1 中国地质科学院水文地质环境地质研究所, 河北 石家庄 050061福建省水循环与生态地质过程重点实验室, 福建 厦门 361000
2 北华航天工业学院, 河北 廊坊 065000北京市农林科学院信息技术研究中心, 北京 100097河北省航天遥感信息处理与应用协同创新中心, 河北 廊坊 065000
3 廊坊师范学院, 河北 廊坊 065000
4 北华航天工业学院, 河北 廊坊 065000
5 北京市农林科学院信息技术研究中心, 北京 100097
受大田环境的影响, 田间采集的冬小麦冠层光谱内含有大量与目标信息无关的噪声, 这制约了高光谱数据对冬小麦植株信息的估测能力。 为制约噪声信息对光谱信息的影响, 探寻提升光谱对冬小麦植株水分供给信息估测能力的方法, 通过野外地面实验获取大田冬小麦高光谱数据及其叶片含水量信息, 采用离散小波算法处理分析高光谱数据, 结合相关性分析算法、 偏最小二乘算珐, 定量分析5类小波基对离散小波算法分离光谱信息的影响规律, 离散小波算法在分离可用光谱信息与噪声中的普适规律及小波基对信息分离的影响进行探讨, 从而为田间光谱数据的处理与分析提供理论与方法支撑。 结果表明: (1)与冬小麦含水量敏感的波段多分布于D1-D5尺度, 且敏感波段在各小波基内的分布区间相对一致, 但波段位置与相关强度均存在一定差异, 这表明小波基的选择能影响高频信息与冬小麦叶片含水量的相关强度与波段位置。 (2)可用的光谱信息与噪声信息均随分解尺度的增加而呈先升后降的规律, 噪声信息对高频信息估测能力的干扰强度随尺度的增加而降低, 高频信息对冬小麦叶片含水量的估测能力随尺度的增加而降低。 (3)模型的精度与稳定性是可用光谱信息与噪声信息综合作用的结果, 其中基于meyer小波基的D5尺度构建的估测模型为最优模型, 其建模精度的R2=0.625、 RMSE=1.562, 验证精度的R2=0.767、 RMSE=1.828。 本研究的结论可为基于离散小波算法的光谱处理与分析提供指导, 并为受噪声影响较重的光谱信息的处理与分析提供一定参考, 同时也可为我国西南、 南部等全年水汽含量较高区域内或北方夏季作物叶片含水量的检测提供基础支撑。
冬小麦 叶片含水量 离散小波 噪声信息 高光谱 Winter wheat Leaf water content Discrete wavelet Noise information Hyperspectral 光谱学与光谱分析
2023, 43(9): 2902
1 石家庄铁道大学交通运输学院, 河北 石家庄 050043 廊坊师范学院, 河北 廊坊 065000北华航天工业学院, 河北 廊坊 065000
2 北华航天工业学院, 河北 廊坊 065000
3 石家庄铁道大学交通运输学院, 河北 石家庄 050043河北省交通安全与控制重点实验室, 河北 石家庄 050043
4 航天遥感信息应用技术国家地方联合工程研究中心, 河北 廊坊 065000
路基压实度是影响公路施工质量与使用寿命的重要因素, 因此, 快速、 无损、 精准掌握公路路基压实度具有重要的现实需求与意义, 然而传统公路路基压实度的检测主要基于少量离散点的精准检测实现, 无法满足全面、 精准检测路基施工质量的需求。 高光谱技术是一种可实现实时、 快速、 无损、 精准监测地表信息的高新技术, 这为公路路基压实度的检测提供了新的解决思路。 