劉昌華，方 征，陳志超，周 蘭，岳學(xué)智，王 哲，王春陽，Yuxin Miao

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ASD Field Spec3野外便攜式高光譜儀診斷冬小麥氮營養(yǎng)

劉昌華1，方 征1，陳志超1※，周 蘭2，岳學(xué)智1，王 哲1，王春陽1，Yuxin Miao3

（1. 河南理工大學(xué)測繪與國土信息工程學(xué)院，焦作 454000；2. 中國農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，北京 100193; 3. Department of Soil, Water, and Climate, University of Minnesota , St. Paul, MN, 55108, USA）

氮素營養(yǎng)診斷關(guān)鍵在于氮營養(yǎng)指數(shù)（nitrogen nutrient index，NNI）預(yù)測。對于冬小麥氮營養(yǎng)指數(shù)預(yù)測模型而言，如何選取預(yù)處理方法和建模方法不一而足，不同預(yù)處理和模型選取對預(yù)測結(jié)果精度的影響程度目前還不清楚。該研究以ASD Field Spec3野外便攜式高光譜儀采集樂陵市冬小麥冠層高光譜數(shù)據(jù)，采用10種光譜預(yù)處理方法并結(jié)合3種模型（偏最小二乘回歸、BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和隨機(jī)森林算法）建立多種冬小麥氮營養(yǎng)指數(shù)高光譜預(yù)測模型。對比模型預(yù)測精度表明最佳的高光譜建模方法為隨機(jī)森林算法結(jié)合SG卷積平滑預(yù)處理所建模型（預(yù)測集2=0.795，RMSE=0.125，RE=11.7%）精度高、可靠性強(qiáng)，是篩選出最佳的冬小麥氮營養(yǎng)指數(shù)高光譜預(yù)測模型。該研究結(jié)果對冬小麥氮營養(yǎng)指數(shù)高光譜預(yù)測建模具有科學(xué)價值，為篩選最優(yōu)高光譜預(yù)處理方法和預(yù)測模型提供技術(shù)參考。

光譜分析；氮；診斷；冬小麥；模型；氮營養(yǎng)指數(shù)

0 引 言

對作物快速而準(zhǔn)確的氮素營養(yǎng)診斷可以為精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)管理提供技術(shù)支持，對實現(xiàn)作物高產(chǎn)與氮肥的高效利用有重要意義[1]。冬小麥傳統(tǒng)的氮素營養(yǎng)診斷的方法主要有外觀診斷、化學(xué)診斷和葉綠素計法等[2-4]，然而這些方法破壞小麥植株取樣工作量大，室內(nèi)分析化驗操作復(fù)雜，時效性差[5]。因此遙感作為快速、準(zhǔn)確、實時的無損氮營養(yǎng)診斷手段得到了學(xué)者們的廣泛應(yīng)用與研究。

已有研究表明高光譜采集的光譜數(shù)據(jù)除樣品自身的光譜信息外還會包含樣品背景、雜散光和電磁噪音等因素的影響[6-7]，消除噪音等影響可以有效提高模型的預(yù)測能力[8]。目前已有學(xué)者基于高光譜成像儀對油菜[9-10]、生菜[11]、柑橘[12]和玉米[13]等不同作物進(jìn)行研究，通過分析比較Savitzky-Golay（SG）卷積平滑濾波、基線校正、多元散射校正、標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)變換、一階導(dǎo)數(shù)和正交信號校正等預(yù)處理方法使作物葉片氮素含量估測模型預(yù)測性能得到明顯提升，然而不同作物對于最佳的預(yù)處理也不盡相同。喬星星等[14]對冬小麥冠層高光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行SG平滑的預(yù)處理建立偏最小二乘模型（partial least squares regression，PLSR）模型估測冬小麥生物量，通過對6種不同平滑點數(shù)的比較得出9點平滑處理為估測生物量的最佳平滑點數(shù)，但是真正提高光譜監(jiān)測模型的預(yù)測精度還需在此基礎(chǔ)上，再結(jié)合其他預(yù)處理方法和化學(xué)計量學(xué)模型的優(yōu)化方法。Li等[15]通過標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)變換（standard normal variate transformation，SNV）技術(shù)對不同地區(qū)的冬小麥高光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行光散射校正結(jié)合SG平滑建立預(yù)測氮含量的PLSR模型，建模精度2都達(dá)到0.8以上。姚霞等、湯守鵬等[16-17]通過多元散射校正(multiple scatter correction，MSC）、SG和導(dǎo)數(shù)等預(yù)處理基礎(chǔ)上建立PLSR模型和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型估測冬小麥氮含量，比較不同預(yù)處理和不同模型的結(jié)果表明MSC+SG二階導(dǎo)的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建模精度與預(yù)測精度都達(dá)到最佳。

對于冬小麥氮營養(yǎng)指數(shù)預(yù)測模型而言，如何選取預(yù)處理方法和建模方法不一而足，不同預(yù)處理和模型選取對預(yù)測結(jié)果精度的影響程度目前還不清楚。以往對冬小麥氮含量預(yù)測模型的研究都使用一種或少數(shù)幾種的預(yù)處理比較分析。為了更為系統(tǒng)地比較不同預(yù)處理方法對冬小麥氮營養(yǎng)指數(shù)預(yù)測模型精度的影響程度，本研究選用10種預(yù)處理方法結(jié)合偏最小二乘、BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和隨機(jī)森林算法3種建模方法建立冬小麥氮素營養(yǎng)指數(shù)的高光譜預(yù)測模型，對比篩選出預(yù)測氮營養(yǎng)指數(shù)的最佳的預(yù)處理方法和模型，為基于高光譜的氮營養(yǎng)指數(shù)快速預(yù)測提供技術(shù)參考。

