基于无人机高光谱的稻田杂草识别和空间分布研究

稗草是稻田中一种典型的杂草,会严重影响水稻的生长发育,并最终导致减产。由于其外观与水稻极其相似,难以区分,给治理带来了极大的挑战。基于室内环境下的稗草识别条件理想,难以推广,因此,在复杂稻田环境下对稗草进行识别和制图具有重要的研究价值和意义。首先,利用无人机载高光谱获取低空稻田影像,经拼接校正和SG(Savitzky-Golay)卷积平滑滤波后,采用连续投影算法(SPA)对区分水稻和稗草的敏感波段进行提取,基于全波段和特征波段,使用支持向量机(SVM)、随机森林(RF)、一维卷积神经网络(1DCNN)和三维卷积神经网络(3DCNN)进行建模。结果表明,SPA-3DCNN对水稻(0.9420)和稗草(0.8936)的识别效果最好。SPA选择的7个特征波段(482.5234、546.5415、675.0806、709.1382、762.0431、922.0157和944.6371 nm)对区分稗草和水稻具有重要的参考价值。随后,将模型应用于整个高光谱数据集,生成稗草的空间分布图与密度图。本文成功探索了无人机载高光谱在复杂稻田环境下稗草识别的可行性,并绘制了稗草空间分布图与密度图,为稗草的治理防范提供了有力的数据支撑。

基于光谱指数的土壤重金属Zn的定量预测与空间分布研究

高光谱技术在反演土壤重金属含量方面具有独特优势,而高光谱中存在大量冗余信息,需要采用相应方法来减少冗余信息对反演精度的影响,以实现对土壤Zn含量的准确预测。以云南省墨江哈尼族自治县农田采集的土壤Zn含量与高光谱数据为数据源,将获取的高光谱数据利用Savitzky-Golay平滑处理后,使用R′、(1/R)′、(√R)′、(logR)′四种不同数学形式的变换对光谱进行处理并构建了五种指数,即归一化指数(NDI)、差值指数(DI)、比值指数(RI)、和指数(SI)、倒数差值指数(IDI),从中挑选出与土壤Zn含量相关系数绝对值最大的光谱指数值作为模型输入量,结合偏最小二乘法(PLSR)与多元回归分析法(MLR)建立土壤Zn含量的最优反演模型,结果表明:(1)在不同数学变换形式下所得到的优化光谱指数值与土壤Zn含量均表现出较高的相关性,优化光谱指数能有效增强光谱与土壤Zn含量的敏感性,相关系数绝对值可达到0.7以上。(2)基于优化光谱指数得到的最佳预测模型(1/R)′~PLSR其验证集R2为0.77,RMSE为5.07mg·kg-1,RPD达到了2.09,较于相同变量的MLR模型R2提高了0.04,RMSE降低了0.47,RPD提高了0.18,具有较好的预测能力,可作为研究区土壤Zn含量的最优估测模型。(3)由最优估算模型结合空间插值方法,绘制出研究区土壤Zn含量空间分布图可知,土壤Zn含量的空间分布在图中部含量较高,且随着地形高程的增加而降低。基于优化光谱指数结合PLSR建模方法在估测土壤Zn含量方面具有一定的可行性,可为农田土壤Zn含量的估测提供参考。

空间特性光谱反演及对户外光谱修正的可行性研究

户外高光谱探测可以快速获取样品的光谱信息,但受环境光线和样品二向反射特性的影响,采集到的光谱并不能准确反映样品的真实信息,对户外探测精度有一定影响。为了提高户外高光谱探测精度,提出了一种使用空间特性光谱对户外光谱进行修正的方法,以冬枣、红提、小白杏为研究对象,使用Walthall、Shibayama、Ross-li、Roujean与Rahman这5种BRDF模型反演3种果品的空间特性光谱,利用反演的空间特性光谱对户外光谱进行修正,之后分别建立暗室光谱、户外光谱与修正光谱的品质预测模型。反演结果表明:3种果品的空间特性光谱均有较好的反演效果,反演误差从低到高依次为冬枣、小白杏、红提,平均决定系数R2分别为0.957、0.947、0.927,平均误差分别为3.56%、4.90%、8.23%;5种BRDF模型中,Walthall模型的反演效果最佳,平均决定系数R2与误差分别为0.949、5.33%,Ross-li模型的反演效果最差,平均决定系数与误差分别为0.934、6.05%。户外光谱修正结果表明:户外光谱经过修正后噪声减少,光谱更为平滑,且光谱趋势与暗室光谱一致,受反演效果影响,冬枣光谱的修正效果最佳,而红提与小白杏的修正光谱中噪声较多。品质预测模型结果表明:3种果品的品质预测模型预测效果差异较大,从高到低依次为冬枣、小白杏、红提,可能与3种果品的品质不同有关;5种BRDF模型得到的修正光谱所建立的模型预测效果不同,但无显著差异;预测模型中,使用暗室光谱建立的预测模型最优,修正光谱建立的模型预测能力优于户外光谱建立的模型,表明户外光谱经过修正后模型预测能力得到提升。BRDF模型能够较好地反演果品的空间特性光谱,修正后的光谱与暗室光谱较为接近,修正光谱建立的模型优于户外光谱建立的模型,表明使用空间特性光谱对户外光谱进行修正的方法是可行的,可为提高户外无损检测的精度提供一种新的思路。

