








中国农业科技导报 ›› 2024, Vol. 26 ›› Issue (8): 103-111.DOI: 10.13304/j.nykjdb.2022.1051
李紫琴(
), 王家强(
), 李贞, 邹德秋, 张小功, 罗霄玉, 柳维扬
收稿日期:2022-12-01
接受日期:2023-02-07
出版日期:2024-08-15
发布日期:2024-08-12
通讯作者:
王家强
作者简介:李紫琴 E-mail:791030444@qq.com;
基金资助:
Ziqin LI(
), Jiaqiang WANG(
), Zhen LI, Deqiu ZOU, Xiaogong ZHANG, Xiaoyu LUO, Weiyang LIU
Received:2022-12-01
Accepted:2023-02-07
Online:2024-08-15
Published:2024-08-12
Contact:
Jiaqiang WANG
摘要:
为构建叶绿素密度的估算模型,通过设置不同施氮量梯度的棉花盆栽试验,在盛花期对棉花叶片进行光谱测试获取反射率数据,同时采集叶片样本测定叶绿素密度,通过反射率数据构建光谱指数,优选与叶绿素密度相关性大的光谱指数,利用随机森林算法(radom forest,RF)和偏最小二乘法(partial least squares regression,PLSR)构建棉花叶片的叶绿素密度估算模型并进行精度验证。结果表明,RF与PLSR 2种估算模型的R2分别为0.723 5和0.704 7,RPD分别为1.851 4和1.456 9,表明2个模型均具有粗略的预测能力,其中,RF模型的精度要高于PLSR模型,故利用高光谱技术对盛花期棉花叶绿素密度进行无损快速估测是可行的,研究结果为棉花群体长势状况的监测提供技术支撑。
中图分类号:
李紫琴, 王家强, 李贞, 邹德秋, 张小功, 罗霄玉, 柳维扬. 基于光谱指数的棉花叶片叶绿素密度估算研究[J]. 中国农业科技导报, 2024, 26(8): 103-111.
Ziqin LI, Jiaqiang WANG, Zhen LI, Deqiu ZOU, Xiaogong ZHANG, Xiaoyu LUO, Weiyang LIU. Estimation of Chlorophyll Density of Cotton Leaves Based on Spectral Index[J]. Journal of Agricultural Science and Technology, 2024, 26(8): 103-111.
| 处理Treatment | 样本数 Sample number | 叶绿素密度CH.D/(g·m-2) | ||||
|---|---|---|---|---|---|---|
最小值 Minimum | 最大值 Maximum | 均值 Mean | 标准差 Standard deviation | 变异系数 Variable coefficient/% | ||
| T0 | 10 | 0.355 | 0.576 | 0.478 b | 0.073 | 16.19 |
| T1 | 33 | 0.474 | 0.809 | 0.665 a | 0.087 | 13.31 |
| T2 | 16 | 0.521 | 0.704 | 0.616 a | 0.050 | 8.47 |
| T3 | 15 | 0.418 | 0.729 | 0.618 a | 0.075 | 12.56 |
| T4 | 22 | 0.499 | 0.878 | 0.661 a | 0.080 | 12.44 |
表1 不同氮肥处理下棉花盛花期叶片的叶绿素密度
Table 1 Chlorophyll density in leaves of cotton at peak flowering stage under different nitrogen fertilizer treatments
| 处理Treatment | 样本数 Sample number | 叶绿素密度CH.D/(g·m-2) | ||||
|---|---|---|---|---|---|---|
最小值 Minimum | 最大值 Maximum | 均值 Mean | 标准差 Standard deviation | 变异系数 Variable coefficient/% | ||
| T0 | 10 | 0.355 | 0.576 | 0.478 b | 0.073 | 16.19 |
| T1 | 33 | 0.474 | 0.809 | 0.665 a | 0.087 | 13.31 |
| T2 | 16 | 0.521 | 0.704 | 0.616 a | 0.050 | 8.47 |
| T3 | 15 | 0.418 | 0.729 | 0.618 a | 0.075 | 12.56 |
| T4 | 22 | 0.499 | 0.878 | 0.661 a | 0.080 | 12.44 |
图1 不同氮肥处理下棉花叶片SG平滑光谱与数字变换后光谱
Fig. 1 SG smooth spectrum and digital transformation spectrum of cotton leaves under different nitrogen fertilizer treatments
序号 Number | 植被指数表达形式 Vegetation index expression form |
|---|---|
| 1 | R745-R746 |
| 2 | R739-R747 |
| 3 | R739-R748 |
| 4 | R732-R801 |
| 5 | R733-R793 |
| 6 | (R722-R723)/(R722+R723) |
| 7 | (R723-R724)/(R723+R724) |
| 8 | (R709-R765)/(R709+R765) |
| 9 | (R718-R723)/(R718+R723) |
| 10 | R718/R724 |
| 11 | R711/R764 |
| 12 | R708/R763 |
表2 敏感波段的植被指数
Table 2 Vegetation index of the screened bands
序号 Number | 植被指数表达形式 Vegetation index expression form |
|---|---|
| 1 | R745-R746 |
| 2 | R739-R747 |
| 3 | R739-R748 |
| 4 | R732-R801 |
| 5 | R733-R793 |
| 6 | (R722-R723)/(R722+R723) |
| 7 | (R723-R724)/(R723+R724) |
| 8 | (R709-R765)/(R709+R765) |
| 9 | (R718-R723)/(R718+R723) |
| 10 | R718/R724 |
| 11 | R711/R764 |
| 12 | R708/R763 |
指标 Index | 偏二小乘模型 PLSR | 随机森林模型 RF | |
|---|---|---|---|
建模 Calibration (n=64) | 决定系数R2 | 0.765 4 | 0.731 6 |
| 均方根误差RMSE | 0.046 6 | 0.045 5 | |
| 相对分析误差RPD | 1.816 0 | 1.993 1 | |
预测 Validation (n=32) | 决定系数R2 | 0.730 9 | 0.723 5 |
| 均方根误差RMSE | 0.051 7 | 0.057 2 | |
| 相对分析误差RPD | 1.456 9 | 1.851 4 | |
表3 2种模型的建模结果
Table 3 Modeling results of 2 models
指标 Index | 偏二小乘模型 PLSR | 随机森林模型 RF | |
|---|---|---|---|
建模 Calibration (n=64) | 决定系数R2 | 0.765 4 | 0.731 6 |
| 均方根误差RMSE | 0.046 6 | 0.045 5 | |
| 相对分析误差RPD | 1.816 0 | 1.993 1 | |
预测 Validation (n=32) | 决定系数R2 | 0.730 9 | 0.723 5 |
| 均方根误差RMSE | 0.051 7 | 0.057 2 | |
| 相对分析误差RPD | 1.456 9 | 1.851 4 | |
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