1 材料與方法

1.1 試驗設(shè)計

試驗于2016—2017年在山東省樂陵市南夏家村農(nóng)業(yè)局基地進(jìn)行（37°41￠58.592N，117°08￠41.652E）。試驗小區(qū)設(shè)置2個品種供試作物分別為濟(jì)麥22、魯原502，試驗共有6個氮梯度處理，施氮量分別為不施氮肥（N1），120（N2），180（N3），240（N4），300（N5），280 kg/hm2（N6），其中N6為農(nóng)民施肥模式。每個處理3次重復(fù)，共6′3′2個小區(qū)，小區(qū)面積7 m′10 m，采用區(qū)組隨機(jī)排列，取樣與采集光譜數(shù)據(jù)日期為2016年4月1日（返青期）、2016年4月17日（拔節(jié)期）、2016年4月28日（孕穗期）、2016年5月7日（揚(yáng)花期）、2017年3月27日（返青期）、2017年4月15日（拔節(jié)期）、2017年4月22日（孕穗期）、2017年5月9日（揚(yáng)花期）。

1.2 數(shù)據(jù)獲取

1.2.1 農(nóng)學(xué)參數(shù)獲取

每個試驗小區(qū)選擇具有代表性的1 m 雙行冬小麥植株，清理泥土后置于烘箱中以105 ℃殺青30 min，再以75 ℃恒溫烘干至質(zhì)量恒定，測定植株生物量（干質(zhì)量）。將冬小麥植株烘干后的植株樣本研磨粉碎后，用凱氏定氮儀測定植株氮濃度。

臨界氮濃度（）是根據(jù)氮濃度稀釋模型計算出小麥獲得地上部最大生物量所需的最低氮濃度值，華北平原冬小麥的臨界氮濃度根據(jù)Yue等[18]提出的公式進(jìn)行計算，計算公式如下：

N=4.15–0.38（1）

式中為地上部生物量，Mg/hm2，當(dāng)?shù)厣喜可锪吭?1~10 Mg DM/ha時，可用式（1）計算，當(dāng)?shù)厣喜可锪啃∮?Mg DM/ha時，則臨界氮濃度為定值即=4.15% DM。

氮營養(yǎng)指數(shù)[19]（nitrogen nutrient index，NNI）可以定性定量診斷作物氮營養(yǎng)的充足、過剩以及不足的程度，表1為冬小麥建模樣本的氮營養(yǎng)指數(shù)（NNI）的基本情況。

式中NNI是氮營養(yǎng)指數(shù)，是植株實際氮濃度。

若NNI﹤1時，表示植株氮肥使用量不足，缺少氮素；NNI=1時，表示植株氮肥使用量適宜；NNI>1，表示植株氮肥使用量過剩，對氮過量吸收。

表1 冬小麥樣本集氮營養(yǎng)指數(shù)統(tǒng)計

1.2.2 光譜數(shù)據(jù)獲取

高光譜測定采用美國ASD（Analytical Spectral Devices）公司的ASD Field Spec3 野外便攜式高光譜儀，其波長范圍在350～2 500 nm，采樣間隔為1.4 nm (350～1 000 nm) 和2 nm (1 000～2 500 nm) ，重采樣間隔為1 nm，視場角為25°。冠層光譜測量時選擇在晴朗無風(fēng)的天氣，每次測量時間為10:00—14:00。每次采集光譜前先以白板定標(biāo)，儀器探頭垂直向下，儀器在冠層上方80 cm 處，對每個試驗小區(qū)選定具有代表性的植株冠層，采集10次光譜值，剔除異常值后平均光譜，作為該試驗小區(qū)的最終光譜，每個關(guān)鍵生育時期采集36小區(qū)的冠層光譜值，如圖1所示。

圖1 總樣本集的光譜反射率

1.3 光譜參數(shù)定義

根據(jù)上述小區(qū)測得高光譜原始光譜反射率，本文采用冬小麥冠層高光譜常見的19個高光譜特征參數(shù)[20]（表2），其特征參數(shù)是從原始光譜和一階微分中選取綠峰、紅谷和“三邊”（紅邊，黃邊，藍(lán)邊）的光譜位置和反射率作為高光譜位置變量；選取“三邊”一階微分波段值得總和作為高光譜面積變量；使用綠峰、紅谷、“三邊”反射率以及“三邊”面積變量的比值和歸一化運(yùn)算作為高光譜植被指數(shù)變量，本文建模的自變量為19個高光譜特征參數(shù)。

1.4 光譜數(shù)據(jù)預(yù)處理

本文選用的高光譜特征參數(shù)為建模的自變量，高光譜特征參數(shù)只用到350～800 nm的波段，因此去掉800 nm以后的波段。為了更好的系統(tǒng)比較不同的預(yù)處理方法對反演模型預(yù)測精度的影響，本文對原始光譜數(shù)據(jù)采用Savitzky-Golay 卷積平滑濾波、基線校正、多元散射校正、標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)變換等常用的算法進(jìn)行預(yù)處理，預(yù)處理方法如表3所示。Savitzky-Golay平滑可以提高信噪比，過濾噪聲[21]；基線校正可以消減儀器背景或基線波動對光譜的影響[22]；多元散射校正對光譜散射的影響可以有效消減[23]；標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)變換可以減弱表面散射以及光程變化對漫反射光譜的影響[24]，預(yù)處理后的光譜曲線如圖2所示。

