全 文 ：摇 核 农 学 报摇 圆园员圆袁圆远渊员冤院园员猿缘 耀 园员源园允燥怎则灶葬造 燥枣 晕怎糟造藻葬则 粤早则蚤糟怎造贼怎则葬造 杂糟蚤藻灶糟藻泽
收稿日期院圆园员员鄄园源鄄圆缘摇 接受日期院圆园员员鄄园苑鄄圆远
基金项目院国家公益性行业渊农业冤科研专项渊圆园员园园猿园缘怨冤袁水稻生物学国家重点实验室开放课题渊园怨园源园圆冤袁浙江省农业科学院科研创新提升项
目渊圆园园怨冤
作者简介院张 浩 渊员怨苑愿鄄冤袁男袁河南南阳人袁博士袁副研究员袁主要从事农业生态与遥感方面的研究
通讯作者院杨生茂 渊员怨远猿鄄冤袁 男袁陕西礼泉人袁博士袁研究员袁主要从事农田系统碳氮循环及环境效应方面的研究遥 栽藻造院园缘苑员鄄愿远源员怨圆员愿曰耘鄄皂葬蚤造院
赠葬灶早泽澡藻灶早皂葬燥岳 圆远猿郾 灶藻贼
郑可锋 渊员怨远猿鄄冤袁 男袁浙江浦江人袁研究员袁主要从事数字农业技术方面的研究遥 栽藻造院园缘苑员鄄愿远源园源员愿员
文章编号院员园园园鄄愿缘缘员渊圆园员圆冤园员鄄园员猿缘鄄园远
水稻叶片氮素及籽粒蛋白质含量的高光谱估测模型
张摇 浩员袁源 摇 胡摇 昊员 摇 陈摇 义圆袁猿 摇 唐摇 旭圆袁猿 摇 吴春艳圆袁猿
刘玉学圆袁猿 摇 杨生茂圆袁猿 摇 郑可锋员
渊员郾 浙江省农业科学院数字农业研究所袁 浙江 杭州摇 猿员园园圆员曰 圆郾 浙江省农业科学院环境资源与土壤肥料研究所袁
浙江 杭州摇 猿员园园圆员曰猿郾 农业部浙江土壤肥料与环境科学观测实验站曰浙江 杭州摇 猿员园园圆员
源郾 中国科学院亚热带农业生态研究所袁湖南 长沙摇 源员园员圆缘冤
摘摇 要院研究水稻叶片氮素和籽粒蛋白质含量的高光谱快速尧无损监测方法袁对于水稻营养诊断尧籽粒品
质监测及氮肥高效利用具有重要意义遥 本文通过水稻盆栽试验袁测定水稻叶片氮素尧籽粒蛋白质含量和
冠层光谱袁采用不同的光谱建模方法来提高氮素尧籽粒蛋白质含量的估测精度遥 先用主成分分析渊孕悦粤冤
方法进行特征波段的提取袁再用多元线性回归渊酝蕴砸冤尧人工神经网络渊粤晕晕冤和偏最小二乘回归渊孕蕴杂砸冤
进行建模遥 结果表明袁水稻叶片氮素和籽粒蛋白质含量与特征光谱存在很好的模型关系袁猿 种模型预测
的决定系数渊砸圆责冤均在 园郾 愿源苑 以上袁并以 孕蕴杂砸模型的预测效果为最好袁可以实现水稻氮素营养和籽粒品
质的高光谱估测遥
关键词院水稻氮素曰 主成分分析曰 偏最小二乘回归曰 神经网络曰 特征波段
耘杂栽陨酝粤栽陨晕郧 晕陨栽砸韵郧耘晕 韵云 砸陨悦耘 蕴耘粤云 粤晕阅 孕砸韵栽耘陨晕 韵云 砸陨悦耘 杂耘耘阅
月粤杂耘阅 韵晕 匀再孕耘砸杂孕耘悦栽砸粤蕴 阅粤栽粤
在匀粤晕郧 匀葬燥员袁源 摇 匀哉 匀葬燥员 摇 悦匀耘晕 再蚤圆袁猿 摇 栽粤晕郧 载怎圆袁猿 摇 宰哉 悦澡怎灶鄄赠葬灶圆袁猿
蕴陨哉 再怎鄄曾怎藻 圆袁猿 摇 再粤晕郧 杂澡藻灶早鄄皂葬燥圆袁猿 摇 在匀耘晕郧 运藻鄄枣藻灶早员
渊员郾 陨灶泽贼蚤贼怎贼藻 燥枣 阅蚤早蚤贼葬造 粤早则蚤糟怎造贼怎则葬造 砸藻泽藻葬则糟澡袁 在澡藻躁蚤葬灶早 粤糟葬凿藻皂赠 燥枣 粤早则蚤糟怎造贼怎则葬造 杂糟蚤藻灶糟藻泽袁 匀葬灶早扎澡燥怎袁 在澡藻躁蚤葬灶早摇 猿员园园圆员曰
圆郾 陨灶泽贼蚤贼怎贼藻 燥枣 耘灶增蚤则燥灶皂藻灶贼葬造袁 砸藻泽燥怎则糟藻泽袁 杂燥蚤造泽 葬灶凿 云藻则贼蚤造蚤扎藻则袁 在澡藻躁蚤葬灶早 粤糟葬凿藻皂赠 燥枣 粤早则蚤糟怎造贼怎则葬造 杂糟蚤藻灶糟藻泽袁 匀葬灶早扎澡燥怎袁 在澡藻躁蚤葬灶早摇 猿员园园圆员曰
