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专利名称：一种基于冠层多光谱的烤烟地上鲜生物量测定方法
技术领域：
本发明涉及烤烟地上鲜生物量的测定，尤其涉及一种利用冠层多光谱参数测定烤烟地上鲜生物量的方法。
背景技术：
烤烟地上鲜生物量是判断烤烟长势的重要指标，对于烤烟肥料管理决策具有重要的指示意义。目前，烤烟地上鲜生物量的传统测定方法是对烤烟地上部分进行刈割，用电子天平争取质量。缺点对植株的破坏是不可逆的，造成经济损失。烤烟冠层光谱包括可见光波段范围和近红外波段范围。可见光波段范围内的反射率主要反映叶片叶绿素含量和密度，近红外波段范围内的反射率主要反映烤烟的冠层结构。一般情况下，烤烟地上生物量与叶片叶绿素含量高度一致性，因此地上生物量一定程度上影响烤烟冠层光谱中可见光波段的反射率。同时，地上生物量越大，近红外波段范围内的光被反射的概率也会越大。因此，基于烤烟地上鲜生物量与冠层光谱参数的相关性，建立反演烤烟地上鲜生物量的模型，成为一种地上生物量无损检测的新方法。已报道的相关文献有以下几个特点a.利用冠层光谱预测或监测的目标指标以叶面积系数、叶片色素含量较多，以地上鲜生物量为测定目标的报道较少；b.冠层光谱测定多采用高光谱辐射计完成，由于高光谱辐射计色散元件都是采用全息反射光栅，导致仪器价格昂贵，适用于科学研究但不适用于田间农业生产，特别是不适用于生产一线人员使用。c.高光谱辐射计所得到的冠层光谱数据量大，处理较繁琐，多需要专业的计算机软件进行支持。d.文献报道的地上鲜生物量监测模型多基于小麦、水稻等粮食作物建立，因为烤烟在株型、叶片形态、冠层结构等方面均与上述作物存在较大差异，所以已有粮食作物地上鲜生物量的预测模型不适用于烤烟地上鲜生物量的测定。

发明内容
为了克服背景技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种基于冠层多光谱的烤烟地上鲜生物量测定方法，属于一种原位、快速、无损的烤烟地上鲜生物量的方法。本发明的目的是通过以下技术方案来实现的
基于冠层多光谱的烤烟地上鲜生物量测定方法，采用多光谱辐射计对团棵期到现蕾前期的烤烟冠层光谱进行测定，构建植被指数，利用统计学方法建立利用冠层光谱参数反演烤烟地上鲜生物量的模型，测定待测样本的冠层光谱参数，输入模型，进而实现对烤烟地上鲜生物量的测定。上述测定方法具体步骤如下
1)、校正样本光谱数据库的建立，选取有代表性烤烟植株，测定其团棵期到现蕾前期的冠层光谱，具体操作方式采用MSR16光谱辐计进行，测定前进行标定，共16个波段，其具体波段设置为460/500/550/600/650/670/730/780/800/850/950/1050/1100/1200/1260/ 1480 nm，仪器视场角31. 1°。光谱测定在晴朗无云或少云的天气条件下进行，测定时间为
310 00-14 :00，测定时探头垂直向下，距离冠层高度1. 0-1. 5m,每重复测量1点，每点测定 3次，以3次重复的平均值为一点的冠层光谱参数。将校正样本冠层光谱原始反射率录入数据库，并利用原始冠层光谱反射率构建差值植被指数(DVI)比值植被指数(RVI)和归一化植被指数(NDVI)。RVlO1, λ 2) = p X1/ ρ X2, DVIU ” λ2)= I ρ λ「ρ λ2 I，
NDVIU1,入2)= I P λ「Ρ λ2 I /(P λ ^P λ2)，其中 P 为反射率，λ 为波长； 2 )、校正样本烤烟地上鲜生物量测定，结合步骤1，在测定校正样本冠层光谱数据后，对对应烟株地上部分进行刈割，迅速用电子天平称取质量；
3)、预测模型的构建，分别利用多元线性回归、偏最小二乘回归、曲线估计等建模方法分析了冠层光谱参数与地上鲜生物量的定量关系，通过比较拟合方程的决定系数，构建模型如下
烤烟地上鲜生物量=15. 023 RVI (1050, 550)3 247 (n=45, R2=O. 9588**)其中η为参与预测模型构建的样本量，R2为决定系数，**表示模型具有极显著意义；
4)、预测模型的检验，在烤烟团棵期到现蕾前期，随机选取45株，按照步骤1描述方法测定冠层光谱；按照步骤2测定烤烟地上鲜生物量；将冠层光谱代入步骤3中构建的预测模型，输出烤烟地上鲜生物量。根据实测地上鲜生物量与预测地上鲜生物量对模型进行检验，经计算，模型的预测值与实测值拟合曲线决定系数为0. 9503 ；
5)、待测样本冠层光谱的测定，在烤烟团棵期到现蕾前期，按照步骤1中描述的校正样品冠层光谱的采集方法对待测样品的冠层光谱数据进行测定；
6)、待测样本地上鲜生物量的测定，按照步骤1描述的方法对测定样品的冠层多光谱进行测定，并将待测样品的RVI (1050, 550)输入步骤3所建模型，得出待测样本的地上鲜生物量。我们把通过步骤1-6完成的烤烟地上鲜生物量的测定统称为“一种基于冠层多光谱的烤烟地上鲜生物量测定方法”。本方法与技术背景相比有以下优势1.原位测定，不需要取样，对烟株无损伤；2.与高光谱辐射计相比有较大的成本优势，更适用于农业生产； 4.只需获得550nm和1050nm两通道的数据就可以完成测定，数据处理方法和过程简便。