表2 高光譜參數(shù)的定義

表3 光譜數(shù)據(jù)預(yù)處理方法

1.5 模型構(gòu)建

本文選用偏最小二乘回歸模型、反向傳播神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)回歸模型以及隨機(jī)森林算法3種方法進(jìn)行建模，其中構(gòu)建模型的自變量為19個高光譜特征參數(shù)，因變量為氮營養(yǎng)指數(shù)，依據(jù)檢驗?zāi)Ｐ偷臎Q定系數(shù)2、相對誤差值（relative error，RE）以及均方根誤差值（root mean square error，RMSE）來檢驗?zāi)Ｐ偷木扰c可靠性，篩選最佳模型。

圖2 預(yù)處理后的光譜反射率

1.5.1 偏最小二乘模型

偏最小二乘模型（partial least squares regression，PLSR）是一種集主成分分析，多元線性回歸分析和最小二乘回歸方法于一體的建模方法，在建模過程中利用主成分分析來判斷加入建模的自變量能否顯著提高預(yù)測能力，因此該方法能夠?qū)Χ鄠€高光譜特征之間的多重自相關(guān)性進(jìn)行解釋并利用所有的有效數(shù)據(jù)構(gòu)建回歸模型[25]，故在作物高光譜應(yīng)用領(lǐng)域受到較大關(guān)注。PLSR模型在Unscrambler 9.7（CAMO ASA，Trondheim，Norway）軟件中構(gòu)建，采用內(nèi)部交互驗證均方根誤差（RMSE）及決定系數(shù)（2）來優(yōu)化建模參數(shù)。

1.5.2 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

反向傳播神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（back-propagation artificial neural network，BPANN）是目前應(yīng)用最為廣泛的學(xué)習(xí)算法，通過正向傳播與反向傳播的2個循環(huán)過程不斷把誤差分?jǐn)偨o各層單元進(jìn)行權(quán)值修正，直到網(wǎng)絡(luò)輸出誤差減少到可接受的程度，從而實現(xiàn)變量的回歸。BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)具有高度自學(xué)習(xí)和自適應(yīng)的能力，適合于求解內(nèi)部機(jī)制復(fù)雜的問題，是解決非線性問題的有效方法[26]。BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在MATLAB R2014b軟件中構(gòu)建，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)采用常用的3層結(jié)構(gòu)，輸入層到隱含層激勵函數(shù)為tansig型函數(shù)，隱含層到輸出層激勵函數(shù)為purelin函數(shù)，學(xué)習(xí)函數(shù)為梯度下降動量權(quán)重函數(shù)，訓(xùn)練函數(shù)Levenberg-Marquardt算法，隱含層節(jié)點數(shù)10，迭代次數(shù)100次，最大確認(rèn)失敗次數(shù)15，學(xué)習(xí)率0.01，學(xué)習(xí)目標(biāo)為0.000 1。

1.5.3 隨機(jī)森林算法

隨機(jī)森林（Random forest，RF）算法是通過多個決策樹組成的一個隨機(jī)建立的森林，是采用bootstrap重抽樣法從訓(xùn)練集中抽取個樣本構(gòu)建個回歸樹，在回歸樹的每個節(jié)點從個（小于自變量個數(shù)）隨機(jī)抽取的自變量中選擇分割點對變量空間進(jìn)行遞歸二叉分割，未抽到成為袋外樣本，使誤差的計算能夠處理袋外樣本數(shù)據(jù)，將這些樹的平均數(shù)作為因變量預(yù)測的結(jié)果。RF算法不僅訓(xùn)練和預(yù)測速度快[27]，還對多元共線性不敏感，對異常值和噪聲具有較好的容忍度[28-29]。RF算法在MATLAB R2014b軟件中構(gòu)建，隨機(jī)森林算法中的分類樹的個數(shù)為2000，分割變量為2。

2 結(jié)果與分析

2.1 偏最小二乘回歸

采用PLSR結(jié)合不同預(yù)處理建立氮素營養(yǎng)指數(shù)估測模型的建模精度與預(yù)測精度如表4所示，建模集模型決定系數(shù)2平均系數(shù)為0.683，最大決定系數(shù)為0.789，均方根誤差RMSE最小值為0.142，相對中誤差RE最小值為12.3%；預(yù)測集模型決定系數(shù)2平均系數(shù)為0.588，最大決定系數(shù)為0.717，均方根誤差RMSE最小值為0.15，相對中誤差RE最小值為12.8%。

比較得知，使用偏最小二乘法構(gòu)建模型時使用SG, SNV, SG+SNV和SG+BC的預(yù)處理方法效果較好，其中效果最優(yōu)的預(yù)處理為SG平滑。圖3為PLSR模型結(jié)合最佳預(yù)處理建立的氮素營養(yǎng)指數(shù)高光譜模型精度結(jié)果。