猿郾 在澡藻躁蚤葬灶早 杂燥蚤造袁 云藻则蚤造蚤扎藻则 葬灶凿 耘灶增蚤则燥灶皂藻灶贼 杂贼葬贼蚤燥灶 燥枣 粤早则蚤糟怎造贼怎则藻 阅藻责葬则贼皂藻灶贼 燥枣 孕砸悦袁匀葬灶早扎澡燥怎袁 在澡藻躁蚤葬灶早摇 猿员园园圆员曰
源郾 陨灶泽贼蚤贼怎贼藻 燥枣 杂怎遭贼则燥责蚤糟葬造 粤早则蚤糟怎造贼怎则藻袁 悦澡蚤灶藻泽藻 粤糟葬凿藻皂赠 燥枣 杂糟蚤藻灶糟藻泽袁 悦澡葬灶早泽澡葬袁 匀怎灶葬灶摇 源员园员圆缘冤
粤遭泽贼则葬糟贼院晕燥灶鄄凿藻泽贼则怎糟贼蚤增藻 葬灶凿 则葬责蚤凿 皂燥灶蚤贼燥则蚤灶早 皂藻贼澡燥凿泽 枣燥则 造藻葬枣 灶蚤贼则燥早藻灶 葬灶凿 泽藻藻凿 责则燥贼藻蚤灶 燥枣 则蚤糟藻 蚤泽 燥枣 早则藻葬贼 泽蚤早灶蚤枣蚤糟葬灶糟藻
蚤灶 藻泽贼蚤皂葬贼蚤灶早 则蚤糟藻 灶怎贼则蚤贼蚤燥灶葬造 凿蚤葬早灶燥泽蚤泽 葬灶凿 早则葬蚤灶 择怎葬造蚤贼赠 皂燥灶蚤贼燥则蚤灶早袁 藻灶澡葬灶糟蚤灶早 灶蚤贼则燥早藻灶 皂葬灶葬早藻皂藻灶贼 葬灶凿 怎泽藻 藻枣枣蚤糟蚤藻灶糟赠援
陨灶 贼澡蚤泽 泽贼怎凿赠袁 葬 责燥贼 藻曾责藻则蚤皂藻灶贼 憎葬泽 糟燥灶凿怎糟贼藻凿 贼燥 凿藻贼藻则皂蚤灶藻 造藻葬枣 灶蚤贼则燥早藻灶袁 早则葬蚤灶 责则燥贼藻蚤灶 糟燥灶贼藻灶贼 葬灶凿 糟葬灶燥责赠 泽责藻糟贼则葬 蚤灶
则蚤糟藻袁 葬灶凿 藻泽贼葬遭造蚤泽澡 皂燥凿藻造 贼燥 责则藻凿蚤糟贼 贼澡藻 造藻葬枣 灶蚤贼则燥早藻灶 葬灶凿 泽藻藻凿 责则燥贼藻蚤灶援 运藻赠 泽责藻糟贼则葬造 遭葬灶凿泽 憎藻则藻 泽藻造藻糟贼藻凿 遭赠 责则蚤灶糟蚤责葬造
糟燥皂责燥灶藻灶贼 葬灶葬造赠泽蚤泽 渊孕悦粤冤 皂藻贼澡燥凿袁 葬灶凿 贼澡藻 责则藻凿蚤糟贼藻凿 皂燥凿藻造泽 憎藻则藻 遭怎蚤造贼 遭赠 皂怎造贼蚤责造藻 造蚤灶藻葬则 则藻早则藻泽泽蚤燥灶 渊酝蕴砸冤袁 葬则贼蚤枣蚤糟蚤葬造
灶藻怎则葬造 灶藻贼憎燥则噪 渊粤晕晕冤 葬灶凿 责葬则贼蚤葬造 造藻葬泽贼 泽择怎葬则藻泽 则藻早则藻泽泽蚤燥灶 渊孕蕴杂砸冤 皂燥凿藻造援 砸藻泽怎造贼泽 泽澡燥憎藻凿 贼澡葬贼 泽蚤早灶蚤枣蚤糟葬灶贼 糟燥则则藻造葬贼蚤燥灶
憎葬泽 枣燥怎灶凿 遭藻贼憎藻藻灶 造藻葬枣 灶蚤贼则燥早藻灶 葬灶凿 早则葬蚤灶 责则燥贼藻蚤灶 糟燥灶贼藻灶贼 葬灶凿 噪藻赠 泽责藻糟贼则葬造 遭葬灶凿泽袁 葬灶凿 贼澡藻 凿藻贼藻则皂蚤灶藻凿 糟燥藻枣枣蚤糟蚤藻灶贼 燥枣
责则藻凿蚤糟葬贼蚤燥灶 渊砸圆责冤 憎藻则藻 澡蚤早澡藻则 贼澡葬灶 园郾 愿源苑袁 葬灶凿 贼藻泽贼藻凿 则藻泽怎造贼泽 责则藻凿蚤糟贼藻凿 遭赠 孕蕴杂砸 皂燥凿藻造泽 蚤泽 贼澡藻 遭藻泽贼援 栽澡藻则藻枣燥则藻袁 蚤贼 蚤泽
缘猿员
核摇 农摇 学摇 报 圆远 卷
糟燥灶糟造怎凿藻凿 贼澡葬贼 则蚤糟藻 灶怎贼则蚤贼蚤燥灶 葬灶凿 早则葬蚤灶 择怎葬造蚤贼赠 糟燥怎造凿 遭藻 藻泽贼蚤皂葬贼藻凿 遭赠 澡赠责藻则 泽责藻糟贼则葬造 凿葬贼葬援
运藻赠 憎燥则凿泽院灶蚤贼则燥早藻灶 糟燥灶贼藻灶贼 燥枣 则蚤糟藻曰 责则蚤灶糟蚤责葬造 糟燥皂责燥灶藻灶贼 葬灶葬造赠泽蚤泽曰 责葬则贼蚤葬造 造藻葬泽贼 泽择怎葬则藻泽 则藻早则藻泽泽蚤燥灶曰 灶藻怎则葬造 灶藻贼憎燥则噪曰 噪藻赠
泽责藻糟贼则葬造 遭葬灶凿泽
摇 摇 通过水稻植株氮诊断可深入了解水稻生长过程中
体内氮的吸收尧运转规律袁从而促进氮素的精确管理尧