原子荧光光谱法对果园土壤中砷和汞空间分布特征的研究

利用王水消解-双道原子荧光光谱法测定了山东省苹果主产区栖霞市果园土壤中的 As和 Hg含量，验证了检测方法的检出限、准确度与精密度，分析了栖霞市果园土壤中重金属As和 Hg的空间分布特征，并对栖霞市果园土壤中As和Hg的污染状况进行评价。结果表明：栖霞市果园土壤中As的含量范围为2.79～20.93 mg ＆#183; kg -1，平均值为10.59 mg ＆#183; kg -1，而Hg的含量范围为0.01～0.79 mg ＆#183; kg -1，平均值为0.12 mg ＆#183; kg -1。As元素在土壤中变异较小，而 Hg元素在土壤中变异较大。频数分布图显示，土壤中 As元素含量基本符合正态分布，含量大多在7～15 mg ＆#183; kg -1之间，土壤中Hg元素含量不符合正态分布，含量大多在0.03～0.21 mg ＆#183; kg -1之间。土壤As和 Hg含量与土壤各养分指标之间的相关性均不显著，且土壤中As和Hg两种元素之间亦无显著的相关关系。以国家绿色食品产地环境质量标准为评价依据，栖霞市果园土壤A s含量处于无污染的清洁水平，而土壤 H g的污染指数大于1的样点占总数的4.76％，需要引起管理者的注意。

石墨炉原子吸收光谱法对果蔗地土壤镉和铅空间分布特征的研究

利用微波消解-石墨炉原子吸收光谱法测定果蔗地土壤中的镉和铅含量,验证检测方法的检出限、准确度与精密度,分析果蔗地土壤中重金属Cd和Pb的空间分布特征,并对果蔗地土壤中Cd和Pb的污染状况进行评价。结果表明：果蔗地土壤中Cd的含量范围为0.154~1.48 mg·kg-1,平均值为0.81 mg·kg-1;Pb的含量范围为11.5~51.8 mg·kg-1,平均值为30.4 mg·kg-1。Cd元素在土壤中变异系数较大,而Pb元素在土壤中变异系数较小。频数分布图显示,土壤中Cd元素含量不符合正态分布,含量大多在0.36~1.25 mg·kg-1之间,土壤中Pb元素含量基本符合正态分布,含量大多在17.0~45.0 mg·kg-1之间。以绿色食品产地环境技术条件为评价依据,土壤Pb含量处于无污染的清洁水平,而土壤Cd的污染指数大于3的样点占总数的58.3%,处于重度污染水平,需要引起管理者和生产者的注意。

洱海沉积物不同分子量溶解性有机氮空间分布及光谱特征

利用超滤技术对洱海沉积物溶解性有机氮(DON)进行分子量分级,探究了DON各组分空间分布特征,并运用紫外-可见吸收光谱和三维荧光光谱对其结构进行了表征.结果表明,洱海沉积物总DON含量ω(DON)为23.46—61.40 mg·kg-1,平均值为37.19 mg·kg-1,空间分布总体呈现南部>北部>中部的趋势;分子量大于1K Da的大分子组分ω(>1KDa)占ω(DON)的比例为79.1%—93.0%,即洱海沉积物DON是以大分子为主.沉积物DON各组分的芳香性及腐殖化程度较高,芳香环取代基中活性官能团种类较多,且南部芳香性及腐殖化程度最高,北部芳香环取代基种类最多;大分子组分DON含有类富里酸荧光物质,其来源于陆源输入和微生物降解共同作用.由此可见,洱海沉积物DON主要由大分子物质组成,其腐殖化程度较高且含类富里酸荧光物质,而此类DON对藻类的生物有效性较低,这可能是洱海沉积物氮含量较高而上覆水氮浓度较低的原因之一,即沉积物DON分子组成及其结构特征可在一定程度上作为湖泊营养水平的衡量指标.