表4 偏最小二乘回歸氮營養(yǎng)指數(shù)（NNI）預(yù)測模型統(tǒng)計結(jié)果

圖3 SG-PLSR模型預(yù)測氮素營養(yǎng)指數(shù)與實際指數(shù)驗證結(jié)果

2.2 誤差反向傳播神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法結(jié)合不同預(yù)處理建立氮素營養(yǎng)指數(shù)估測模型的建模精度與預(yù)測精度如表5所示，建模集模型決定系數(shù)2平均系數(shù)為0.834，最大決定系數(shù)為0.861，均方根誤差RMSE最小值為0.115，相對中誤差RE最小值為9.8%；預(yù)測集模型決定系數(shù)2平均系數(shù)為0.714，最大決定系數(shù)為0.780，均方根誤差RMSE最小值為0.133，相對中誤差RE最小值為12.3%。

從表5的建模精度結(jié)果可以得知BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建的回歸模型相比PLSR模型的建模精度顯著提高，通過BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)合10種預(yù)處理的建模模型決定系數(shù)都為0.8以上，平均決定系數(shù)更是從PLSR模型的0.683提升到0.834。其中結(jié)合SG、SG+MSC、SG+SNV和SNV+D的預(yù)處理建模模型精度都達(dá)到0.85以上，預(yù)測效果除BC、MSC和SNV外決定系數(shù)都達(dá)到0.7以上。結(jié)合SG預(yù)處理的建模效果最好。圖4為BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型結(jié)合最佳預(yù)處理建立的氮素營養(yǎng)指數(shù)高光譜模型精度結(jié)果。

表5 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)氮營養(yǎng)指數(shù)（NNI）預(yù)測模型統(tǒng)計結(jié)果

圖4 SG-BP模型預(yù)測氮素營養(yǎng)指數(shù)與實際指數(shù)驗證結(jié)果

2.3 隨機(jī)森林回歸

使用RF算法結(jié)合不同預(yù)處理建立氮素營養(yǎng)指數(shù)估測模型的建模精度與預(yù)測精度如表6所示，建模集模型決定系數(shù)2平均系數(shù)為0.945，最大決定系數(shù)為0.959，均方根誤差RMSE最小值為0.061，相對中誤差RE最小值為5.3%；預(yù)測集模型決定系數(shù)2平均系數(shù)為0.742，最大決定系數(shù)為0.795，均方根誤差RMSE最小值為0.125，相對中誤差RE最小值為11.7%。

表6 隨機(jī)森林氮營養(yǎng)指數(shù)（NNI）預(yù)測模型統(tǒng)計結(jié)果

從表6的建模精度結(jié)果可以得知RF構(gòu)建的回歸模型相比PLSR模型和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的建模精度皆有明顯提高，通過RF結(jié)合不同的預(yù)處理的建模模型決定系數(shù)都達(dá)到0.9以上，預(yù)測模型精度2都達(dá)到0.7以上，綜合各預(yù)處理精度，RF算法預(yù)測集平均2為0.742，RMSE為0.143，RE為13.1%，比偏最小二乘模型與BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的平均決定系數(shù)2有所提高，均方根誤差RMSE降低，相對誤差RE依次降低了3.4與0.9個百分點。其中結(jié)合SG預(yù)處理的建模效果最好。圖5為RF算法模型結(jié)合最佳預(yù)處理建立的氮素營養(yǎng)指數(shù)高光譜模型精度結(jié)果。通過3種模型建模比較，SG卷積平滑比其他9種預(yù)處理的預(yù)測集模型平均2提高范圍為0.054~0.121，RMSE平均降低范圍為0.016~0.032，RE平均降低范圍為1.7~3.1個百分點。

圖5 SG-RF模型預(yù)測氮素營養(yǎng)指數(shù)與實際指數(shù)驗證結(jié)果

3 討 論

國內(nèi)外學(xué)者對基于遙感的氮素營養(yǎng)診斷研究多采用氮濃度、吸氮量、葉面積指數(shù)以及生物量等指標(biāo)為依據(jù)指導(dǎo)施肥，然而這些農(nóng)學(xué)參數(shù)會由于冠層結(jié)構(gòu)、種植密度、田間氣候等因素的影響會對氮素營養(yǎng)狀況的診斷產(chǎn)生偏差[30]，采用基于氮濃度曲線提出的氮營養(yǎng)指數(shù)（NNI）可以對冬小麥的氮素是否充足、過剩以及不足的狀態(tài)給以準(zhǔn)確的診斷，因此快速估測NNI不僅可以實時的對冬小麥氮營養(yǎng)狀況進(jìn)行診斷評價，還可以對冬小麥的氮肥施用量進(jìn)行合理調(diào)控，這無疑是對精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的技術(shù)發(fā)展提供重要的技術(shù)支持。

