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基于连续小波分析的植被叶片叶绿素含量的光谱模型研究.rar

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    编号:20180915222316148    类型:共享资源    大小:1.41MB    格式:RAR    上传时间:2018-09-15
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    基于 连续 分析 植被 叶片 叶绿素 含量 光谱 模型 研究
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    山 东 科 技 大 学I编 号 ( 学 号 ) :山东科技大学本 科 学 生 毕 业 论 文 ( 设 计 ) 手 册题 目 : 基 于 连 续 小 波 分 析 的 植 被 叶 片 叶 绿 素 光 谱 模 型 研究 学 院 名 称 : 测 绘 科 学 与 工 程 学 院专 业 名 称 : 遥 感 科 学 与 技 术 系年 级 : 遥 感 2013学 生 姓 名 : 程 洁学 号 : 201301180403指 导 教 师 : 解 斐 斐 职 称 /学 历 : 讲 师 /博 士成绩评定 评 价 方 式及 比 例 指 导 教 师评 价 ( 60% ) 评 阅 人评 价 ( 20% ) 答 辩 小 组评 价 ( 20% ) 最 终成 绩 评 定等 级成 绩折 算 后 成 绩● 评 定 等 级 标 准 : “ 优 ” ( 90分 以 上 ) ; “ 良 ” ( 80~ 89) ; “ 中 ” ( 70~ 79) ;“ 及 格 ” ( 60~ 69) ; “ 不 及 格 ” ( 60以 下 ) 。教 务 处 制201301180403山 东 科 技 大 学II山东科技大学本 科 学 生 毕 业 论 文 ( 设 计 )承诺书本 人 承 诺 : 在 即 将 开 始 的 毕 业 论 文 ( 设 计 ) 过 程 中 , 严 格 遵 守 学术 道 德 规 范 和 学 校 纪 律 , 在 学 院 和 指 导 教 师 的 安 排 与 指 导 下 , 独立 完 成 毕 业 论 文 ( 设 计 ) 工 作 , 不 弄 虚 作 假 , 不 请 人 代 做 毕 业 论文 ( 设 计 ) 或 抄 袭 别 人 的 成 果 。 按 照 “ 山 东 科 技 大 学 本 科 生 毕 业论 文 ( 设 计 ) 规 定 ” 的 要 求 , 完 成 毕 业 论 文 ( 设 计 ) 的 撰 写 、 答辩 、 装 订 整 理 等 工 作 。学生签名:年月日山 东 科 技 大 学1基 于 连 续 小 波 分 析 的 植 被 叶 片 叶 绿 素 含 量 的 光谱 模 型 研 究摘 要 :近 年 来 , 高 光 谱 遥 感 在 植 被 营 养 诊 断 中 的 应 用 成 为 人 们 研 究和 关 注 的 焦 点 , 其 中 基 于 植 被 叶 绿 素 含 量 的 光 谱 研 究 不 仅 是 农 业遥 感 研 究 的 基 础 工 作 , 对 其 长 势 监 测 , 营 养 诊 断 等 有 重 要 意 义 ,而 且 对 建 立 简 单 , 快 速 , 低 成 本 的 光 谱 分 析 方 法 也 有 重 要 意 义 。本 文 研 究 基 于 PROSPECT 模 型 的 辐 射 传 输 理 论 推 导 叶 片 反 射率 光 谱 的 小 波 系 数 反 演 叶 绿 素 含 量 的 理 论 模 型 , 同 时 利 用 小 波 函数 , 对 叶 片 吸 收 光 谱 进 行 小 波 分 解 。 选 取 对 叶 绿 素 变 化 最 敏 感 同时 对 其 他 组 分 不 敏 感 的 分 解 尺 度 和 波 段 位 置 , 找 到 能 稳 定 突 出 叶绿 素 光 谱 特 征 的 小 波 系 数 。 结 果 表 明 : sym8 小 波 函 数 在 尺 度 为300, 波 段 位 置 为 490 和 780nm 的 小 波 系 数 具 有 上 述 特 征 。 利 用PROSPECT模 型 生 成 模 拟 光 谱 数 据 集 , 校 正 转 换 系 数 , 并 与 实 验 光谱 数 据 集 结 合 验 证 反 演 模 型 。 为 检 验 所 建 模 型 , 将 反 演 结 果 与 常用 指 数 建 立 的 统 计 模 型 进 行 比 较 。 结 果 表 明 : 反 演 模 型 不 仅 比 传统 基 于 植 被 指 数 的 统 计 模 型 在 精 度 上 有 提 高 而 且 更 加 稳 定 , 普 适性 更 高 。关 键 词 : 光 谱 指 数 、 叶 片 叶 绿 素 含 量 、 小 波 分 析 、 PROSPECT模 型山 东 科 技 大 学2Spectral model of chlorophyll content about vegetation leaves basedoncontinuouswaveletanalysisAbstractIn recent years, application of hyperspectral remote sensing invegetationnutrientdiagnosisisthefocustobestudiedandconcerned.Thespectrum studybasedonvegetationchlorophyllcontentnotonlyis the foundation of agricultural remote sensing and has theimportant