为探寻高光谱技术在检测公路路基土壤压实度方面的可行性, 通过土壤击实实验和土壤光谱测定获取土壤压实度及相应光谱数据, 并借助土壤光谱响应机理分析构建土壤紧实度系数; 然后采用压实前、 后土壤光谱构建土壤紧实度系数, 并选用离散小波算法处理分析土壤紧实度系数, 并结合相关性算法定量分析低频、 高频信息与土壤最大干密度进行相关性分析, 提取并筛选特征波段, 然后基于偏最小二乘算法构建土壤最大干密度的估测模型, 研究结果表明: （1）压实后土壤光谱幅度随土壤含水量的增加而降低, 光谱降低幅度随土壤含水量的增加而增加, 且土壤光谱反射率的变化幅度与土壤含水量差异的关系为非线性; 与压实前土壤光谱相比, 除20%土壤含水量外, 压实后土壤光谱反射率几乎在全波段区间均产生不同程度的增加或降低, 而该变化易对土壤成分的检测产生一定影响。 （2）基于压实前、 后土壤光谱生成的土壤紧实度系数能明显提升光谱对压实后土壤最大干密度的敏感性, 其相关系数R最高可达0.811, 为高度相关。 （3）在离散小波算法下, 高频信息能明显提升土壤紧实度对土壤最大干密度的估测能力, 其中基于D1构建的模型精度最高, 为最优模型, 其R2=0.957, RMSE=0.023, 土壤紧实度系数的分辨率对估测模型的精度影响较大。 该研究成果可为将高光谱技术应用于公路路基压实度、 其他工程地基压实度及耕层土壤紧实度的监测提供基础理论与方法支撑。
土壤压实度 高光谱 公路路基 土壤紧实度系数 最大干密度 Soil compaction Hyperspectral Highway roadbed Soil compactness coefficient Maximum dry density 光谱学与光谱分析
2023, 43(7): 2294
1 北华航天工业学院遥感信息工程学院, 河北 廊坊 065000
2 河北省航天遥感信息处理与应用协同创新中心, 河北 廊坊 065000
3 廊坊师范学院, 河北 廊坊 065000
4 贵州省农业科学院科技信息研究所, 贵州 贵阳 550006
5 北京农业信息技术研究中心, 北京 100097
作为一种仙人掌科植物, 火龙果植株无叶, 主要依靠肉质茎进行光合作用、 蒸腾作用等生理功能, 火龙果的肉质茎与常见绿叶类植物叶片在组织结构、 形态等方面存在明显差异, 且二者在植株冠层结构方面也存在明显差异, 该差异会直接影响植株冠层光谱特征, 进而影响基于与光谱技术的光合色素监测。 为探寻提升火龙果茎枝叶绿素含量估测精度的方法, 研究以贵州省罗甸县龙坪镇烟山火龙果种植基地为试验区, 先采集火龙果茎枝光谱及光谱测定部位的组织, 并采用乙醇萃取法测定此组织的叶绿素含量, 然后选用传统数学变换、 连续小波变换、 离散小波变换、 离散小波-微分变换方法分别处理分析光谱数据, 并采用相关性分析算法提取、 筛选敏感特征波段, 最后选用偏最小二乘算法构建火龙果茎枝叶绿素含量估测模型, 分析结果如下: （1）采用离散小波-微分变换算法, 高频信息与低频信息的峰、 谷交替依次呈现, 且可用信息分部具有较强的稳定性, 可用信息随尺度的增加, 曲线振幅加大、 频率降低。 （2）数学变换内的微分变换、 连续小波变换、 离散小波变换与离散小波-微分变换方法均能明显提升光谱对火龙果茎枝叶绿素含量的敏感性, 其中以离散小波-微分变换方法最优, 经处理后光谱与火龙果茎枝叶绿素含量的决定系数最高可达0.565（位于H1分解尺度737.5 nm处）。 （3）离散小波-微分变换最能有效提升光谱对火龙果茎枝叶绿素含量的估测能力, 并且基于离散小波-微分变换H2尺度构建的估测模型为最优模型, 其验证精度的R2=0.769, RMSE=0.040, RPD=1.739。 研究分析了四类光谱处理算法在提升光谱对火龙果茎枝叶绿素含量敏感性与估测能力方面的效果, 表明离散小波-微分变换算法能有效提升光谱对火龙果茎枝叶绿素含量的估测能力, 为火龙果茎枝叶绿素含量的无损估测提供了基础技术支撑。