冬小麥高光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理是過濾噪聲、提高信噪比和提升建模精度的關(guān)鍵手段，然而不同預(yù)處理方法的建模精度有所差異。對比本文使用的10種預(yù)處理方法結(jié)合PLSR、BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和RF算法3種建模方法得到的預(yù)測結(jié)果精度可知，SG卷積平滑預(yù)處理得到的預(yù)測結(jié)果精度皆優(yōu)于其他9種預(yù)處理方法，這是由于SNV、MSC的預(yù)處理主要功能是消除表面微小顆粒的多元散射造成的影響，由于冬小麥冠層葉片表面較為平滑，采集過程中儀器信號不穩(wěn)定和背景干擾造成的譜線漂移和噪聲對建模精度影響更為突出，而本次建模采用的是高光譜特征參數(shù)作為自變量，其中“三邊”參數(shù)的導(dǎo)數(shù)運(yùn)算就有消除譜線漂移誤差功能，同時結(jié)合SG卷積濾波平滑消除光譜上的細(xì)小噪聲，提高光譜的整體信噪比還可以最大程度的保留光譜有效信息。對于單一預(yù)處理而言，結(jié)合SG卷積平滑后再進(jìn)行其他預(yù)處理變換，也可提升其單一預(yù)處理時的模型預(yù)測精度，這與郭斗斗等得出的結(jié)論一致[31]。在本研究中SG卷積濾波平滑建立的反演冬小麥氮素營養(yǎng)指數(shù)模型的建模精度與預(yù)測精度都達(dá)到最佳效果。因此在采集冬小麥冠層高光譜的實際工作中，SG卷積平滑可以有效地解決采集過程中背景噪聲的影響。

3種建模方法中RF算法建立的冬小麥氮素營養(yǎng)指數(shù)模型效果達(dá)到最佳。采用機(jī)器學(xué)習(xí)建模方法明顯優(yōu)于線性回歸建模方法的預(yù)測精度。這是由于PLSR的多元線性回歸模型雖然解決了數(shù)據(jù)變量多和變量之間的重相關(guān)性等問題，但也會損失部分有效信息，而且在建模過程和實際應(yīng)用中存在許多非線性問題，而線性回歸模型解決非線性問題時表現(xiàn)能力較弱。機(jī)器學(xué)習(xí)算法的建模方法可以通過內(nèi)核函數(shù)和自學(xué)習(xí)能力有效解決連續(xù)的非線性問題。通過不同預(yù)處理的2種機(jī)器學(xué)習(xí)算法比較，RF算法的模型精度都略優(yōu)于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的模型精度，這是由于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在引入樣本訓(xùn)練學(xué)習(xí)時容易學(xué)習(xí)過多的樣本細(xì)節(jié)，這導(dǎo)致訓(xùn)練出來的模型不能最好地映射出數(shù)據(jù)本身的特定規(guī)律，而RF算法引入2大隨機(jī)變量的策略，可以對噪聲和異常值都有較強(qiáng)的容忍度，同時有研究表明，當(dāng)應(yīng)對大數(shù)據(jù)量時RF算法比BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練與預(yù)測速度快、效率高[27]，在診斷大面積多樣本的冬小麥氮營養(yǎng)狀況時有更為明顯的優(yōu)勢，因此RF算法在實際應(yīng)用中可以更好的為未來精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)提供實時高效的技術(shù)服務(wù)。

4 結(jié) 論

本研究以華北平原樂陵市南夏家村為研究區(qū)域，使用高光譜技術(shù)建立冬小麥氮素營養(yǎng)指數(shù)的預(yù)測模型時，通過綜合對比10種光譜預(yù)處理方法和3種建模方法發(fā)現(xiàn)，選取不同預(yù)處理和建模方法對建模的精度有較大影響，得出如下結(jié)論：

1）本研究中最佳的高光譜建模方法為RF算法。通過RF算法獲得的預(yù)測集模型比偏最小二乘模型與BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的平均決定系數(shù)和均方根誤差均低，，相對誤差RE依次降低了3.4與0.9個百分點。因此可以看出10種預(yù)處理方法結(jié)合RF模型都獲得的較高的預(yù)測精度，是一種反演氮營養(yǎng)指數(shù)較穩(wěn)健的建模方法。

2）對光譜進(jìn)行預(yù)處理可以很好地提升建模精度，本次試驗最佳的光譜預(yù)處理方法為SG卷積平滑。通過3種模型建模比較，SG卷積平滑比其他9種預(yù)處理的預(yù)測集模型平均2提高范圍為0.054~0.121，RMSE平均降低范圍為0.016~0.032，RE平均降低范圍為1.7~3.1個百分點。

3）對單一預(yù)處理而言，結(jié)合SG卷積平滑后再進(jìn)行其他預(yù)處理變換，也可提升其單一預(yù)處理時的模型預(yù)測 精度。

[1] 趙春江，薛緒掌，王秀，等. 精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)技術(shù)體系的研究進(jìn)展與展望[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2003，19(4)：7－12.

Zhao Chunjiang, Xue Xuzhang, Wang Xiu, et al. Advance and prospects of precision agriculture technology system[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2003, 19(4): 7－12. (in Chinese with English abstract)

[2] Roth G W, Fox R H, Marshall H G. Plant tissue tests for predicting nitrogen fertilizer requirements of winter wheat[J]. Agron, 1989(81): 502－507.

[3] Follett R H, Follett R F, Halvorson A D. Use of a chlorophyll meter to evaluate the nitrogen status of dryland winter wheat[J]. Communications in Soil Science and Plant Analysis, 1992, 23(7/8): 687－697.

[4] 張樹蘭，同延安，趙護(hù)兵，等. 冬小麥-夏玉米輪作氮肥施量與氮營養(yǎng)診斷[J]. 西北農(nóng)業(yè)學(xué)報，2000(2)：104－107.

