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基于神经网络的土壤有机质及全铁含量的高光谱反演研究

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第一章绪论

1.1研究背景

1.2国内外研究现状

1.2.1土壤水分与土壤光谱的关系研究

1.2.2土壤有机质与土壤光谱的关系研究

1.2.3土壤中铁与土壤光谱的关系研究

1.2.4小结

1.3本文的研究目标与研究内容

第二章神经网络

2.1神经网络的概述

2.1.1神经网络的发展

2.1.2神经网络的分类

2.1.3神经网络的常见模型

2.2BP神经网络

2.2.1BP神经网络的原理

2.2.2BP神经网络结构的确定

2.2.3BP神经网络的改进

2.3径向基函数神经网络

第三章土壤数据获取及预处理工作

3.1研究区概况

3.2土壤样品采集与制备

3.3土壤样品的实验室分析

3.3.1化学分析

3.3.2光谱测定

3.4光谱数据预处理

3.4.1光谱重采样

3.4.2一阶导数变换

3.4.3主成分分析

3.4.4光谱特征吸收带的提取

第四章土壤有机质含量的反演模型

4.1土壤有机质含量的多元逐步回归模型

4.1.1多元逐步线性回归方法

4.1.2土壤有机质含量的多元逐步回归模型

4.1.3有机质含量实测值与反演值的比较

4.2土壤有机质含量的BP神经网络模型

4.2.1BP神经网络模型建立和结果分析

4.2.2有机质含量实测值与反演值的比较

4.3土壤有机质含量的径向基函数神经网络模型

4.3.1径向基函数神经网络模型建立和结果分析

4.3.2有机质含量实测值与反演值的比较

4.4本章小结

第五章土壤全铁含量的反演模型

5.1土壤全铁含量的多元逐步回归模型

5.1.1土壤全铁含量的多元逐步回归模型

5.1.2全铁含量实测值与反演值的比较

5.2土壤全铁含量的BP神经网络模型

5.2.1BP神经网络模型建立和结果分析

5.2.2全铁含量实测值与反演值的比较

5.3土壤全铁含量的径向基函数神经网络模型

5.3.1径向基函数神经网络模型建立和结果分析

5.3.2全铁含量实测值与反演值的比较

5.4本章小结

第六章结论与展望

6.1结论

6.2展望

参考文献

致谢

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摘要

随着现代农业的发展和人地矛盾的日益突出,对土壤信息获取提出了新的要求。高光谱遥感凭借其极高的光谱分辨率在岩石矿物、土壤、植被等领域得到越来越多的应用。就土壤而言,有机质含量是重要的土壤肥力指标,铁作为农作物中的微量元素,对怍物的生长发育起着重要的作用,利用土壤的高光谱信息快速反演土壤中的有机质、全铁等的含量必将为农田土壤的科学管理及精确农业提供依据。本文利用江谣红壤的室内光谱,运用多元逐步线性回归法、BP神经网络法和径向基函数网络法研究了土壤中的有机质、全铁含量与可见光/近红外光谱之间的关系,并建立相应的反演模型。论文从数据的获取和预处理到土壤有机质、全铁含量反演模型的建立以及结果的分析做了系统研究,主要工作及结论如下: 研究结果表明,对于有机质而言,回归模型、BP集成网络模型以及径向基函数网络模型皆取得了较好效果,其中以BP集成嬲络模型的效果最好,一阶导数、一阶导数主成分的BP集成网络模型对检验样本反演的平均相对误差分别为13%、14%,反演值和实测值的相关系数分别达到0.91、0.93。相较BP神经网络法,多元逐步回归法所建的一阶导数、一阶导数主成分的回归模型对检验样本反演的平均相对误差分别为17%、21%,反演值和实测值的相关系数分别达到0.85、0.78;径向基函数网络法所建的一阶导数、一阶导数主成分的网络模型对检验样本反演的平均相对误差分别为22%、18%,反演值和实测值的相关系数分别达到0.87、0.79。综合各项精度评价指标,BP集成网络模型的效果最优。 全铁的反演模型普遍不太理想,其中较好的是基于特征吸收波段的一阶导数、一阶导数主成分的BP集成网络模型,其对检验样本反演的平均相对误差分别为18%、22%,反演值和实测值的相关系数分别达到0.82、0.86,具有反演红壤中全铁含量的潜力。 从有机质、全铁的分析建模的结果可知,光谱一阶导数是一种有效的光谱指标,在多元逐步回归分析中,作一阶导数变换后,有机质和全铁含量的回归模型的建模及检验精度普遍得到提高;神经网络集成是提离模型准确性和稳定性的一个有效方法,使得建立起来的反演模型具有较强的信息综合能力和预测能力。

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