专利名称：作物冠层叶片的全氮含量估算方法
技术领域：
本发明涉及作物生化组分光谱无损检测技术领域，特别是涉及一种对作物冠层叶片的全氮含量进行估算的方法。
背景技术：
氮素是包括大麦在内的作物所需的主要营养元素，直接影响着作物生长发育与产量品质的形成。对作物冠层叶片的氮素含量水平进行实时、快速和准确地检测，有利于科学合理地指导氮肥施用，减少过量施氮造成的环境污染，提高作物的产量与品质，具有重要的实际意义与应用价值，本发明所述的全氮含量，具体是指作物冠层叶片单位干重中所含氮素的总量，乘以100后用百分比(％ )表示，单位为gN100/gDW。传统的作物氮素含量检测方法耗时费力成本高，并具有破坏性和滞后性。近年来， 随着高光谱技术的快速发展，应用光谱无损探测技术对包括氮素在内的作物生化组分进行无损监测估算，已成为当前研究田间作物长势及营养诊断的重要方法。目前，应用光谱技术检测作物氮素含量的主要方法有两种一是使用敏感波长的反射率组合生成的各种光谱植被指数；二是应用光谱特征变量直接与作物氮素含量建立响应模型，实现氮素含量的光谱无损估测，光谱特征变量主要包括光谱曲线反射峰或吸收谷特征，以及导数光谱特征量。这两类方法由于通常只使用少数几个特征波长，往往忽略对高光谱数据多个波段丰富信息的挖掘应用，并且在实际应用中很少考虑晴天由于局部云斑阴影暂时或偶然性遮挡产生的光谱差异，使得构建的氮素光谱估算方法模型在时间与空间应用上常表现出扩展性不强、稳定性缺乏的局限。
发明内容
(一)要解决的技术问题针对现有技术中的上述缺陷，本发明要解决的技术问题是提供一种作物冠层叶片的全氮含量估算方法，其能够挖掘应用高光谱数据多个波段的丰富信息，建立起扩展性和稳定性强的作物叶片全氮含量光谱估算模型，还可以在一定程度上消除偶然性云斑阴影的影响，提高了作物冠层叶片全氮含量估算在实际应用中的准确性和可比性。( 二 )技术方案为解决上述问题，本发明提供了一种作物冠层叶片的全氮含量估算方法，所述方法包括步骤Sl 测定作物冠层包含400nm 760nm波段范围的高光谱数据，计算作物冠层光谱反射率并得到其光谱反射率曲线；S2:利用作物冠层光谱反射率计算作物冠层相对光谱反射率并得到其相对光谱反射率曲线；S3 对作物冠层相对光谱反射率曲线中400nm 500nm与680nm 760nm两个特征波段的相对光谱反射率曲线分别进行线性拟合，计算得到两段相对光谱反射率曲线各自的斜率；S4 利用680nm 760nm与400nm 500nm两个特征波段的相对光谱反射率曲线
斜率的比值，建立作物冠层叶片全氮含量估算模型，实现作物冠层叶片全氮含量的估算。其中，所述的步骤S2中计算作物冠层的相对光谱反射率包括先对所述作物冠层光谱反射率曲线作平滑处理，然后用平滑后的作物冠层光谱反射率曲线中各个波长对应的光谱反射率除以平滑后的作物冠层光谱反射率曲线中所有波长对应的光谱反射率的均值的步骤。其中，所述的先对所述作物冠层光谱反射率曲线作平滑处理，然后用平滑后的作物冠层光谱反射率曲线中各个波长对应的光谱反射率除以平滑后的作物冠层光谱反射率曲线中所有波长对应的光谱反射率的均值，进一步包括设P i为波长为i的光谱反射率， Ri为平滑后的波长为i的光谱反射率，R' i为波长为i的相对光谱反射率，则
权利要求