[5] 孫欽平，李吉進(jìn)，鄒國元，等. 應(yīng)用數(shù)字圖像技術(shù)對有機(jī)肥施用后玉米氮營養(yǎng)診斷研究[J]. 光譜學(xué)與光譜分析，2010，30(9)：2447－2450.

Sun Qinping, Li Jijin, Zou Guoyuan, et al. Nitrogen status diagnosis by using digital photography analysis for organic fertilized maize[J]. Spectroscopy and Spectral Analysis, 2010，30(9)：2447－2450. (in Chinese with English abstract)

[6] 毛博慧，李民贊，孫紅，等. 冬小麥苗期葉綠素含量檢測光譜學(xué)參數(shù)尋優(yōu)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2017，33(增刊1)： 164－169.

Mao Bohui, Li Minzan, Sun Hong, et al. Optimization of spectroscopy parameters and prediction of chlorophyll content at seeding stage of winter wheat[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(Supp.1): 164－169. (in Chinese with English abstract)

[7] 程萌，張俊逸，李民贊，等. 用于微小型光譜儀的冬小麥抽穗期葉綠素含量診斷模型[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2017，33(增刊1)：157－163.

Cheng Meng, Zhang Junyi, Li Minzan, et al. Chlorophyll content diagnosis model of winter wheat at heading stage applied in miniature spectrometer[J]. Transactions of the Chinese Societ of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(Supp.1): 157－163. (in Chinese with English abstract)

[8] 褚小立，袁洪福，陸婉珍. 近紅外分析中光譜預(yù)處理及波長選擇方法進(jìn)展與應(yīng)用[J]. 化學(xué)進(jìn)展，2004，16(4)： 528－542.

[9] 張筱蕾，劉飛，聶鵬程，等. 高光譜成像技術(shù)的油菜葉片氮含量及分布快速檢測[J]. 光譜學(xué)與光譜分析，2014，34(9)：2513－2518.

Zhang Xiaolei, Liu Fei, Nei Pengcheng, et al. Rapid detection of nitrogen contect and distribution in oilseed rape leaves based on hyperspectral imaging[J]. Spectroscopy and Spectral Analysis, 2014, 34(9): 2513－2518.(in Chinese with English abstract)

[10] 黃敏. 基于光譜及數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)的油菜養(yǎng)分及品質(zhì)信息的無損檢測研究[D]. 杭州：浙江大學(xué)，2009.

Huang Min. Non-destructive Detection of Rapeseed Growth and Quality Information Based on Spectral And Data Mining Technology[D].Hangzhou: Zhejiang University, 2009.(in Chinese with English abstract)

[11] 孫俊，金夏明，毛罕平，等. 基于高光譜圖像的生菜葉片氮素含量預(yù)測模型研究[J]. 分析化學(xué)，2014(5)：672－677.

Sun Jun, Jin Xiaming, Mao Hanping, et al. A model for predicting nitrogen of lettuce leaves based on hyperspectral imaging[J]. Chinese Journal of Analytical Chemistry, 2014(5): 672－677. (in Chinese with English abstract)

[12] 李金夢. 基于高光譜成像技術(shù)的柑橘葉片含氮量快速檢測方法研究[D]. 杭州：浙江大學(xué)，2014.

Li Jinmeng. Rapid Detection of Nitrogen Content in Citrus Leaves Based on Hyperspectral Imaging Technology[D]. Hangzhou: Zhejiang University, 2014. (in Chinese with English abstract)

[13] 王麗鳳，張長利，趙越，等. 高光譜成像技術(shù)的玉米葉片氮含量檢測模型[J]. 農(nóng)機(jī)化研究，2017(11)：140－147.

[14] 喬星星，馮美臣，楊武德，等. SG平滑處理對冬小麥地上干生物量光譜監(jiān)測的影響[J]. 山西農(nóng)業(yè)科學(xué)，2016(10)：1450－1454.

[15] Li F, Mistele B, Hu Y, et al. Reflectance estimation of canopy nitrogen content in winter wheat using optimised hyperspectral spectral indices and partial least squares regression[J]. European Journal of Agronomy, 2014, 52(Part B): 198－209.

[16] 姚霞，湯守鵬，曹衛(wèi)星，等. 應(yīng)用近紅外光譜估測小麥葉片氮含量[J]. 植物生態(tài)學(xué)報，2011(8)：844－852.

Yao Xia, Tang Shoupeng, Cao Weixing, et al. Estimating the nitrogen content in wheat leaves by near-infrared reflectance spectroscopy[J]. Chinese Journal of Plant Ecology, 2011(8): 844－852. (in Chinese with English abstract)

[17] 湯守鵬. 基于近紅外光譜技術(shù)的小麥葉片氮素營養(yǎng)及籽粒蛋白質(zhì)含量監(jiān)測研究[D]. 南京：南京農(nóng)業(yè)大學(xué)，2009.

Tang Shoupeng. Monitoring Leaf Nitrogen Status and Grain Protein Content in Wheat using Near Infrared Spectroscopy[D]. Nanjing: Nanjing Agricultural University, 2009. (in Chinese with English abstract)

[18] Yue S, Meng Q, Zhao R, et al. Critical nitrogen dilution curve for optimizing nitrogen management of winter wheat production in the North China Plain[J]. Agronomy Journal, 2012, 104(2): 523－529.

[19] Lemaire G, Jeuffroy M, Gastal F. Diagnosis tool for plant and crop N status in vegetative stage[J]. European Journal of Agronomy, 2008, 28(4): 614－624.