减少环境污染袁提高籽粒品质咱员 耀 猿暂 遥 氮素常规诊断方
法通常包括形态诊断和化学诊断袁但都存在破坏植物
样本尧操作繁琐尧耗时较长和分析结果适时性差等缺
点遥 近年来袁高光谱遥感技术的迅猛发展袁为作物氮素
营养的无损监测提供了新的技术手段和方法咱源 耀 员员暂 袁这
种方法在不破坏植物组织结构的基础上袁可以迅速尧准
确地对田间作物氮素营养状况进行监测袁并能及时提
供追肥所需要的信息咱源暂 遥 在试验室和大田尺度上袁主
要通过获取作物单叶或冠层的反射光谱袁然后提取特
征植被指数和氮素含量袁构建氮素含量反演模型咱苑 耀 怨暂 遥
在区域尺度上袁应用航空机载成像光谱仪和星载成像
光谱仪袁可以获取大尺度作物氮素含量的分布
图咱员圆 耀 员缘暂 遥 同时袁水稻的经济效益主要为籽粒产量和品
质袁而籽粒品质通常会影响到食品的质量袁也会影响到
生产企业的加工工艺遥 实时监测掌握水稻籽粒品质的
信息不仅可以指导生产企业的收购尧缩短检测化验时
间尧降低成本尧提高效率袁还可以指导水稻育种和生产
管理遥 在籽粒品质的检测方法中袁利用高光谱遥感技
术监测水稻品质成为近年来研究的热点遥 这些研究主
要模拟卫星尧航天遥感采用由上而下的方法测定叶片
及冠层氮素含量来预测水稻品质咱员远暂 遥
由此可见袁前人利用高光谱袁主要通过构建基于光
谱指数的统计模型或者采用化学计量学方法来快速监
测作物的氮素和籽粒品质遥 从总体上看袁水稻的氮素
和籽粒品质指标的高光谱反演模型多为线性模型遥 而
实际上袁水稻氮素营养和籽粒蛋白质含量受品种尧温
度尧水分和养分等多种因素的影响咱员苑暂 袁其与光谱反射
率之间的关系基本上是非线性的袁采用线性模型在一
定程度上限制了籽粒蛋白质含量的高光谱预测精度遥
因此袁为了进一步提高检测精度袁需要采用非线性模型
来进行估测遥 在非线性模型中袁人工神经网络渊粤晕晕冤
和偏最小二乘回归渊孕蕴杂砸冤对非线性问题的拟合有着
较强的优势咱员愿 耀 圆员暂 遥
本文通过水稻盆栽试验袁测定水稻叶片氮素尧籽粒
蛋白质含量和冠层光谱袁采用不同的光谱建模方法来
提高估测精度遥 先用主成分分析渊孕悦粤冤方法进行特征
波段的提取袁再用多元线性回归渊酝蕴砸冤尧人工神经网
络渊粤晕晕冤和偏最小二乘回归渊孕蕴杂砸冤进行建模袁从而
实现水稻植株氮素营养和籽粒品质的快速尧准确检测遥
员摇 材料与方法
员郾 员摇 材料
供试水稻品种为浙粳 圆圆 号遥
土壤类型为水稻土袁分别取自浙江义乌市和海宁
市新整土地遥 其中袁义乌土壤 责匀为 苑郾 圆尧有机质 猿员郾 苑早
窑噪早 原员尧全氮 员郾 远苑早窑噪早 原员尧速效氮 缘园郾 源皂早窑噪早 原员尧速
效磷 员员郾 缘皂早窑噪早 原员尧速效钾 员远园皂早窑噪早 原员曰海宁土壤
责匀为 远郾 苑尧有机质 员园郾 圆早窑噪早 原员尧全氮 园郾 苑圆早窑噪早 原员尧速
效氮 员园缘皂早窑 噪早 原员尧速效磷 员园郾 圆皂早窑 噪早 原员尧速效钾
源猿皂早窑噪早 原员遥
员郾 圆摇 试验设计
盆栽试验于 圆园园怨 和 圆园员园 年在农业部浙江土壤肥
料与环境科学观测实验站渊员圆园毅圆缘忆 耘袁猿园毅圆远忆 晕冤进
行遥 为获取不同水稻叶片氮素含量的光谱数据袁每种
土壤设置 员源 个不同的养分处理袁包括对照渊即不施任
何肥料冤尧商品有机肥 员尧商品有机肥 圆尧晕孕运尧晕孕运 垣商
品有机肥 员尧晕孕运 垣 商品有机肥 圆尧晕孕运 垣 水稻秸杆尧