火龙果 叶绿素含量 离散小波算法 高光谱 Hylocereus polyrhizu Hyperspectral Mathematical transformation Partial least squares
1 廊坊师范学院, 河北 廊坊 065000
2 北华航天工业学院, 河北 廊坊 065000
受太阳辐射、 气象等外界不可控因素的影响, 建筑反射隔热涂料的反射隔热性能会逐渐减损。 建筑反射隔热涂料性能在时间维度的变化是评价建筑在特定时段内节能效果的关键基础数据, 明确建筑反射隔热涂料性能在时间维度的减损规律具有重要的现实与理论意义。 建筑反射隔热涂料的反射、 吸收特征是其性能的直观体现, 借助高光谱技术定量分析涂料反射、 吸收特征可正确揭示涂料性能在时间尺度的变化特征。 为研究分析建筑反射隔热涂料性能在时间尺度上的减损规律, 该研究利用高光谱技术, 联合进行室内与外置实验采集涂料样本不同时期的光谱数据, 并结合吸收峰深度、 图谱分析法等光谱处理方法, 定量分析涂料光谱反射特征、 吸收特征在时间维度的变化特征, 以研究分析涂料光谱反射率在外界环境影响下的减损规律。 研究结论如下: （1）在350～2 250 nm波段区间内, 建筑反射隔热涂料的光谱反射率随时间的增加而降低; 光谱反射率的降低幅度在1月—5月内呈增加趋势, 而在5月—10月内呈递减规律, 且光谱反射率在可见光区间的降低幅度明显高于近红外区域。 （2）建筑反射隔热涂料的吸收峰深度随时间的增加而降低, 降低幅度在0~0.163范围内。 （3）涂料厚度对涂料光谱反射率（涂料性能）及其在时间尺度的变化规律具有重要影响, 且该影响拥有较强的稳定性; 涂料厚度对涂料光谱反射率的减弱幅度具有较强影响, 单一厚度的建筑反射隔热涂料的光谱反射率随时间的变化具有一致性, 随时间的增加而变弱。
反射隔热涂料 减损 高光谱 吸收峰深度 Reflective thermal insulation coating Impairment Hyperspectral Absorption peak depth 光谱学与光谱分析
2022, 42(12): 3745
1 西南大学资源环境学院, 重庆 400716
2 贵州省农业科学院科技信息研究所, 贵州 贵阳 550006
3 北华航天工业学院, 河北 廊坊 065000
火龙果是近年来引进我国的营养价值高、 经济效益好的新型水果, 肉质茎枝是其主要光合器官, 与常见果树具有较大差异。 为探索以茎枝为光合作用器官的植被的光谱特征及其生化组分的估测方法, 以火龙果为研究对象, 在贵州省典型种植区罗甸县开展了4个氮肥梯度田间试验, 同步测定不同养分丰缺程度下的火龙果茎枝高光谱和相应叶绿素含量数据; 然后分析火龙果茎枝光谱数据的演化规律, 并采用数学变换、 连续小波变换算法并结合相关性分析算法处理分析火龙果茎枝光谱数据, 提取并筛选特征波段; 最后利用偏最小二乘算法构建火龙果茎枝叶绿素含量估测模型。 研究结果表明: (1)火龙果肉质茎枝的原始光谱曲线整体趋势与常见绿叶植物相似, 但随施氮量的增加, 火龙果近红外处的光谱反射率逐渐降低, 变化趋势与常见绿叶植物相反, 茎枝光谱的吸收峰(谷)随施氮量的增加呈升高(加深)的趋势。 (2)数学变换中的一阶微分与在L1—L5尺度内的连续小波变换能有效提升光谱对叶绿素含量的敏感性, 火龙果茎枝原始光谱与叶绿素含量的敏感区域主要位于730~1 400 nm, 数学变换与连续小波变换均能提升光谱对叶绿素含量的敏感性。 