significance on growing vigor monitoring and nutrientdiagnosis,butalsohastheimportantsignificanceonestablishingthesimple,rapidandlow-cost spectral analysismethod.In thepaper,theauthor proposed to establish and study the spectral model ofvegetation chlorophyll content based on continuous wavelet analysisand applied a wavelet analysis method to analyze influence featuresof chlorophyll content on reflectivity. The radiation transfer theorybased onPROSPECTwas deduced the theoretical model for waveletcoefficient inverting chlorophyll content of reflectivity spectra.Meanwhile, wavelet function was used to conduct waveletdecomposition for leaf absorption spectrum. By selectingdecompositionsizeandwavebandpositionofthemostsensitivepartto chlorophyll changes and insensitive part to other components, thewavelet coefficient that stably stood out chlorophyll spectrumfeatures was find out. Findings showed thatWith the sizeof 300 andwave band position of 490 and 780nm, wavelet coefficient of sym8wavelet function had the above-mentioned features. The leaf山 东 科 技 大 学3chlorophyll inversion model was established. PROSPECT modelwas used to generate the simulation spectroscopic data. Theconversion coefficient of the leaf chlorophyll inversion model wascalibrated. By combining with LoPEX93 experimental spectroscopicdataset, the inversion model was verified. In order to verify theestablished model, reversion results were compared with thestatistical model established by common indexes. The reversionmodel of sym8 wavelet coefficient inversing leaf moisture contentCwbyleafreflectivityspectrumwasestablished.Themodelhadtwoconversion coefficients , which were affected by the leaf structureparameter N. PROSPECT model was used to generate and simulatethe spectroscopic data. Two conversion coefficients established inthe reversion model of leaf chlorophyll content werecalibrated.Moreover, by combining with Lopex93 experimentalspectrum dataset, the reversion model was verified. Findingsindicated that by combining with the traditional statistical modelbased on vegetation index, the reversion model improved precisionanditwasalsomorestable.Theuniversalitywashigher.Keywords: Spectrum index; leaf chlorophyll content; waveletanalysis;PROSEPCTmodel山 东 科 技 大 学4摘 要 : ..................................................................................................................1Abstract..............................................................................................................2第 