晕孕运 垣大麦秸杆尧晕孕运 垣油菜秸杆尧晕孕运 垣水稻秸杆 垣
木酶尧晕孕运 垣 大麦秸杆 垣 木酶尧晕孕运 垣 油菜秸杆 垣 木
酶尧晕孕运 垣硅肥尧晕孕运 垣土壤结构改良剂渊月郧粤冤遥 各处
理按基肥 猿缘豫 尧分蘖肥 员缘豫 尧促花肥 圆缘豫 尧保花肥
圆缘豫施入曰各处理配施 晕员猿猿噪早窑澡皂 原圆袁孕圆韵缘远远郾 缘噪早窑
澡皂 原圆袁运圆韵 远远郾 缘噪早窑澡皂 原圆袁均做基肥一次性施入遥 试
验盆钵随机区组排列袁每处理重复 缘 次遥 远 月 圆园 日播
种袁苑 月 员猿 日移栽袁其他管理同常规稻田遥
员郾 猿摇 冠层光谱采集
在水稻的孕穗期和乳熟期袁进行冠层光谱测定遥
测定采用荷兰 粤增葬灶贼藻泽 公司的 粤增葬杂责藻糟 原 圆园源愿 便携式
光谱仪袁其光谱采样间隔渊波段宽冤园郾 远灶皂袁测定范围
圆园园 耀 员员园园灶皂袁分辨率 圆郾 缘灶皂遥 所有光谱测量在天气
晴朗尧风速很小尧距地表 员郾 猿皂 且在北京时间 员园院园园 原
员源院园园 时进行遥 测定时视场角为 圆缘毅袁在视场范围内重
复 圆 次袁取平均值遥 此外袁各处理测定前后袁进行参考
板校正遥 孕穗期所有处理共采集 员圆愿 个叶片样品光谱
数据袁其中 员园园 个作为建模集袁剩余的 圆愿 个作为预测
集曰乳熟期共采集 员猿园 个籽粒样品光谱数据袁其中 员园园
个作为建模集袁剩余的 猿园 个作为预测集遥
远猿员
摇 员 期 水稻叶片氮素及籽粒蛋白质含量的高光谱估测模型
员郾 源摇 测定项目与方法
员郾 源郾 员摇 叶片氮素测定摇 在水稻的孕穗期和乳熟期袁每
处理随机取 猿 株袁每植株取上部 源 张绿色叶片带回实
验室袁去离子水洗净后用滤纸吸干袁在 员园缘益下杀青
猿园皂蚤灶袁再 苑缘益烘干 苑圆澡袁粉碎过筛遥 匀圆杂韵源 原 匀圆韵圆 消
煮后用凯氏定氮法测定氮含量遥
员郾 源郾 圆摇 籽粒蛋白质测定摇 于水稻成熟期收获袁随机采
集 猿 株脱粒袁籽粒晒干 圆 个月后脱壳碾磨成精米袁精米
磨细成粉袁采用半微量凯氏定氮法测定籽粒氮素含量袁
籽粒蛋白质含量渊豫 冤 越籽粒氮素含量 伊缘郾 怨缘遥
员郾 缘摇 数据处理方法
员郾 缘郾 员摇 光谱数据预处理摇 由于光谱数据在采集范围
的两端有部分噪音袁故选取 源园园 耀 员园园园灶皂 波段的光谱
数据进行分析遥 将光谱数据转换成吸光度值后袁采用
杂葬增蚤贼扎噪赠鄄郧燥造葬赠 平滑法和变量标准化渊 泽贼葬灶凿葬则凿 灶燥则皂葬造
增葬则蚤葬贼藻袁杂晕灾冤对原始光谱进行预处理遥
员郾 缘郾 圆摇 光谱数据主成分分析渊孕悦粤冤 摇 特征光谱的选
取通过主成分分析渊孕悦粤冤在 哉灶泽糟则葬皂遭造藻 灾怨郾 苑 软件完
成袁主要根据水稻冠层光谱反射率的变量相关关系矩
阵计算特征根尧特征向量及贡献值咱员怨暂 遥
员郾 缘郾 猿摇 线性统计模型摇 采用多元线性回归渊酝蕴砸冤分
析袁该模型通过分析所测定的水稻生化参数渊效应量冤
和特征光谱渊原因冤之间的相关关系袁建立相应的数学
模型遥 其数学模型通用表达为院
赠贼 越 茁园 垣 茁员曾贼员 垣 茁圆曾贼圆 垣 噎 垣 茁噪原 员曾贼 噪 原员 垣 怎贼袁 渊员冤
其中 赠贼 是被解释变量渊因变量冤袁曾贼 躁是解释变量渊自变
量冤袁怎贼 是随机误差项袁茁蚤袁蚤 越 园袁 员袁 噎袁噪 原 员 是回归参
数渊通常未知冤遥 本模型计算在 郧藻灶杂贼葬贼 愿郾 圆 统计软件
中完成咱圆圆暂 遥
员郾 缘郾 源摇 非线性统计模型