与常见绿叶植物相比, 火龙果茎枝敏感波段分布相对分散, 且多位于730 nm附近与近红外区域(1 100~1 600 nm)。 (3)数学变换和连续小波变换能明显提升光谱对火龙果茎枝叶绿素含量的估测能力, 其中基于一阶微分的估测模型与基于连续小波变换L1与L4的估测模型分别为数学变换与连续小波变换的最优模型, 其验证精度分别为$R_{verification}^{2}$=0.625, RMSE=0.048, RPD=1.238(一阶微分); $R_{verification}^{2}$=0.678, RMSE=0.037, RPD=1.652(连续小波变换); 表明高光谱技术可以作为火龙果茎枝叶绿素含量和营养诊断的无损监测手段。 该研究为完善不同植被类型基于高光谱指数的叶绿素反演提供了补充。
火龙果 叶绿素含量 高光谱 数学变换 偏最小二乘 Pitaya Chlorophyll content Hyperspectral Mathematical transformation Partial least squares 光谱学与光谱分析
2021, 41(11): 3538
1 廊坊师范学院, 河北 廊坊 065000
2 北京航天自动控制研究所, 北京 100038
3 北华航天工业学院, 河北 廊坊 065000
反射隔热涂料是一类新型建筑材料, 具有隔热、 节能、 环保等功能, 已广泛用于建筑外部结构。 反射隔热涂料性能的高低主要决定于其与太阳辐射相互作用, 即反射隔热涂料对太阳辐射的反射、 吸收能力可直接反映其隔热、 保温性能的优劣。 对于特定反射隔热涂料, 其光谱特性主要取决于其施工厚度参量, 施工厚度的变异可直接影响反射隔热涂料的光谱特征且施工厚度的变异又对其施工效率具有较大影响, 因此探析反射隔热涂料的光谱特性随厚度参量的变化规律, 明确最佳反射隔热涂料施工厚度, 对于减少耗材, 优化施工工艺具有重要的现实与理论意义。 为定量分析施工厚度参量对反射隔热涂料的光谱特征的影响规律, 利用0, 0.5, 1.0, 1.5, 2.0 mm共5类涂料厚度的光谱数据为数据源, 采用去包络线、 吸收峰深度、 减法方法处理分析光谱数据, 定量分析厚度参量对反射隔热涂料反射性能、 吸收性能的作用规律, 研究结果表明: (1)除紫外-蓝光外, 涂料对光的反射作用随波长增加整体呈减弱趋势, 即涂料对短波波段具有较强的反射作用, 而对长波波段的吸收作用则较强, 这表明涂料具有一定的隔热、 保温性能; (2)涂料厚度增加有助于涂料隔热性能的提升, 但无助于增强涂料的保温性能, 厚度提升有助于增强涂料的反射特性, 但涂料反射率的增长幅度却呈先升高后降低的趋势, 吸收峰深度的变化幅度呈先增加后减小的趋势, 其中在厚度达到1.0 mm时涂料反射率增强趋向饱和; (3)涂料厚度对吸收谷深度具有明显影响, 对吸收谷(峰)值位置具有一定作用, 在涂料厚度在达到1.0 mm时, 吸收谷(峰)的波形发生变化。
反射隔热涂料 高光谱 厚度 吸收峰 Reflective thermal insulation coatings Hyperspectral Thickness Absorption peak 光谱学与光谱分析
2020, 40(5): 1420
1 廊坊师范学院, 河北 廊坊 065000
2 北华航天工业学院, 河北 廊坊 065000
3 石家庄铁道大学交通运输学院, 河北 石家庄 050043
4 北京农业信息技术研究中心, 北京 100097