一 章 绪 论 ........................................................................................................51.1 研 究 背 景 和 意 义 .................................................................................51.2国 内 外 研 究 现 状 ..................................................................................61.3研 究 内 容 与 技 术 路 线 ..........................................................................9第 二 章 研 究 资 料 与 方 法 .................................................................................112.1 PROSPECT模 型 介 绍 ..........................................................................112.2小 波 分 析 方 法 介 绍 ............................................................................172.3已 有 光 学 指 数 介 绍 ............................................................................192.4 Lopex93数 据 介 绍 ............................................................................23第 三 章 叶 片 叶 绿 素 含 量 的 光 谱 模 型 构 建 .....................................................283.1叶 绿 素 光 谱 范 围 选 择 ........................................................................283.2 叶 绿 素 反 演 推 导 模 型 .......................................................................293.3 模 型 参 数 确 定 ...................................................................................31第 四 章 实 验 与 分 析 .........................................................................................334.1对 叶 绿 素 敏 感 性 分 析 ........................................................................334.2 抵 抗 干 物 质 影 响 能 力 .......................................................................344.3抵 抗 水 分 影 响 能 力 ............................................................................364.4抵 抗 叶 肉 结 构 影 响 的 能 力 ................................................................374.5 实 测 数 据 分 析 ...................................................................................38第 五 章 总 结 与 展 望 .........................................................................................40参 考 文 献 ............................................................................................................42致 谢 ....................................................................................................................44附 录 ....................................................................................................................45山 东 科 技 大 学5第 一 章 绪 论1.1 研 究 背 景 和 意 义叶 绿 素 是 植 物 叶 片 的 基 本 组 成 部 分 , 也 是 植 被 光 合 作 用 过 程中 的 要 素 之 一 , 与 植 被 的 光 能 利 用 及 转 化 密 切 相 关 , 各 种 各 样 的生 理 刺 激 以 及 叶 片 的 发 育 和 衰 老 过 程 都 会 引 起 叶 片 叶 绿 素 含 量以 及 对 应 的 叶 绿 素 和 叶 绿 素 的 含 量 的 变 化 。 