非分辨空间目标光谱双向反射分布函数的实验室平行测量

为了克服非分辨空间目标识别研究中外场观测和计算机仿真手段的局限性,采用实验方法模拟了天基光照场景,用仪器和技术平行类比望远镜观测时光源-目标-探测器方位,并测量了某高保真卫星模型的光谱双向反射分布函数.分析了空间目标光谱散射模型、实验场旋转轴系和环境模拟设备布局.根据在轨卫星的轨道和姿态建立了外场观测几何到室内5轴旋转系统的角度映射关系.利用该关系控制旋转系统实现了对某卫星过境观测的平行模拟,并对目标混合光谱进行了测量和定标.实验结果发表明:目标光谱数据中存在"闪光"和峰值波长迁移现象;旋转系统各轴定位精度为0.5°,光谱数据相对测量误差为0.018%.该方法能实现空间目标观测的全角度平行模拟,测量结果为非分辨目标外形、材料、旋转等特性的识别提供参考.

原子荧光光谱法对果蔗地土壤中砷和汞空间分布特征的研究

利用微波消解-双道原子荧光光谱法测定果蔗地土壤中的As和Hg含量,验证检测方法的检出限、准确度与精密度,分析果蔗地土壤中重金属As和Hg的空间分布特征,并对果蔗地土壤中As和Hg的污染状况进行评价。结果表明：果蔗地土壤中As的含量范围为8.78~28.22 mg·kg-1,平均值为16.69 mg·kg-1,而Hg的含量范围为0.09~0.61 mg·kg-1,平均值为0.28 mg·kg-1。As元素在土壤中变异较小,而Hg元素在土壤中变异较大。频数分布图显示,土壤中As元素含量不符合正态分布,含量大多在9.0~24.0 mg·kg-1,土壤中Hg元素含量基本符合正态分布,含量大多在0.10~0.48 mg·kg-1。以土壤环境质量标准为评价依据,果蔗地土壤As含量处于无污染的清洁水平,而土壤Hg的污染指数大于1的样点占总数的33.3%,需要引起管理者的注意。

LED光源的光谱能量分布(SPD)对步行空间颜色识别的影响研究

在中间视觉条件下,人眼视网膜内的锥状细胞依然活跃,使得颜色识别也是人行空间照明中的重要视觉作业。本文通过步行空间照明场景的模拟实验,在4m的距离下辨认四对色卡的颜色,以获得人行道路中LED光源SPD对于颜色识别能力的影响。研究结果显示:在不同适应亮度环境分组中,色温对颜色识别的影响均具有统计学意义上的显著性,4000K色温时对颜色识别的准确率均为最高,且判断误差也最小,而2700K和6500K均次之。实验获得了色温对于识别单个颜色的影响情况。

基于大比例尺航片的树种结构空间分布分析

以凉水自然保护区2008年拍摄的198张航空像片和2009年森林资源"二类清查"为数据源,根据光束法区域网平差原理,采用全数字摄影测量工作站VirtuoZo NT系统对航空像片提取生成比例尺为1∶10 000的数字高程模型(DEM)。同时,在GIS软件的支持下获取坡度、坡向等地形因子信息并根据小班的树种结构,分析树种结构与海拔、坡度和坡向之间的空间分布格局。

LED光源的光谱能量分布对人行空间面部辨识的影响研究

本文采用场景模拟实验研究LED光源的光谱能量分布(SPD)对面部辨识的影响。在室内建立人行步道的照明场景,被试在给定4m距离条件下观察位于步道灯前方的陌生人,通过改变该陌生人面部垂直照度,获得不同SPD的LED光源下的面部辨识能力。经数据统计分析,当地面平均照度较低时,光源色温对面部辨识的影响具有统计学意义,且蓝光含量较低的LED光源对于面部辨识更有利,蓝光含量越高对面部辨识越不利。实验也获得了不同地面平均照度情况下,满足面部辨识所需的最小垂直照度和相应半柱面照度的数值。