作为一类新型建筑涂料, 反射隔热涂料凭借其节能、 环保等优势已广泛应用于建筑的施工建设; 建筑反射隔热涂料性能的高、 低直接影响建筑节能、 环保性能的优劣, 且对建筑室内环境具有较大影响。 建筑反射隔热涂料主要通过对太阳辐射（可见光-近红外）与建筑辐射（热红外）的反射、 吸收等作用实现其节能、 环保作用。 对于特定建筑反射隔热涂料, 其与光的相互作用主要取决于涂料的施工参量, 如涂料施工厚度。 利用高光谱技术定量分析建筑反射隔热涂料的反射、 吸收特性, 研究涂料施工参量（厚度）对建筑反射隔热涂料性能的影响规律, 为涂料施工检测提供科学技术支撑。 研究借助高光谱技术, 测定涂料不同施工厚度的光谱数据, 分析涂料光谱特征随施工厚度增加的演变规律, 研究可表征涂料施工厚度的涂料指数, 并将涂料光谱数据及由其构建的涂料指数分别与涂料厚度进行相关性分析, 提取并筛选对涂料施工厚度敏感的指标, 构建涂料施工厚度检测模型, 探寻适用于涂料施工厚度检测的方法。 研究表明: （1）位于420～1 070 nm区间的光谱数据对0.1～2.5 mm的涂料厚度较为敏感且其与涂料施工厚度的相关系数r均较高且相对稳定, 表明该光谱区间对涂料厚度的敏感性较好, 可用于涂料厚度的检测; （2）与原始光谱相比, 涂料指数可有效提升光谱对涂料厚度的敏感性, 在5类涂料指数中由484和479 nm构建的RCI指数是表征涂料厚度的最佳参量; （3）在5类涂料指数中, 基于RCI指数构建的涂料厚度检测模型的精度最高, 为最优模型, 其R2=0.973, RMSE=0.185, RPD=4.018。
高光谱 反射隔热涂料 涂料指数 吸收峰深度 Hyperspectral Reflective thermal insulation coatings Coating index Absorption peak depth 光谱学与光谱分析
2020, 40(8): 2552
1 农业部农业遥感机理与定量遥感重点实验室, 北京农业信息技术研究中心, 北京 100097
2 国家农业信息化工程技术研究中心, 北京 100097
3 北京市农业物联网工程技术研究中心, 北京 100097
4 山东科技大学测绘科学与技术学院, 山东 青岛 266590
5 北华航天工业学院计算机与遥感信息技术学院, 河北 廊坊 065000
倒伏胁迫是玉米生产中的主要灾害之一, 严重影响玉米的产量、 品质和机械收获能力。 解析不同倒伏胁迫强度下玉米冠层结构变化规律及其光谱响应机理, 是玉米倒伏灾情大范围遥感监测的基础。 分别在玉米抽雄期、 灌浆中期设置茎倒、 茎折、 根倒3种强度的倒伏处理, 基于田间多频次持续观测实验, 分析生育期、 倒伏类型对玉米冠层结构动态变化及其自我恢复能力的影响; 采用传统光谱变换与连续小波变换方法对倒伏玉米冠层高光谱进行处理, 选取叶面积密度(LAD)为玉米倒伏冠层结构特征指标, 筛选叶面积密度最佳敏感波段和小波系数, 基于随机森林法构建叶面积密度高光谱响应模型, 利用未参与建模的实测样本验证模型精度, 重点探讨小波分解尺度和光谱分辨率对LAD光谱响应能力的影响规律。 研究结果表明: 叶面积密度作为单位体积内叶面积总量的冠层结构表征指标, 与倒伏胁迫强度具有较好的响应关系, 灌浆期的倒伏玉米LAD普遍高于抽雄期, 抽雄期LAD整体表现为茎折＞根倒＞茎倒＞未倒伏, 灌浆期LAD整体表现为根倒＞茎折＞茎倒＞未倒伏; 经连续小波变换后, 玉米倒伏冠层光谱对玉米倒伏LAD的响应能力普遍优于传统光谱变换, 随着小波分解尺度的增加, LAD与敏感波段的相关性越强, 其中10尺度相关系数最高, 达0.74; 连续小波变换所构建的模型精度普遍优于传统光谱变换, 其中由原始光谱小波变换后构建的LAD响应模型精度最高, 检验样本的R2为0.811, RMSE为1.763, 表明连续小波变换技术可凸显和利用冠层光谱中的细微信息。 因此, 叶面积密度可有效定量表征不同倒伏胁迫程度的玉米冠层结构变化特征, 连续小波变换能有效提升冠层光谱对倒伏玉米结构变化的响应能力, 基于随机森林法构建的倒伏玉米叶面积密度诊断模型具有较高的精度和稳定性, 可为区域尺度的夏玉米倒伏灾情遥感监测提供先验知识。