1.一种作物冠层叶片的全氮含量估算方法，其特征在于，包括步骤51测定作物冠层包含400nm 760nm波段范围的高光谱数据，计算作物冠层光谱反射率并得到其光谱反射率曲线；52利用作物冠层光谱反射率计算作物冠层相对光谱反射率并得到其相对光谱反射率曲线；53对作物冠层相对光谱反射率曲线中400nm 500nm与680nm 760nm两个特征波段的相对光谱反射率曲线分别进行线性拟合，计算得到两段相对光谱反射率曲线各自的斜率；54利用680nm 760nm与400nm 500nm两个特征波段的相对光谱反射率曲线斜率的比值，建立作物冠层叶片全氮含量估算模型，实现作物冠层叶片全氮含量的估算。
2.如权利要求1所述的作物冠层叶片的全氮含量估算方法，其特征在于所述的步骤 S2中计算作物冠层的相对光谱反射率包括先对所述作物冠层光谱反射率曲线作平滑处理，然后用平滑后的作物冠层光谱反射率曲线中各个波长对应的光谱反射率除以平滑后的作物冠层光谱反射率曲线中所有波长对应的光谱反射率的均值的步骤。
3.如权利要求2所述的作物冠层叶片的全氮含量估算方法，其特征在于，所述的先对所述作物冠层光谱反射率曲线作平滑处理，然后用平滑后的作物冠层光谱反射率曲线中各个波长对应的光谱反射率除以平滑后的作物冠层光谱反射率曲线中所有波长对应的光谱反射率的均值，进一步包括设ρ i为波长为i的光谱反射率，Ri为平滑后的波长为i的光谱反射率，R' i为波长为i的相对光谱反射率，则Ri = (p i-2+ p i-1+ p i+P i+i+ P i+2) /5. ilk λR1=R1I —Σ R,。、k '=1 J
4.如权利要求1所述的作物冠层叶片的全氮含量估算方法，其特征在于，所述步骤S3 进一步包括将作物冠层的相对光谱反射率曲线中680nm 760nm与400nm 500nm两个波段对应的两段光谱曲线近似看成直线，以波长为自变量，以相对光谱反射率为因变量，进行线性拟合，将两段曲线各自拟合的线性方程的斜率分别作为这两段相对光谱反射率曲线的斜率。
5.如权利要求1所述的作物冠层叶片的全氮含量估算方法，其特征在于，所述的步骤 S4包括以680nm 760nm波段与400nm 500nm波段的相对光谱反射率曲线斜率的比值为自变量，以作物冠层叶片的全氮含量为因变量，建立作物冠层叶片的全氮含量的线性估算模型，将待测的作物冠层的相对光谱反射率曲线斜率比值输入到该估算模型，实现作物冠层叶片全氮含量的估算。
6.如权利要求5所述的作物冠层叶片的全氮含量估算方法，其特征在于，所述建立作物冠层叶片的全氮含量的线性估算模型的方法为最小二乘法。
全文摘要
本发明公开了一种作物冠层叶片的全氮含量估算方法，涉及作物生化组分光谱无损检测技术领域，所述方法包括步骤S1测定作物冠层包含400nm～760nm波段范围的高光谱数据，计算作物冠层光谱反射率并得到其光谱反射率曲线；S2利用作物冠层光谱反射率计算作物冠层相对光谱反射率并得到其相对光谱反射率曲线；S3对作物冠层相对光谱反射率曲线中400nm～500nm与680nm～760nm两个特征波段的相对光谱反射率曲线分别进行线性拟合，计算得到两段相对光谱反射率曲线的斜率；S4利用680nm～760nm与400nm～500nm两个特征波段相对光谱反射率曲线斜率的比值，建立作物冠层叶片全氮含量估算模型，实现作物冠层叶片全氮含量的估算。本发明能够建立扩展性强、稳定的作物氮素生化组分估算模型。
文档编号G01N21/25GK102313699SQ20111013802
公开日2012年1月11日 申请日期2011年5月26日 优先权日2011年5月26日
发明者宋晓宇, 徐新刚, 李存军, 杨小冬, 杨浩, 杨贵军, 王纪华, 赵春江, 顾晓鹤, 黄文江 申请人:北京农业信息技术研究中心