基于叶片双层辐射传输机理的水稻叶绿素含量反演

• Published in: 农业工程学报 Vol. 40; no. 17; pp. 171 - 178
• Main Authors: 王楠, 陈春玲, 相爽, 金忠煜, 白驹驰, 于丰华
• Format: Journal Article
• Language: Chinese
• Published: 国家数字农业区域创新分中心(东北),沈阳 110866%沈阳农业大学信息与电气工程学院,沈阳 110866 01.09.2024; 国家数字农业区域创新分中心(东北),沈阳 110866; 辽宁省智慧农业技术重点实验室,沈阳 110866; 沈阳农业大学信息与电气工程学院,沈阳 110866
• Subjects: WOA-ELM; PIOSL; 模型; hyperspectral; model; SVM; chlorophyll content; 高光谱; 叶绿素含量
• ISSN: 1002-6819
• DOI: 10.11975/j.issn.1002-6819.202403209

S24; 水稻是主要的粮食作物,对其生长发育过程中叶绿素含量进行精准监测,在指导田间管理方面具有十分重要的意义.叶片辐射传输模型能够有效地模拟水稻叶片光谱信息,描述叶片各参数对光谱反射率的影响,具有较强的机理性,可作为基于物理驱动方式反演水稻叶片叶绿素含量的重要机理模型.PIOSL(PROSPECT consider the internal optical structure of the leaves)模型假设叶片内部是由两层不同的光学特性层叠加而成,其叶片内部结构的假设更加符合植物的实际生长状况.为了验证PIOSL模型反演水稻叶片叶绿素的可行性,并为作物理化参量反演提供新思路,该研究利用此模型对水稻叶片叶绿素含量开展反演研究.首先利用PIOSL模型构建查找表,筛选查找表中与实测光谱较为接近的模拟样本数据,利用SVM(support vector machine)构建分类预测模型,判定查找表中随机生成的参数组合是否符合叶片实际情况,并构建新的查找表数据集.将改进后的查找表按7:3的比例随机拆分为训练集和测试集,通过WOA-ELM(whale optimization algorithm,WOA;extreme learning machine,ELM)模型反演水稻叶片叶绿素含量.结果表明:基于PIOSL-WOA-ELM构建的反演模型,模型R2和RMSE分别为0.977和2.356 pg/cm2,与PROSPECT-WOA-ELM模型的反演精度均在0.9以上,且优于传统的多元回归模型.由此看来,利用PIOSL-WOA-ELM模型对水稻叶片叶绿素含量进行反演是可行的,可为精准反演水稻叶绿素在叶片中的分布提供新的思路,进而科学有效地开展田间管理.