叶 绿 素 是 叶 片 中 的 重要 含 氮 物 质 , 对 植 物 氮 素 的 吸 收 和 利 用 状 况 具 有 一 定 的 指 示 作用 , 也 就 是 说 , 叶 片 叶 绿 素 含 量 的 测 量 值 能 间 接 、 精 确 的 评 估 植被 的 营 养 状 态 [1]。叶 绿 素 的 吸 收 特 征 波 段 主 要 集 中 在 可 见 光 区 , 因 此 , 其 含 量的 多 少 直 接 影 响 叶 片 光 谱 在 可 见 光 区 的 反 射 光 谱 特 征 。 叶 绿 素 浓度 或 含 量 常 作 为 生 态 研 究 模 型 的 输 入 参 数 , 而 叶 绿 素 浓 度 和 含 量的 测 量 , 尤 其 是 大 范 围 的 区 域 叶 绿 素 参 数 的 获 取 困 难 较 大 , 因 此通 过 遥 感 技 术 反 演 叶 绿 素 对 植 被 生 态 环 境 效 应 等 研 究 具 有 重 要的 实 际 意 义 。叶 绿 素 浓 度 或 含 量 的 测 量 , 传 统 的 方 法 一 般 是 采 用 破 坏 性 采样 , 利 用 化 学 溶 液 萃 取 , 然 后 利 用 分 光 光 度 计 测 量 特 定 波 长 处 的吸 光 度 , 这 种 方 法 比 较 耗 时 , 大 量 测 定 成 本 比 较 高 , 并 且 对 样 本的 保 存 等 有 一 定 的 要 求 [2]。 虽 然 目 前 为 了 能 够 快 速 、 无 损 的 测 定植 被 叶 绿 素 及 其 它 生 化 组 分 含 量 , 己 经 存 在 一 些 仪 器 和 方 法 用 于迅 速 测 定 植 被 叶 片 的 生 化 组 分 相 对 含 量 值 , 但 是 , 这 些 仪 器 对 光谱 反 射 率 的 测 定 范 围 比 较 宽 , 而 且 没 有 针 对 性 , 因 此 所 估 测 的 叶山 东 科 技 大 学6片 生 化 组 分 含 量 值 存 在 比 较 大 的 误 差 。高 光 谱 遥 感 技 术 能 够 反 映 光 谱 反 射 率 曲 线 上 “ 峰 ” 和 “ 谷 ”的 变 化 与 叶 片 叶 绿 素 总 量 变 化 间 的 关 系 , 利 用 高 光 谱 遥 感 技 术 探测 植 被 叶 绿 素 总 量 的 变 化 己 研 究 多 年 。 到 目 前 为 止 , 利 用 高 光 谱遥 感 技 术 反 演 植 被 的 叶 绿 素 含 量 方 面 己 经 得 到 了 很 大 的 进 展 , 国内 外 许 多 研 究 者 提 出 了 数 十 种 光 谱 指 数 和 不 同 的 方 法 用 于 叶 绿素 的 经 验 反 演 。 但 是 , 通 常 实 验 条 件 与 植 被 类 型 不 同 所 建 立 的 光谱 植 被 指 数 也 不 同 , 因 此 , 光 谱 植 被 指 数 在 应 用 于 不 同 的 植 被 类型 或 不 同 生 长 环 境 下 同 种 植 被 , 以 及 同 种 植 被 处 在 不 同 生 理 状 态时 , 均 需 要 进 行 修 正 。理 解 叶 绿 素 光 谱 反 射 特 征 的 规 律 , 有 助 于 改 进 有 关 便 携 式 仪器 的 性 能 , 提 高 测 定 的 精 度 , 利 用 高 光 谱 仪 的 高 光 谱 分 辨 率 , 可以 根 据 叶 片 原 始 反 射 率 光 谱 或 其 导 数 光 谱 在 某 些 特 征 波 段 处 的光 谱 反 射 率 或 光 谱 反 射 率 的 某 种 变 换 与 叶 绿 素 含 量 建 立 回 归 预测 模 型 。 而 且 , 通 过 建 立 的 遥 感 光 谱 反 射 率 或 光 谱 反 射 率 的 某 种变 换 值 与 植 被 叶 片 叶 绿 素 含 量 的 关 系 , 可 以 为 利 用 卫 星 遥 感 监 测植 被 的 生 长 状 况 提 供 基 础[3]。1.2国 内 外 研 究 现 状近 年 来 ,随 着 成 像 光 谱 遥 感 概 念 的 提 出 和 技 术 的 发 展 ,利 用 遥感 手 段 精 确 估 算 植 物 冠 层 、 叶 片 生 物 化 学 含 量 已 经 成 为 可 能 ,并且 正 在 形 成 遥 感 领 域 的 研 究 热 点 ,发 展 极 为 迅 速 。 国 内 外 研 究 植物 叶 绿 素 含 量 与 光 谱 特 征 之 间 的 关 系 ,主 要 集 中 在 三 个 个 方 面 ,一 种 是 利 用 统 计 分 析 方 法 , 由 叶 片 和 冠 层 光 谱 特 征 估 算 化 学 组 分山 东 科 技 大 学7含 量 的 统 计 模 型 [4],另 外 两 种 是 基 于 叶 绿 素 含 量 遥 感 数 据 反 演 的经 验 与 半 经 验 模 型 和 辐 射 传 输 模 型 。统 计 分 析 方 法 是 由 叶 片 和 光 谱 特 征 估 算 化 学 组 分 含 量 是 研 究叶 绿 素 含 量 与 光 谱 特 征 之 间 的 关 系 的 一 种 重 要 方 法 。 其 原 理 是 通过 叶 片 生 化 组 分 对 应 特 定 光 谱 的 吸 收 特 征 ,利 用 多 元 回 归 确 定 化学 组 分 和 光 谱 数 据 相 关 程 度 高 的 波 段 和 波 段 组 合 ,从 而 反 演 出 化学 组 分 含 量 。 