基于光谱成像的猪肉新鲜度空间分布预测评价方法

新鲜度指标在像素位置缺乏微观参考值,因此将基于均值光谱的化学计量学模型应用到像素光谱时,无法对指标空间分布预测质量进行直接评价。提出了基于准度和精度的评价方法,以兴趣区域内各像素位置微观预测值的统计均值相对于理化检测值的决定系数和均方根误差作为准度评价指标;根据新鲜度指标的理论允许范围,以TVB-N微观预测值小于零的像素点在兴趣区域内所占比值作为精度评价指标。基于偏最小二乘回归,在可见近红外波段(550~970 nm),分别对全波段、利用连续投影算法精选的20个和6个特征波段建立新鲜度预测模型;采用5种不同带宽的光谱滤波,将滤波前后光谱所得指标空间分布预测结果进行比较。研究表明:经不同光谱预处理及化学计量学模型所得指标空间分布预测结果存在显著差异。尽管光谱均值滤波后像素光谱质量仍低于均值光谱,但指标空间分布预测准度恒等于预测模型本身;指标空间分布预测精度明显受到像素光谱质量及预测模型波段增益值的共同影响,前者占主导作用(R=0.72)。因此,本文的评价方法能够对基于光谱成像的化学计量学指标空间分布预测质量进行评价;利用线性化学计量学算法进行指标空间分布预测准度不会下降;在实践中,可以通过提高像素光谱信噪比和限制模型波段增益提高预测的精度。

LED光源的光谱能量分布(SPD)对步行空间障碍物探测的影响研究

通过室内步行空间照明场景的模拟实验,让被试观察正前方距离4m远处的观察点,并在三分之一秒内探测场景中不同偏离角度的障碍物情况,以获得LED光源SPD对于障碍物探测能力的影响。研究结果显示,在地面平均照度为5lx、10lx和20lx的亮度环境中,LED光源的SPD对障碍物探测的影响均具有统计学上的显著性,且500nm以下蓝光含量更高的6500K色温LED光源对于障碍物的探测最有利,4000K次之,2700K最不利。实验还说明光源SPD对线上视觉没有影响,而对于周边视觉有影响,且随着探测角度的变大,光源SPD的影响作用越明显。

家兔晶状体拉曼光谱空间分布研究

晶状体透明性的维持与其蛋白的结构成分极为密切,因此研究晶状体内的蛋白空间分布变化有重要意义。由实验中得到的450cm^(-1)～2000 cm^(-1)范围内健康家兔晶状体拉曼光谱,计算了家兔晶状体蛋白中三条氨基酸侧链和两条蛋白质主链拉曼谱峰沿赤道部和视轴部的光谱强度,根据实验结果讨论了这五条拉曼光谱在家兔晶状体中的空间分布特性。

电子助进化学气相沉积金刚石中发射光谱的空间分布

采用蒙特卡罗方法，对以CH4／Hz为源料气体的电子助进化学气相沉积（EACVD）金刚石中的氢原子（Hα,Hβ，Hγ）、碳原子C（2p3s→2p^2：λ=165．7nm）以及CH（A^2△→X^2Ⅱ：λ=420～440m）的发射过程进行了模拟，研究了不同CH4浓度下各发射谱线的空间分布。结果表明，不同CH4浓度下各发射谱线在反应空间的大部分区域内均随距灯丝距离的增大而增大，而当到达基片表面附近时有所减弱。随着CH4浓度的增加，H谱线强度减弱，CH与C谱线强度增强。

原子荧光光谱法研究贝壳堤岛贝壳沙中As的空间分布特征

用原子荧光光谱法测定了贝壳沙中As元素含量，研究了As在黄河三角洲贝壳堤岛贝壳沙中的空间分布规律，分析了贝壳沙中As与其他营养元素的相关性，并对影响其含量与空间分布的因素进行探讨。结果表明：贝壳沙样品中As的含量范围为0．78～8．76mg·kg，平均值为3．11mg·kg～，整体上处于清洁的水平。贝壳沙中As含量有随剖面深度增加而增大的趋势，贝壳沙粒径大小也影响贝壳沙中As的含量，贝壳沙粒径越小，As含量越高，且不同粒径贝壳沙中As含量差异显著（P≤o．05）。贝壳沙中As与全磷（to-tal phosphor，TP）和全钾（total potassium，TK）以及Cu，Zn，Mn均具有极显著的正相关关系，与全氮（total nitrogen，TN）和Fe的相关性不显著。综合分析认为，贝壳沙中As主要来自于风化后的贝壳沙对环境中As元素的吸附与固定而非贝壳形成过程中对该元素的富集作用。