[20] 王秀珍，黃敬峰，李云梅，等. 水稻生物化學(xué)參數(shù)與高光譜遙感特征參數(shù)的相關(guān)分析[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2003，19(2)：144－148.

Wang Xiuzhen, Huang Jingfeng, Li Yunhai, et al. Correlation between chemical contents of leaves and characteristic variables of hyperspectra on rice field[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2003, 19(2): 144－148. (in Chinese with English abstract)

[21] 王雪，吉海彥. 基于便攜式光譜儀和反射、透射光譜技術(shù)的小麥葉片葉綠素定量分析研究[J]. 中國農(nóng)學(xué)通報，2011，27(21)：39－43.

Wang Xue, Ji Haiyan.Quantitative analysis of chlorophyll in wheat leaf based on reflection spectroscopy and transmission spectroscopy using portable spectrometer[J]. Chinese Agricultural Science Bulletin, 2011, 27(21): 39－43. (in Chinese with English abstract)

[22] 潘冉冉，駱一凡，王昌，等. 高光譜成像的油菜和雜草分類方法[J]. 光譜學(xué)與光譜分析，2017，37(11)：3567－3572.

Pan Ranran, Luo Yifan, Wang Chang, et al. Classifcations oilseed rape and weeds based on hyperspectral imaging[J]. Spectroscopy and Spectral Analysis, 2017, 37(11): 3567－3572. (in Chinese with English abstract)

[23] Zhang J, Han W, Huang L, et al. Leaf Chlorophyll content estimation of winter wheat based on visible and near-infrared sensors[J]. Sensors, 2016, 16(4): 1－11.

[24] 于雷，洪永勝，勇周，等. 高光譜估算土壤有機(jī)質(zhì)含量的波長變量篩選方法[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2016，32(13)：95－102.

Yu Lei, Hong Yongsheng, Zhou Yong, et al. Wavelength variable selection methods forestimation of soil organic matter content using hyperspectral technique [J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2016, 32(13): 95－102. (in Chinese with English abstract)

[25] 王圓圓，李貴才，張立軍，等. 利用偏最小二乘回歸從冬小麥冠層光譜提取葉片含水量[J]. 光譜學(xué)與光譜分析，2010，30(4)：1070－1074.

Wang Yuanyuan, Li Guicai, Zhang Lijun, et al. Retrieval of leaf water content of winter wheat from canopy hyperspectral data using partial least square regression [J]. Spectroscopy and Spectral Analysis, 2010, 30(4): 1070－1074. (in Chinese with English abstract)

[26] 崔日鮮，劉亞東，付金東. 基于機(jī)器學(xué)習(xí)和可見光光譜的冬小麥葉片氮積累量估算[J]. 光譜學(xué)與光譜分析，2016，36(6)：1837－1842.

Cui Rixian, Liu Yadong, Fu Jindong. Estimation of winter wheat leaf nitrogen accumulation using machine learning algorithm and visible spectral[J]. Spectroscopy and Spectral Analysis, 2016, 36(6): 1837－1842. (in Chinese with English abstract)

[27] Grimm R, Behrens T, M?rker M, et al. Soil organic carbon concentrations and stocks on Barro Colorado Island-Digital soil mapping using random forests analysis[J]. Geoderma, 2008, 146(1): 102－113.

[28] 岳繼博，楊貴軍，馮海寬. 基于隨機(jī)森林算法的冬小麥生物量遙感估算模型對比[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2016，32(18)：175－182.

Yue Jibo, Yang Guijun, Feng Haikuan. Comparative of remote sensing estimation models of winter wheat biomass based on random forest algorithm[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2016, 32(18): 175－182. (in Chinese with English abstract)

[29] 王麗愛，馬昌，周旭東，等. 基于隨機(jī)森林回歸算法的小麥葉片SPAD值遙感估算[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報，2015，46(1)：259－265.

Wang Liai, Ma Chang, Zhou Xudong, et al. Estimation of wheat leaf SPAD value using RF algorithmic modeland remote sensing data[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2015, 46(1): 259－265. (in Chinese with English abstract)

[30] 陳鵬飛，孫九林，王紀(jì)華，等. 基于遙感的作物氮素營養(yǎng)診斷技術(shù)_現(xiàn)狀與趨勢[J]. 中國科學(xué)：信息科學(xué)，2010，40(增刊)：21－37.

[31] 郭斗斗，黃紹敏，張水清，等. 多種潮土有機(jī)質(zhì)高光譜預(yù)測模型的對比分析[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2014(21)：192－200.