玉米 倒伏 叶面积密度 高光谱 连续小波变换 随机森林 Maize Lodging Leaf area density (LAD) Hyperspectral Continuous wavelet transform (CWT) Random forest (RF) 光谱学与光谱分析
2019, 39(11): 3553
1 北华航天工业学院, 河北 廊坊 065000
2 河北省航天遥感信息处理与应用协同创新中心, 河北 廊坊 065000
3 北京农业信息技术研究中心, 北京 100097
4 国家农业信息化工程技术研究中心, 北京 100097
为从土壤光谱中提取土壤有机质的光谱响应信息, 提升土壤有机质含量诊断精度与可靠性, 以潮土有机质含量为研究对象, 以北京市区域的96个耕层土壤参数与高光谱数据为数据源开展研究分析; 先采用二进制小波技术将土壤光谱数据分离为5个尺度的高频数据与低频数据, 再将低频数据、 高频数据分别与土壤有机质实测数据进行相关性分析, 提取最佳波段组合, 构建有机质含量诊断模型。 结果表明: （1）二进制小波技术可抑制噪声对高频信息的干扰, 能有效提升光谱对土壤有机质含量的敏感性, 进而提升有机质含量的诊断精度与可靠性; （2）在二进制小波技术下, 高频信息对有机质含量的诊断能力明显优于低频信息, 低频信息对土壤有机质含量的诊断能力随尺度增加而降低, 高频信息随尺度增加呈先提升而后降低的趋势; （3）与数学方法相比, 基于二进制小波变换算法构建的模型精度较高, 稳定性较好, 其最优模型的预测精度提高了315%, 可靠性增加了105%。
土壤有机质 二进制小波 高光谱 潮土 Soil organic matter Binary wavelet transform Hyperspectral Alluvial soil 光谱学与光谱分析
2019, 39(9): 2855
1 北华航天工业学院, 河北 廊坊 065000
2 河北省航天遥感信息处理与应用协同创新中心, 河北 廊坊 065000
3 北京农业信息技术研究中心, 北京 100097
4 农业部农业信息技术重点实验室, 北京 100097
以北京市东部地区96个潮土土样的土壤参数及对应光谱数据为数据源, 采用连续小波多尺度分析处理与分析。 首先将土壤光谱进行初步处理, 生成小波系数, 其次将土样的有机质含量与小波分解系数开展相关性分析, 提取特征波段, 最后采用特征波段建立预测耕层有机质含量的模型。 结果表明: 经连续小波处理后, 光谱对耕层有机质含量的预测能力明显优于传统光谱变换技术; 经连续小波分解后, 对土壤有机质含量的预测能力随光谱分辨率降低呈先降后升再降的趋势; 连续小波分析算法可提升土壤光谱对有机质含量的估测能力, 与土壤高光谱反射率相比, 基于连续小波变换的土壤有机含量最佳的精度提高19%; 由于光谱分辨率为80 nm建立的模型精度较高, 其R2达到0.632, 这表明在连续小波算法下, 光谱分辨率较低的宽波段数据可用于土壤有机质含量的监测。
土壤有机质 连续小波变换 高光谱 Soil organic matter Continuous wavelet transformation Hyperspectral 光谱学与光谱分析
2018, 38(11): 3521