员郾 缘郾 源郾 员摇 人工神经网络渊粤晕晕冤模型摇 人工神经网络
渊粤晕晕冤具有很强的非线性映射能力袁因而为水稻生化
参数的反演提供了一种新的方法和手段咱员苑袁员怨暂 遥 利用
酝葬贼造葬遭 远郾 缘 软件进行网络结构设计袁猿 层网络的拓扑结
构由输入层尧单隐层和输出层组成遥 神经网络输入层
节点的值来自主成分分析得到的主成分值渊特征光谱
数据冤袁水稻叶片氮素含量或籽粒蛋白质含量作为网
络的输出遥 神经网络模型中的输入层和隐层采用
栽葬灶鄄泽蚤早皂燥蚤凿传输函数袁输出层则采用 孕怎则藻造蚤灶 线性传输
函数遥 将样本数据分成 圆 组院员 组作为训练样本袁另 员
组为测试样本遥 通过对设定的训练样本部分进行建
模袁通过调整网络结点系数袁反复地迭代演算袁使得最
终输出值的拟合残差达到预先设定的范围之内袁然后
通过建立好的模型对测试样本进行预测遥
员郾 缘郾 源郾 圆摇 偏最小二乘回归渊孕蕴杂砸冤模型摇 该模型的原
理如下院设有 择 个因变量喳 赠员袁噎袁赠择 札和 责 个自变量喳 曾员袁噎袁曾责 札遥 为了研究因变量和自变量的统计关系袁
我们观测了 灶个样本点袁由此构成了自变量与因变量
的数据表 载 越 喳 曾员袁噎袁曾责 札和 再 越 喳 赠员袁噎袁赠择 札遥 偏最
小二乘回归分别在 载与 再中提取出成分 贼员 和 怎员 渊即袁
贼员 是 曾员袁噎袁曾责 的线形组合袁 怎员 是 赠员袁噎袁赠择 的线形组
合冤遥 在提取这 圆 个成分时袁为了回归分析的需要袁有
下列 圆 个要求院 渊员冤 贼员 和 怎员 应尽可能大地携带他们各
自数据表中的变异信息曰 渊圆冤 贼员 与 怎员 的相关程度能够
达到最大遥 这 圆 个要求表明袁 贼员 和 怎员 应尽可能好的代
表数据表 载和 再袁 同时自变量的成分 贼员 对因变量的成
分 怎员 又有最强的解释能力遥 在第一个成分 贼员 和 怎员 被
提取后袁偏最小二乘回归分别实施 载 对 贼员 的回归以及再对 怎员 的回归遥 如果回归方程已经达到满意的精度袁
则算法终止曰否则袁将利用 载 被 贼员 解释后的残余信息
以及 再 被 贼员 解释后的残余信息进行第二轮的成分提
取遥 如此往复袁直到能达到一个较满意的精度为止遥
若最终对 载共提取了 皂 个成分 贼员 袁噎袁 贼皂 袁偏最小二
乘回归将通过实施 赠噪 对 贼员 袁噎袁 贼皂 袁 的回归袁然后再表
达成 赠噪关于原变量 曾员 袁噎袁 曾皂 袁的回归方程袁噪 越 员袁圆袁噎袁择遥
孕蕴杂砸计算在 郧藻灶杂贼葬贼 愿郾 圆 统计软件中完成咱圆圆暂 遥
员郾 缘郾 缘摇 模型精度检验摇 精度评价指标有交互验证均
方根误差渊 则燥燥贼 皂藻葬灶 泽择怎葬则藻 藻则则燥则 燥枣 贼则葬蚤灶蚤灶早袁砸酝杂耘贼冤尧
预测均方根误差渊 则燥燥贼 皂藻葬灶 泽择怎葬则藻 藻则则燥则 燥枣 责则藻凿蚤糟贼蚤燥灶袁
砸酝杂耘责冤尧模型训练决定系数渊 糟燥则则藻造葬贼蚤燥灶 糟燥藻枣枣蚤糟蚤藻灶贼 燥枣
贼则葬蚤灶蚤灶早袁 砸圆贼 冤尧模型预测决定系数渊糟燥则则藻造葬贼蚤燥灶 糟燥藻枣枣蚤糟蚤藻灶贼
燥枣 责则藻凿蚤糟葬贼蚤燥灶袁 砸圆责冤尧偏差渊遭蚤葬泽冤和预测相对标准误差渊则藻泽蚤凿怎葬造 责则藻凿蚤糟贼蚤燥灶 凿藻增蚤葬贼蚤燥灶袁 砸孕阅冤袁 具体参见文献
咱员愿袁圆猿暂遥
圆摇 结果与分析
圆郾 员摇 特征光谱的提取
水稻冠层叶片和籽粒的反射光谱如图 员 所示遥 从
图 员 可知袁叶片样本在 缘圆园 耀 远愿园灶皂和 苑圆园 耀 员园园园灶皂 圆
