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基于高光谱和高分一号卫星影像的冬小麦叶绿素遥感反演

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目录

第一章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2.1 高光谱遥感的发展

1.2.2 高光谱遥感监测植被的原理

1.3 叶绿素高光谱遥感监测研究进展

1.4 卫星影像遥感监测研究进展

1.5 研究内容

第二章 材料与方法

2.1研究区概况

2.2田间试验设计

2.3冬小麦叶绿素含量测定

2.3.1冬小麦叶片叶绿素含量测定

2.3.2冬小麦冠层叶绿素含量测定

2.4冬小麦光谱数据测定

2.4.1冬小麦叶片高光谱数据测定

2.4.2冬小麦冠层高光谱数据测定

2.4.3卫星影像数据获取

2.5数据处理与分析

2.5.1高光谱数据预处理

2.5.2一阶微分光谱

2.5.3光谱特征参数的选择

2.5.4 卫星影像的预处理

2.6模型建立与优化

2.6.1普通线性回归

2.6.2偏最小二乘回归(PLSR)

2.6.3支持向量回归(SVR)

2.7模型精度检验

2.8技术路线

第三章 不同生育期冬小麦叶绿素含量及其高光谱特征

3.1前言

3.2 不同生育期冬小麦Chl值特征分析

3.3不同生育期冬小麦高光谱特征分析

3.3.1 不同生育期冬小麦冠层高光谱特征分析

3.3.2 不同生育期冬小麦叶片高光谱特征分析

3.4 不同叶绿素含量的冬小麦高光谱特征分析

3.4.1 不同叶绿素含量的冬小麦冠层高光谱特征分析

3.4.2 不同叶绿素含量的冬小麦叶片高光谱特征分析

3.5 讨论

3.6 结论

第四章 冬小麦Chl高光谱参数的普通回归估算

4.1 前言

4.2基于特征波段的冬小麦Chl估算

4.2.1 不同生育期冬小麦原始光谱和一阶导数光谱与Chl相关性分析

4.2.2 基于特征波段的冬小麦Chl反演及检验

4.3基于三边参数的冬小麦Chl估算

4.3.1 不同生育期冬小麦Chl与三边参数的相关性分析

4.3.2 基于三边参数的冬小麦Chl反演及检验

4.4基于植被指数的冬小麦Chl估算

4.4.1 不同生育期冬小麦Chl与植被指数的相关性分析

4.4.2 基于植被指数的冬小麦Chl反演及检验

4.5 讨论

4.6 结论

第五章 冬小麦叶绿素含量多元回归模型估算

5.1 前言

5.2 冬小麦冠层Chl偏最小二乘(PLSR)回归模型估算

5.3 冬小麦叶片Chl偏最小二乘(PLSR)回归模型估算

5.4 基于支持向量回归(SVR)的冬小麦冠层Chl估算

5.5 基于支持向量回归(SVR)的冬小麦叶片Chl估算

5.6 讨论

5.7 结论

第六章 基于高分一号卫星影像的冬小麦长势监测

6.1 前言

6.2 遥感影像预处理

6.3 多光谱数据光谱提取与模拟

6.4 光谱指数与冬小麦拔节期Chl相关性分析

6.5 冬小麦拔节期Chl估算模型构建及验证

6.6 基于高分一号的冬小麦拔节期Chl遥感填图

6.7 讨论

6.8 结论

第七章 结论与展望

7.1 主要结论

7.2 主要创新点

7.3 不足与展望

参考文献

致谢

个人简历

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摘要

