高光谱和NSGA2-ELM算法的粳稻叶片氮素含量反演

摘要

为提供一种高效、快速和无损的粳稻叶片氮素含量反演方法,以粳稻小区试验为基础,利用高光谱技术和室内化学实验,获取粳稻分蘖期、拔节期和抽穗期三个生育期共280组叶片高光谱数据以及相对应的水稻叶片氮素含量数据,分析不同施氮水平的粳稻叶片光谱特征,采用随机青蛙算法(random_frog)与迭代和保留信息变量算法(IRIV)相结合的方式筛选特征波段,并将任意两个光谱波段随机组合构建差值植被指数DSI(Ri,Rj)、比值植被指数RSI(Ri,Rj)和归一化植被指数NDSI(Ri,Rj),分别将较优的特征波段组合和植被指数组合作为模型输入,构建BP神经网络、支持向量机(SVR)和非支配的精英策略遗传算法优化极限学习机(NSGA2-ELM)粳稻叶片氮素含量反演模型,并对模型进行验证分析.结果表明:随着施氮水平的增加,粳稻叶片近红外波段范围反射率逐渐升高,在可见光波段范围反射率逐渐降低.采用random_frog与IRIV相结合的方式筛选特征波段共得到8个特征波段,其中可见光波段7个,分别为414.2,430.9,439.6,447.9,682.7,685.4和686.3 nm,近红外波段仅有1个为999.1 nm,该方法较好地剔除了干扰信息,大大降低了波段间的共线性.同时从三种植被指数(DSI(Ri,Rj),RSI(Ri,Rj),NDSI(Ri,Rj))与粳稻叶片氮素含量的决定系数等势图中可知,DSI(R648.1,R738.1),RSI(R532.8,R677.3)和NDSI(R654.8,R532.9)与叶片氮素含量相关性最好,R2分别为0.8114,0.8297和0.8169.在输入参量不同的建模效果对比分析中,以特征波段组合作为模型输入所构建的模型反演效果略优于植被指数组合,R2均大于0.7,RMSE均小于0.57.而在反演模型间的对比分析中,提出的NSGA2-ELM反演模型的估测效果要优于BP神经网络模型和SVR模型,训练集决定系数R2为0.8172,均方根误差RMSE为0.3555,验证集R2为0.8497,RMSE为0.3011.鉴于此,random_frog-IRIV筛选特征波段方法结合NSGA2-ELM建模方法在快速检测粳稻叶片氮素含量中具有显著优势,可为粳稻田间精准施肥提供了参考.