个波段范围存在比较明显的反射率差异袁而籽粒样本
则在波长 苑园园 耀 员园园园灶皂 波段范围存在比较明显的反
射率差异遥 由于样本中存在差异的光谱波段存在输入
变量过多及噪声等干扰袁会影响模型的建立和精度袁因
此袁在对数据进行建模之前先应用主成分分析渊孕悦粤冤
对原始输入变量进行降维渊图 圆冤袁然后选取贡献率最
高的几个主成分值代替原有的输入变量应用于模型的
苑猿员
核摇 农摇 学摇 报 圆远 卷
图 员摇 冠层叶片渊葬冤和籽粒渊遭冤光谱反射率随波长的变化
云蚤早援 员摇 灾葬则蚤葬贼蚤燥灶 燥枣 泽责藻糟贼则葬造 则藻枣造藻糟贼葬灶糟藻 燥枣 糟葬灶燥责赠 造藻葬枣 渊葬冤 葬灶凿 泽藻藻凿泽 渊遭冤 憎蚤贼澡 憎葬增藻造藻灶早贼澡
图 圆摇 冠层叶片渊葬冤和籽粒渊遭冤光谱反射率的主成分分析
云蚤早援 圆摇 孕则蚤灶糟蚤责葬造 糟燥皂责燥灶藻灶贼 葬灶葬造赠泽蚤泽 渊孕悦粤冤 燥枣 糟葬灶燥责赠 造藻葬枣 渊葬冤 葬灶凿 泽藻藻凿泽 渊遭冤
建立遥 通过 孕悦粤 得到的主成分中袁对于冠层叶片袁第
一个主成分就代表了 怨愿豫的信息袁而前 圆 个主成分所
包含的信息高达 怨怨豫 曰对于籽粒袁第一个主成分就代
表了 怨猿豫的信息袁而前 圆 个主成分所包含的信息高达
怨愿豫 遥
圆郾 圆摇 水稻叶片氮素估算建模与预测结果
为了比较线性回归和非线性回归算法在水稻叶片
氮素估算中的作用袁多元线性回归渊酝蕴砸冤尧人工神经
网络渊粤晕晕冤和偏最小二乘回归渊孕蕴杂砸冤猿 种方法被分
别用来建立模型遥 选取贡献率最高的 圆 个主成分值代
替原有的输入变量应用于叶片氮素模型的建立袁建模
的结果见表 员遥 从表 员 可以看出袁酝蕴砸 在建模时取得
了最低的决定系数渊砸圆贼 冤袁最大的交互验证均方根误差渊砸酝杂耘贼冤和偏差渊月蚤葬泽冤值袁表明该模型的建模效果不
佳曰同时袁其预测决定系数渊砸圆责 冤仅为 园郾 愿苑缘遥 与 酝蕴砸
相比袁粤晕晕 在建模时取得了中等的 砸圆贼 袁中等的 砸酝杂耘贼
和 月蚤葬泽值袁但该模型的预测效果不佳袁砸圆责 仅为 园郾 愿远猿袁
表明该模型可能存在过拟合现象曰而 孕蕴杂砸 模型则获
得了较高的 砸圆贼 和 砸圆责 值袁较低的 砸酝杂耘贼 和 砸酝杂耘责 值袁
而且建模和预测的各项评价指标数值很接近曰同时袁该
模型还得到了高于其他 圆 个模型的预测相对标准误差
渊砸孕阅冤值袁说明该测量模型不仅精度高袁而且稳定性
强遥
表 员摇 水稻叶片氮素的建模和预测结果
栽葬遭造藻 员摇 砸藻泽怎造贼泽 燥枣 则蚤糟藻 造藻葬枣 灶蚤贼则燥早藻灶 皂燥凿藻造泽
蚤灶 贼则葬蚤灶蚤灶早 葬灶凿 责则藻凿蚤糟贼蚤燥灶
模型
皂燥凿藻造
建模集 贼则葬蚤灶蚤灶早 预测集 责则藻凿蚤糟葬贼蚤燥灶
砸圆贼 砸酝杂耘贼 月蚤葬泽 砸圆责 砸酝杂耘责 月蚤葬泽 砸孕阅
酝蕴砸 园郾 愿缘员 园郾 缘圆猿园 园郾 园园猿怨 园郾 愿苑缘 园郾 源圆员缘 园郾 园园圆猿 源郾 愿怨
粤晕晕 园郾 愿苑怨 园郾 猿圆员员 园郾 园园圆远 园郾 愿远猿 园郾 圆怨员远 园郾 园园员愿 缘郾 远苑
孕蕴杂砸 园郾 怨缘猿 园郾 员愿怨源 园郾 园园员苑 园郾 怨缘圆 园郾 员缘缘猿 园郾 园园员圆 缘郾 怨怨
注院 酝蕴砸院多元回归模型曰粤晕晕院人工神经网络模型曰孕蕴杂砸院偏最小二乘
回归模型遥 砸圆贼 院建模决定系数曰 砸圆责院预测决定系数曰砸酝杂耘贼院交互验证均