图1为本方法的结构示意图。图2为预测模型的构建示意图。图3为预测模型的检验示意图。
具体实施例方式2009年6月17日12 :00，在河南省方城县古庄店乡烟叶生产基地，利用MSR16 多光谱辐射计对烟株冠层多光谱进行了测定，仪器具体波段设置为460/500/550/600 /650/670/730/780/800/850/950/1050/1100/1200/1260/1480 nm，测定时探头垂直向下，距离冠层高度1. 3m,共测定3次，以3次重复的平均值为该烟株的冠层光谱参数， 共获取上述16个波段的冠层光谱数据。其中P 550=12. 64%，P 1050=52. 67%，经计算其RVI (1050, 550) =4. 17，将该冠层 RVI (1050, 550)输入所建模型 烤烟地上鲜生物量=15. 023 RVI (1050, 550)3.247 得到该烟株地上鲜生物量为1550g。
权利要求
1.一种基于冠层多光谱的烤烟地上鲜生物量测定方法，其特征在于采用多光谱辐射计对团棵期到现蕾前期的烤烟冠层光谱进行测定，构建植被指数，利用统计学方法建立利用冠层光谱参数反演烤烟地上鲜生物量的模型，测定待测样本的冠层光谱参数，输入模型， 进而实现对烤烟地上鲜生物量的测定。
2.根据权利要求1所述的基于冠层多光谱的烤烟地上鲜生物量测定方法，其特征在于具体步骤如下1)、校正样本光谱数据库的建立，选取有代表性烤烟植株，测定其团棵期到现蕾前期的冠层光谱；将校正样本冠层光谱原始反射率录入数据库，并利用原始冠层光谱反射率构建差值植被指数(DVI)比值植被指数(RVI)和归一化植被指数(NDVI)RVIU1, λ2) = Ρ λ ^p 入2，DVI ( λ ” λ2)= I ρ λ「ρ λ2 I，NDVIU1,入2)= I P λ「Ρ λ2 I /(P λ ^P λ2)，其中 P 为反射率，λ 为波长；2 )、校正样本烤烟地上鲜生物量测定，结合步骤1，在测定校正样本冠层光谱数据后，对对应烟株地上部分进行刈割，迅速用电子天平称取质量；3)、预测模型的构建，分别利用多元线性回归、偏最小二乘回归、曲线估计等建模方法分析了冠层光谱参数与地上鲜生物量的定量关系，通过比较拟合方程的决定系数，构建模型如下烤烟地上鲜生物量=15. 023 RVI (1050, 550)3 247 (n=45, R2=O. 9588**)其中η为参与预测模型构建的样本量，R2为决定系数，**表示模型具有极显著意义；4)、预测模型的检验，在烤烟团棵期到现蕾前期，随机选取45株，按照步骤1描述方法测定冠层光谱；按照步骤2测定烤烟地上鲜生物量；将冠层光谱代入步骤3中构建的预测模型，输出烤烟地上鲜生物量；根据实测地上鲜生物量与预测地上鲜生物量对模型进行检验，经计算，模型的预测值与实测值拟合曲线决定系数为0. 9503 ；5)、待测样本冠层光谱的测定，在烤烟团棵期到现蕾前期，按照步骤1中描述的校正样品冠层光谱的采集方法对待测样品的冠层光谱数据进行测定；6)、待测样本地上鲜生物量的测定，按照步骤1描述的方法对测定样品的冠层多光谱进行测定，并将待测样品的RVI (1050, 550)输入步骤3所建模型，得出待测样本的地上鲜生物量。
3.根据权利要求2所述的基于冠层多光谱的烤烟地上鲜生物量测定方法，其特征在于测定团棵期到现蕾前期的烤烟冠层光谱的具体操作方式是采用MSR16光谱辐射计进行，测定前进行标定，共16个波段，其具体波段设置为460/500/550/600/650/670/730/ 780/800/850/950/1050/1100/1200/1260/1480 nm，仪器视场角 31. 1°，光谱测定在晴朗无云或少云的天气条件下进行，测定时间为10 00-14 :00，测定时探头垂直向下，距离冠层高度1. 0-1. 5m,每重复测量1点，每点测定3次，以3次重复的平均值为一点的冠层光谱参数。
全文摘要
一种基于冠层多光谱的烤烟地上鲜生物量测定方法，其特征在于采用多光谱辐射计对团棵期到现蕾前期的烤烟冠层光谱进行测定，构建植被指数，利用统计学方法建立利用冠层光谱参数反演烤烟地上鲜生物量的模型，测定待测样本的冠层光谱参数，输入模型，进而实现对烤烟地上鲜生物量的测定。本方法与技术背景相比有以下优势1.原位测定，不需要取样，对烟株无损伤；2.与高光谱辐射计相比有较大的成本优势，更适用于农业生产；3.只需获得550nm和1050nm两通道的数据就可以完成测定，数据处理方法和过程简便。
文档编号G01N21/25GK102207453SQ20111007009
公开日2011年10月5日 申请日期2011年3月23日 优先权日2011年3月23日
发明者刘阳, 周汉平, 张仕祥, 梁太波, 王建伟, 薛超群, 过伟民, 魏春阳 申请人:中国烟草总公司郑州烟草研究院