小麦是世界上分布范围最广,种植面积最大的粮食作物之一,也是我国的主要农作物之一。而叶绿素含量与植物的光合作用能力与生长状态密切相关,是植被光合能力强弱、营养生理状况以及衰老进程的良好指示剂,其含量的测定对农作物长势监测、施肥调控与产量评估具有重要意义。通过高光谱数据和卫星影像数据反演叶绿素等与农作物长势,产量密切相关的参数,可以实现农作物的长势监测从而为农作物生产提供指导作用和参考价值。本研究以不同生育时期不同区域的冬小麦为研究对象,通过田间试验,获取了冬小麦高光谱数据、GF1卫星影像数据以及叶绿素含量(Chl),通过计算和数理统计分析比较,构建了冬小麦叶绿素含量最佳估算模型,并借助GF-1影像对冬小麦拔节期冠层叶绿素含量进行空间反演及精度验证。为冬小麦长势监测和田间精准管理提供理论依据和技术支撑。取得的主要结论如下: (1)冬小麦叶片叶绿素含量(Chl)在不同生育时期差异显著,且随着生育进程的推进呈现出逐步上升的变化趋势;冬小麦冠层叶绿素含量(Chl)随着生育进程的推进呈现出先上升后下降的变化趋势。总体来看,叶片尺度的Chl值均大于冠层尺度的Chl值。 (2)原始光谱随着叶绿素含量的增加,在可见光区域反射率降低而在近红外区域反射率增加;不同叶绿素水平的叶片光谱反射率均比冠层光谱反射率高,在可见光波段更显著;叶片在不同Chl水平下红边特征有差异,红边位置随Chl增加而不断发生“红移”,并且存在“双峰”或“多峰”的现象。随着生育期的推进,叶片光谱反射率在可见光波段的反射率越来越低,在近红外波段反射率越来越高;冠层光谱反射率在可见光波段先降低后升高,在近红外波段相反。不同生育期和不同叶绿素含量下,冬小麦冠层光谱红边位置分布在735nm附近,而冬小麦叶片光谱红边位置分布于710nm附近。 (3)在4个生育期,一阶导数与Chl值的相关性均强于原始光谱与Chl值的相关性,叶片光谱与Chl相关性强于冠层光谱。选取敏感波段作为自变量对叶片Chl进行反演,模型拟合精度除灌浆期外均较差。选择相关性高的“三边”参数建立Chl估算模型,冠层尺度下,除了开花期最优模型为基于黄边位置λyellow构建的模型,其他生育期最优模型均为基于(SDr-SDb)/(SDr+SDb)构建的模型;叶片尺度下,拔节期、抽穗期、开花期和灌浆期最优模型依次为为基于(SDr-SDy)/(SDr+SDy)、SDr/SDb、红边位置λred、(SDr-SDy)/(SDr+SDy)构建的模型。除了灌浆期,其它生育期基于三边参数构建的冬小麦Chl估算模型精度较单因素模型均有所提高。 (4)分析15种植被指数与Chl的相关关系,筛选出8种植被指数构建Chl单素估算模型。在冠层尺度下,四个生育期最优模型分别为基于OSAVI、PRI、PRI、VOG2构建的模型;在叶片尺度下,四个生育期最优模型分别为基于FD730/525、FD730/525、VOG2、FD(730-525)/(730+525)构建的模型。除灌浆期冠层尺度最佳模型为基于敏感波段D751构建的模型外,其它基于植被指数的模型精度较三边参数均有所提高,是冬小麦Chl值的最佳单因素估算模型。 (5)将筛选出的精度较高的高光谱参数作为自变量,利用偏最小二乘回归(PLSR)和支持向量回归(SVR)方法构建的模型在各生育期均表现出较好的拟合性及预测精度。利用PLSR构建的模型精度优于单因素估算模型,利用SVR构建的模型精度优于利用PLSR构建的模型,是进行冬小麦Chl含量估测的最佳模型。 (6)借助高分一号卫星影像对冬小麦拔节期冠层叶绿素含量进行空间反演及精度验证的结果表明,最佳模型为基于GNDVI构建的估算模型,建模R2为0.713,RMSE为2.288,RE为4.5%;验证R2为0.714,RMSE为2.228,RE为4.4%;遥感填图结果同名地物点验证R2为0.729,RMSE为2.446,RE为6.0%。基于GF1卫星数据利用光谱指数进行冬小麦Chl值的监测具有一定的可行性。

著录项

  • 作者

    王婷婷;

  • 作者单位

    西北农林科技大学;

  • 授予单位 西北农林科技大学;
  • 学科 地图学与地理信息系统
  • 授予学位 硕士
  • 导师姓名 常庆瑞,刘梦云;
  • 年度 2019
  • 页码
  • 总页数
  • 原文格式 PDF
  • 正文语种 中文
  • 中图分类
  • 关键词

    高光谱; 卫星影像; 冬小麦; 叶绿素;

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