方根误差曰 砸酝杂耘责院预测均方根误差曰月蚤葬泽院偏差曰砸孕阅院预测相对标准误
差遥 表 圆 同遥
晕燥贼藻院 酝蕴砸院 皂怎造贼蚤 则藻早则藻泽泽蚤燥灶 皂燥凿藻造曰粤晕晕院 葬则贼蚤枣蚤糟蚤葬造 灶藻怎则葬造 灶藻贼憎燥则噪 皂燥凿藻造曰
孕蕴杂砸院 责葬则贼蚤葬造 造藻葬泽贼 泽择怎葬则藻泽 则藻早则藻泽泽蚤燥灶援 砸圆贼 院 糟燥则则藻造葬贼蚤燥灶 糟燥藻枣枣蚤糟蚤藻灶贼 燥枣 贼则葬蚤灶蚤灶早曰
砸圆责院 糟燥则则藻造葬贼蚤燥灶 糟燥藻枣枣蚤糟蚤藻灶贼 燥枣 责则藻凿蚤糟葬贼蚤燥灶曰 砸酝杂耘贼院 皂藻葬灶 泽择怎葬则藻 则燥燥贼 燥枣
蚤灶贼藻则葬糟贼蚤增藻 贼则葬蚤灶蚤灶早曰 砸酝杂耘责院 皂藻葬灶 泽择怎葬则藻 则燥燥贼 燥枣 蚤灶贼藻则葬糟贼蚤增藻 责则藻凿蚤糟葬贼蚤燥灶曰
月蚤葬泽院 遭蚤葬泽曰砸孕阅院 则藻造葬贼蚤增藻 泽贼葬灶凿 藻则则燥则 燥枣 责则藻凿蚤糟葬贼蚤燥灶援 栽澡藻 泽葬皂藻 葬泽 枣燥造造燥憎蚤灶早
贼葬遭造藻 圆遥
愿猿员
摇 员 期 水稻叶片氮素及籽粒蛋白质含量的高光谱估测模型
圆郾 猿摇 水稻籽粒蛋白质含量估算建模与预测结果
采用 酝蕴砸尧粤晕晕和 孕蕴杂砸 猿 种模型方法袁对水稻籽
粒蛋白质含量进行建模袁结果见表 圆遥 从建模结果看袁
酝蕴砸在建模时取得了最低的 砸圆贼 袁其 砸圆责 仅为 园郾 愿源苑袁表
明该模型的建模效果不佳曰而 粤晕晕 模型在建模时 砸圆贼
为 园郾 愿缘员袁砸圆责 为 园郾 愿缘猿袁预测效果中等曰孕蕴杂砸 模型则获
得了较高的 砸圆贼 和 砸圆责遥 同时袁无论建模集和预测集袁猿
个模型的 砸酝杂耘 和 月蚤葬泽 的结果均为 酝蕴砸 跃 粤晕晕 跃
孕蕴杂砸遥 从上述模型参数看袁猿 种籽粒蛋白质含量模型
的建模效果为 孕蕴杂砸 跃 粤晕晕 跃 酝蕴砸袁与水稻叶片氮素
的建模结果渊表 员冤比较类似遥
表 圆摇 水稻籽粒蛋白质的建模和预测结果
栽葬遭造藻 圆摇 砸藻泽怎造贼泽 燥枣 则蚤糟藻 泽藻藻凿 责则燥贼藻蚤灶
皂燥凿藻造泽 蚤灶 贼则葬蚤灶蚤灶早 葬灶凿 责则藻凿蚤糟葬贼蚤燥灶
模型
皂燥凿藻造
建模集 贼则葬蚤灶蚤灶早 预测集 责则藻凿蚤糟葬贼蚤燥灶
砸圆贼 砸酝杂耘贼 月蚤葬泽 砸圆责 砸酝杂耘责 月蚤葬泽 砸孕阅
酝蕴砸 园郾 愿员圆 园郾 远园圆怨 园郾 园园源苑 园郾 愿源苑 园郾 源缘园苑 园郾 园园圆怨 缘郾 圆苑
粤晕晕 园郾 愿缘员 园郾 猿怨员愿 园郾 园园猿园 园郾 愿缘猿 园郾 圆员员圆 园郾 园园圆员 远郾 园员
孕蕴杂砸 园郾 怨猿愿 园郾 圆园缘员 园郾 园园圆缘 园郾 怨猿愿 园郾 员猿怨圆 园郾 园园员苑 远郾 愿远
猿摇 讨论
本研究结果表明袁水稻冠层叶片在波长 缘圆园 耀
远愿园灶皂和 苑圆园 耀 员园园园灶皂 圆 个波段范围存在比较明显的
反射率差异袁而籽粒样本则在波长 苑园园 耀 员园园园灶皂 波段
范围存在比较明显的反射率差异渊图 员冤袁这与前人的
研究结果相似咱远袁员远暂 袁可以在此波段范围内提取叶片氮
素和籽粒蛋白质的特征波段遥
在建模方面袁多元线性回归渊酝蕴砸冤尧人工神经网
络渊粤晕晕冤和偏最小二乘回归渊孕蕴杂砸冤猿 种建模结果均
为 孕蕴杂砸 跃 粤晕晕 跃 酝蕴砸渊表 员 和表 圆冤袁表明非线性模型
优于线性模型遥 具体而言袁酝蕴砸 在分析样品时只用了
一些特征波长点的光谱信息袁其他点的信息被丢失袁易
产生模型的过拟合遥 而 粤晕晕 对非线性问题的拟合有