国 内 外 为 了 更 好 的 运 用 统 计 分 析 的 方 法 来 研 究 叶 绿素 含 量 变 化 , 开 发 了 一 系 列 的 关 于 统 计 分 析 的 软 件 , 比 如 由 中 国研 发 的 国 产 统 计 学 DPS, 美 国 SAS研 究 所 研 制 的 SAS软 件 以 及 20世 纪 60 年 代 末 由 美 国 斯 坦 福 大 学 的 三 位 研 究 生 研 制 开 发 了 最 早的 统 计 分 析 软 件 SPSS等 。 优 缺 点 : 该 模 型 相 对 比 较 简 单 ,但 在 实际 应 用 中 存 在 着 许 多 问 题 ,如 对 于 不 同 时 间 和 地 点 的 应 用 缺 少 连续 性 及 鲁 棒 性 ;相 关 时 存 在 过 饱 和 风 险 (通 常 当 使 用 波 段 比 样 本多 得 多 时 );波 长 选 择 没 有 逻 辑 因 果 关 系 ,波 段 可 能 会 选 在 另 一 种生 化 因 子 吸 收 特 征 上 ,造 成 因 子 相 关 等 。经 验 与 半 经 验 模 型 的 原 理 是 基 于 光 谱 数 据 的 经 验 半 经 验 方法 , 通 过 混 合 光 谱 分 析 技 术 , 多 元 逐 步 回 归 分 析 等 方 法 , 对 一 系列 的 观 测 数 据 做 统 计 描 述 或 者 进 行 相 关 性 分 析 , 构 建 植 被 参 数 与光 谱 指 数 之 间 的 回 归 方 程 建 立 光 谱 反 射 率 与 叶 片 中 各 种 色 素 含量 的 关 系 , 反 演 叶 绿 素 素 含 量 。 为 了 反 演 植 被 叶 片 冠 层 的 叶 绿 素含 量 , 很 多 研 究 者 都 重 视 在 一 定 的 理 论 基 础 上 建 立 和 应 用 一 些 高效 的 光 谱 指 数 。 Sims(2002)和 Gamon(2002)[5]研 究 了 各 种 光 谱 指 数对 于 不 同 植 被 与 不 同 叶 片 结 构 的 有 效 性 与 适 应 性 。 对 于 无 损 的 估算 叶 片 叶 绿 素 含 量 ,Ustin(2009)、 Richardson(2002)[6]等 人 的 研 究表 明 , 绿 波 段 与 红 边 波 段 对 叶 片 的 叶 绿 素 变 化 比 较 敏 感 。山 东 科 技 大 学8Gitelson(2003、 2006)、 Ciganda(2009)[7]等 的 研 究 表 明 , 选 用 红 边波 段 、 绿 波 段 和 近 红 外 波 段 组 成 与 指 数 来 反 演 叶 片 叶 绿 素 含 量 ,当 叶 片 叶 绿 素 含 量 在 范 围 时 , 叶 绿 素 预 测 的 均 方 根 误 差 变 异 系 数比 较 小 。 Zarco-Tejada( 2005) 通 过 在 冠 层 尺 度 上 运 用 植 被 指 数估 算 叶 绿 素 含 量 , Delegido( 2010) [8]通 过 用 数 据 估 算 一 些 农 作物 的 叶 绿 素 含 量 , 预 测 结 果 的 均 方 根 误 差 。 优 缺 点 : 经 验 半 经 验模 型 通 常 具 有 参 数 少 , 简 便 , 适 用 性 强 等 优 势 , 但 是 , 这 类 模 型通 常 有 明 显 的 地 域 局 限 性 , 特 别 是 不 同 季 节 , 不 同 区 域 的 相 关 系数 差 别 通 常 很 大 , 模 型 的 可 移 植 性 较 差[9]。辐 射 传 输 模 型 原 理 是 通 过 分 析 植 被 的 光 谱 特 征 和 其 结 构 、 表面 特 征 、 生 化 组 成 、 外 界 环 境 条 件 等 因 素 的 关 系 以 建 立 模 型 。 当已 知 模 型 输 入 参 数 , 就 可 以 模 拟 植 被 光 谱 ; 当 已 知 光 谱 特 征 后 ,就 可 通 过 一 些 最 优 化 的 数 据 算 法 反 演 植 物 的 相 关 参 数 。 在 植 物 叶片 尺 度 上 , 典 型 的 叶 片 辐 射 传 输 模 型 主 要 有 PROSPET模 型 。 在 运用 辐 射 传 输 模 型 方 法 反 演 叶 绿 素 方 面 , LeMaire(2004)等 在 叶 片尺 度 上 运 用 模 型 模 拟 了 大 量 叶 片 光 谱 , 对 自 1973 年 以 来 提 出 的几 乎 所 有 光 谱 指 数 进 行 了 验 证 。 Feret(2001)等 利 用 在 世 界 各 地 收集 的 大 量 不 同 叶 片 数 据 , 证 明 了 PROSPECT5辐 射 传 输 模 型 利 用 红边 波 段 和 近 红 外 波 段 , 能 够 准 确 的 对 叶 片 叶 绿 素 含 量 进 行 估 算 。Renzullo(2006)等 将 通 过 模 型 反 演 得 到 的 叶 片 叶 绿 素 含 量 与 化 学方 法 测 得 的 准 确 叶 绿 素 含 量 进 行 比 较 , 发 现 二 者 之 间 的 决 定 系 数 .通 过 耦 合 PROSPECT 模 型 与 SAIL 模 型 , Clevers(2012) 和Kooistra(2012)[10]用 PROSAIL 模 型 模 拟 出 的 冠 层 光 谱 数 据 与 实 测光 谱 数 据 一 起 来 反 演 叶 绿 素 含 量 。 优 缺 点 : 辐 射 传 输 模 型 具 有 一定 的 物 理 意 义 , 在 参 数 足 够 的 情 况 下 反 演 精 度 较 高 , 但 模 型 所 需
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