAD值遥感监测模型的评价

3 不同算法所建SPAD值遥感监测模型预测性评价

4 小结

参考文献

第五章 小麦叶片氮含量遥感监测多元回归算法研究

前言

1 数据获取与处理

1．1 试验设计

1．2 小麦叶片氮含量数据获取

1．3 影像数据及预处理

1．4 植被指数

1．5 数据分析与利用

2 结果

2．1 相关性分析

2．2 小麦叶片氮含量遥感监测模型的建立

2．3 小麦叶片氮含量遥感监测模型的评价

3 不同算法所建叶片氮含量遥感监测模型预测性评价

4 小结

参考文献

第六章 结论与讨论

1 讨论

1．1 多元回归算法遥感监测小麦苗情诊断关键参数的精度分析

1．2 不同生育期小麦苗情诊断关键参数遥感监测模型精度差异性分析

1．3 不同生育期小麦苗情诊断关键参数遥感监测模型异同性分析

2 主要结论

3 本研究的创新点

4 尚待深入研究的问题

5 前景展望

参考文献

致谢

攻读学位期间的学术论文及科研成果

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