基于单积分球测量系统和反演策略的油菜叶片叶绿素分析研究

作     者：李晓冉 

作者单位：浙江大学 

学位级别：硕士

导师姓名：岑海燕

授予年度：2019年

学科分类：09[农学] 0901[农学-作物学] 

主      题：油菜叶片 叶绿素 PROSPECT模型 随机森林模型 单积分球检测系统 

摘      要：叶片叶绿素含量是反映作物生长状态的重要指示因子,如何快速、准确的定量获取叶绿素含量对作物生长监测、胁迫分析、估产等具有极其重要的意义。针对目前叶绿素含量预测结果精度差、效率低的问题,本文基于油菜叶片叶绿素反演的需求,构建了单积分球测量系统平台,并选择随机森林模型和PROSPECT模型探索了叶绿素反演的最优策略,具体研究内容如下:（1）基于ANGERS数据库研究了不同反演策略对叶绿素反演的影响。基于ANGERS数据库中400-2450 nm的反射率、透射率,叶绿素含量的数据,比较了不同波段范围（400-1000 nm、400-2450 nm）、不同光谱采集方式（反射率、透射率、反射率+透射率）、以及不同反演模型对叶绿素含量预测的结果,发现基于PROSPECT模型400-1000 nm的反射率+透射率反演叶绿素的优选性。（2）构建了单积分球检测系统平台。构建了适合测量油菜叶片400-1000 nm的半球反射率、半球透射率的测量系统平台。为了确保油菜叶片光谱测量的可靠性,基于20%Intralipid溶液和Blue dye粉末,制作了5种不同浓度的参考标样,并根据Beer-Lambert定律计算其标样的吸收系数μa,根据Intralipid散射溶液约化散射系数的经验公式计算约化散射系数μs 。同时,通过积分球所测得标样的半球反射率和半球透射率并结合IAD（Inverse adding doubling）反演算法得到标样的吸收系数μa和约化散射系数μs ,将实验所得的计算值与理论值进行比较,结果表明,系统可靠性较好,可以用于后续实验测量。（3）研究了不同反演策略对油菜叶片叶绿素反演的影响。基于单积分球测量系统PROSPECT模型的不同光谱采集方式的叶绿素反演,400-1000 nm的反射率、透射率、反射率+透射率反演的叶绿素与测量的叶绿素相关性分析的R2（Coefficient of determination）值分别为0.65、0.82、0.83;RMSE（Root mean squared error）值的结果分别是5.13μg/cm2、3.57μg/cm2、3.31μg/cm2。基于单积分球测量系统随机森林模型不同光谱采集方式的叶绿素反演结果,400-1000 nm的反射率、透射率建模集反演的叶绿素与测量的叶绿素相关性分析的R2值分别为0.88、0.90;RMSE值的结果分别是1.46μg/cm2、1.33μg/cm2。400-1000nm的反射率、透射率预测集反演的叶绿素与测量的叶绿素相关性分析的R2值分别为0.76、0.80;RMSE值的结果分别是3.34μg/cm2、3.30μg/cm2。基于单积分球测量系统基于PROSPECT模型、随机森林模型不同时期的叶绿素反演结果,基于PROSPECT模型,不同时期的R2值分别为:0.83、0.89、0.78、0.79、0.89;RMSE值的结果分别是2.24μg/cm2、1.82μg/cm2、2.72μg/cm2、2.98μg/cm2、1.95μg/cm2。基于随机森林模型,不同时期的R2值分别为:0.14、0.84、0.54、0.45、0.60;RMSE值的结果分别是2.24μg/cm2、1.82μg/cm2、2.72μg/cm2、2.98μg/cm2、1.95μg/cm2。基于ASD便携式野外光谱仪随机森林不同波段的叶绿素反演结果,400-1000 nm、400-2500 nm的反射率建模集反演的叶绿素与测量的叶绿素相关性分析的R2值分别为0.91、0.91;RMSE值的结果分别是2.40μg/cm2、1.71μg/cm2。400-1000 nm、400-2500 nm的反射率预测集反演的叶绿素与测量的叶绿素相关性分析的R2值分别为0.58、0.52;RMSE值的结果分别是5.21μg/cm2、5.62μg/cm2。综合比较所有结果,可以得出油菜叶片基于单积分球测量系统PROSPECT模型400-1000 nm的反射率+透射率叶绿素反演的优选性。