干旱区绿洲农田土壤重金属含量高光谱反演

对新疆渭库绿洲土壤样本的As、Hg、Pb、Cr、Zn和Cu共6种重金属含量与高光谱关系进行分析,基于逐步回归方法筛选出特征波段,采用地理加权回归(GWR)和普通最小二乘法回归(OLS)构建土壤重金属的高光谱反演模型.结果显示:1)研究区的6种重金属元素含量存在一定的差异,土壤中的平均重金属含量依次为Zn>Pb>Cr>Cu>As>Hg,均未超过国家土壤背景值.研究区的Pb平均含量高于当地(新疆)土壤背景值,即研究区表土层中的Pb元素明显富集;2)不同的光谱变换使土壤重金属的光谱特征均得到了增强,但强度有所差异,经过二阶微分变换(SD)和一阶立方根微分变换(CRFD)的土壤光谱相对于原始光谱增强最显著;3)从模型验证来看,在反演6个土壤重金属元素含量时,GWR的R^(2)高于OLS,其中Zn的R^(2)接近0.8,Cu的R^(2)接近0.6,表明模型有一定预测能力,而As、Hg、Pb和Cr的R^(2)均依然低于0.5,模型预测能力并不理想;4)两种模型预测的6种土壤重金属含量的空间分布表现出一定的空间差异性.其中,As元素空间分布差异在这两种预测模型中最大,而其余5种重金属元素Hg、Pb、Cr、Zn和Cu的分布则较为均匀.通过高光谱反射率估算土壤重金属元素含量,实现了干旱区绿洲农田土壤重金属元素含量的高效快速反演,为干旱区绿洲农田土壤重金属元素含量动态监测提供了可靠的技术支撑.

He—Ne激光器中氖3S_2和2P各能级粒子浓度空间分布的光谱研究

在He—Ne激光器中,氖能级3S2与2Pk（k=1、2、……8,10）间的受激辐射,除632.8nm激光外,还有543.4、593.9、604.6、611.8、629.4、635.2、640.1和730.5nm等波长的激光,其中593.9nm和543.4黄、绿激光,尤有开发应用的价值。近来有报道,在上述波长之间实现了多波长激光振荡。研究He-Ne激光器中氖的上、下激光能级粒子数空间分布,特别是位于放电管中心的激光振荡区域内的各能级粒子数布居。

微波感耦稀有气体等离子体光谱激发的空间分布特性

微波感耦等离子体(MIP)独具一些其它低温等离子体所不及的优点,它装置简单,阻抗稳定,匹配容易,炬焰稳定无噪声,无电极污染,活性粒子多,效率高,因而有广泛的应用前景。然而,有关这类等离子体的各种参量的空间分布和光谱激发过程的研究,迄今仍缺乏比较详尽和满意的结果。

基于高光谱的潮间带表层沉积物粒度参数空间分布规律研究

研究发现,Hyperion高光谱影像的中心波长为1215和2133 nm的波段反射率组合与沉积物粒度参数(平均粒径、偏态和中值粒径)之间以及平均粒径和中值粒径之差与分选系数之间有显著的线性相关特征,据此构建了线性回归模型,反演并分析了江苏省射阳河口南侧潮滩沉积物粒度参数的空间分布规律。经独立样本的检验显示,粒度参数反演的总体平均相对精度和平均绝对精度分别在75.70%和72.17%以上。从粒度参数的空间分布来看,具有明显的空间变化特征,总体变化趋势为:平行于岸线走向由北向南颗粒逐渐变细,分选变差,偏态由近对称转为正偏;垂直于岸线走向从陆向海沉积物颗粒逐渐变粗,分选性变好,偏态由正偏转为近对称,但是在中潮位附近,沉积物颗粒粗细交替分布,平均粒径较大,分选性表现为大致由中潮位附近向海、向陆变差。这种变化趋势与研究区的水动力环境及沉积物物质来源吻合良好。