Guo Doudou, Huang Shaomin, Zhang Shuiqing, et al. Comparative analysis of various hyperspectral prediction models of fluvo-aquic soil organic matter[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2014, 30(21): 192－200. (in Chinese with English abstract)

Nitrogen nutrition diagnosis of winter wheat based on ASD Field Spec3

Liu Changhua1, Fang Zheng1, Chen Zhichao1※, Zhou Lan2, Yue Xuezhi1, Wang Zhe1, Wang Chunyang1, Yuxin Miao3

(1.454000; 2100193; 3.55108,)

For crop’s prediction model of nitrogen nutrition index (NNI), how to select the pretreatment and modeling method is unclear as well as different pretreatments and their influence degrees on prediction accuracy. So it is of great significance to take more systematic related research for building crop nitrogen nutrition diagnosis rapidly and accurately, which can provide important technical support for precision agriculture management, and realize high yield with high efficiency of nitrogen utilization. Taking Nanxia Village, Laoling City in North China Plain as the research area, based on ASD Field Spec3, the prediction model of winter-wheat nitrogen nutrition index was established with hyperspectral technology in this study. PLSR combined with different pretreatments was applied to establish an prediction model of winter-wheat nitrogen nutrition index, whose average value of model-set model decision coefficient2was 0.683, with the maximum one 0.789, the minimum root mean square error (RMSE) 0.142, and the minimum of relative medium error (RE) 12.3%. The prediction-set model’s mean value of decision coefficient2is 0.588, with the maximum one 0.717, the minimum value of root mean square error (RMSE) 0.150, and the minimum of relative medium error (RE) 12.8%. The comparison shows that the pretreatment methods with SG(Savitzky-Golay), SNV(standard normal variate transformation), SG+SNV and SG+BC(baseline correction) are effective when partial least square method is used to build the model, especially SG smoothing is the optimal one as mentioned above with the2of 0.789, the RMSE of 0.142, the RE of 12.3%, and the2of the prediction accuracy of 0.717. Meanwhile, BP neural network method combined with different pretreatments was used to establish an prediction model of nitrogen nutrition index, whose average value of model-set model decision coefficient2was 0.834, with the maximum one 0.861, the minimum RMSE 0.115, and the minimum of RE 9.8%. The prediction-set model’s mean value of decision coefficient2was 0.714, with the maximum one 0.780, the minimum value of RMSE 0.133, and the minimum of RE 12.3%. It can be known that the regression model constructed by BP neural network is significantly more accurate than the one constructed by PLSR model. The decision coefficient of all the models pretreated by BP neural network was above 0.8, while the average one was increased to 0.834 from 0.683 under PLSR model. All pretreatment modeling accuracy combined with SG, SG+MSC(multiple scatter correction), SG+SNV and SNV+D(De-trending) reached above 0.85, when the predictive effect reached above 0.7 except BC, MSC and SNV. SG pretreatment2with the best modeling effect reached 0.861, with mean square root error 0.115, relative error 9.8% and predicted effect20.780 as mentioned above. The NNI estimation model RF algorithm combined with different pretreatments was used to establish an prediction model of NNI, whose average value of model-set model decision coefficient2was 0.945, with the maximum one 0.959, the minimum RMSE 0.061, and the minimum of RE 5.3%. The prediction-set model’s mean value of decision coefficient2is 0.742, with the maximum 0.795, the minimum value of RMSE 0.125, and the minimum of RE 11.7%. It can be known that the regression model constructed by RF is significantly improved compared with PLSR model and BP neural network. The decision coefficient of all the models by RF are all above 0.9, and the prediction model accuracy2is above 0.7. After 10 spectral pretreatment methods and 3 modeling ones have been comprehensively compared in this study, it is found that different pretreatment and modeling methods have great impacts on modeling precision. The optimal hyperspectral modeling method is RF(random forest) algorithm. The average value of decision coefficient2forthe prediction-set model obtained through RF algorithm was higher than the biased least squares model and BP(back-propagation) neural network respectively, with lower RMSE and RE. Therefore, it can be seen that 10 pretreatment methods combined with RF model have higher prediction accuracy, which is a robust modeling method to invert nitrogen nutrition index. From above, to preprocess the spectrum for winter wheat can improve modeling accuracy. The best spectral pretreatment method in this experiment is SG convolution smoothing. Therefore, by comparing three models, the average2increase range of SG convolution smoothing compared with the other nine pre-processed prediction set models is 0.054~0.121, with average RMSE decrease range 0.016~0.032 and average RE decrease range 1.7~3.1 percentage points. In terms of single preprocessing, other preprocessing transformations can be carried out after combining with SG convolution smoothing, which can also improve the prediction accuracy of its single preprocessing model.

spectrum analysis; nitrogen; diagnosis; winter wheat; diagnose model; nitrogen nutrition index (NNI)

10.11975/j.issn.1002-6819.2018.19.021

S127

A

1002-6819(2018)-19-0162-08

2018-05-03

2018-08-23

國家自然科學(xué)基金資助項目（41371105）；河南省軟科學(xué)研究計劃項目（162400410058）：河南省高等學(xué)校重點科研項目（18A420001）；河南省智慧中原地理信息技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心”開放課題（2016A002）

劉昌華，男，湖南衡東人，博士，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事遙感應(yīng)用與土地生態(tài)方面的研究與教學(xué)工作。Email：lchnj@ 163.com

陳志超，副教授，主要從事農(nóng)業(yè)遙感與精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)方面的研究。Email：logczc@163.com

劉昌華，方 征，陳志超，周 蘭，岳學(xué)智，王 哲，王春陽，Yuxin Miao.ASD Field Spec3野外便攜式高光譜儀診斷冬小麥氮營養(yǎng)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2018，34(19)：162－169. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.19.021 http://www.tcsae.org

Liu Changhua, Fang Zheng, Chen Zhichao, Zhou Lan, Yue Xuezhi, Wang Zhe, Wang Chunyang, Yuxin Miao.Nitrogen nutrition diagnosis of winter wheat based on ASD Field Spec3[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(19): 162－169. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.19.021 http://www.tcsae.org