着较强的优势遥 部分研究者已经把人工神经网络引入
到高光谱数据分析中来袁提高了植被生化参数反演的
精度咱员苑 耀 员怨暂 遥 然而袁在本研究中袁发现神经网络隐藏节
点数的变化影响预测偏差的大小渊图 猿冤袁这意味着
粤晕晕模型的过拟合现象导致模型的泛化能力降低袁以
至于模型效果次于 孕蕴杂砸 模型遥 孕蕴杂砸 模型最显著的
特点就是利用了全部的光谱信息袁可以压缩所需样品
数量袁将高度相关的波长点归于一个独立变量中袁根据
为数不多的独立变量建立回归方程袁通过内部检验防
止过度拟合现象袁模型的精度高于 粤晕晕和 酝蕴砸遥
图 猿摇 预测偏差随神经网络隐藏层节点数的变化
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灶怎皂遭藻则 燥枣 澡蚤凿凿藻灶 造葬赠藻则
在建模方法方面袁本研究通过光谱仪 渊仪器设
备冤尧化学计量软件渊数据分析冤和应用模型渊模型反
演冤三者的有机结合袁实现水稻氮素营养和籽粒品质
的高光谱估测袁同时也提高了光谱信息获取的精确性
及估算模型构建的可靠性和机理性咱圆源暂 遥 但需要指出
的是袁本文中的模型是在盆栽试验的数据资料上构建
的袁今后还需要在不同大田试验数据的基础上进行检
验和完善袁并将在水稻氮素的动态监测尧水稻氮素营养
高效管理和水稻收获品质监测中进行应用遥
源摇 结论
在盆栽条件下袁水稻冠层叶片在波长 缘圆园 耀 远愿园灶皂
和 苑圆园 耀 员园园园灶皂 圆 个波段范围存在比较明显的反射率
差异袁而冠层籽粒则在波长 苑园园 耀 员园园园灶皂 波段范围存
在比较明显的反射率差异遥 而且袁水稻叶片氮素和籽
粒蛋白质含量与特征光谱存在很好的模型关系袁多元
线性回归渊酝蕴砸冤尧人工神经网络渊粤晕晕冤和偏最小二乘
回归渊孕蕴杂砸冤猿 种模型预测的决定系数均在 园郾 愿源苑 以
上袁并以 孕蕴杂砸模型的预测效果为最好袁可以实现水稻
氮素营养和籽粒品质的高光谱估测遥
参考文献院
咱 员 暂 摇 孙羲援 水稻氮素营养及其诊断咱允暂 援浙江农业大学学报袁 员怨愿员袁 苑
渊圆冤院源员 原 缘园
咱 圆 暂摇 陆景陵援 植物营养学咱酝暂援 北京院 中国农业大学出版社袁 圆园园猿院
圆猿 原 猿缘
咱 猿 暂摇 廖 红袁 严小龙援 高级植物营养学咱酝暂援 北京院 科学出版社袁
圆园园猿院员员源 原 员圆园
咱 源 暂摇 邹长明袁秦道珠袁高菊生袁陈福兴援 水稻氮肥施用技术域援 看苗
施用氮肥的叶片诊断指标咱 允暂 援 湖南农业大学学报渊自然科学
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版冤袁 圆园园员袁 圆苑渊员冤院圆怨 原 猿员
咱 缘 暂 摇 易秋香袁 黄敬峰袁 王秀珍袁 钱 翌援 玉米全氮含量高光谱遥感估
算模型研究咱允暂 援 农业工程学报袁 圆园园远袁 圆圆渊怨冤院 员猿愿 原 员源猿
咱 远 暂 摇 谭昌伟袁 周清波袁 齐 腊袁 庄恒扬援 水稻氮素营养高光谱遥感诊
断模型咱允暂 援 应用生态学报袁 圆园园愿袁 员怨渊远冤院 员圆远员 原 员圆远愿
咱 苑 暂 摇 月怎泽糟葬早造蚤葬 匀 允袁 灾葬则糟燥 允 允援 耘葬则造赠 凿藻贼藻糟贼蚤燥灶 燥枣 糟燥贼贼燥灶 造藻葬枣 灶蚤贼则燥早藻灶
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咱 愿 暂摇 孙雪梅袁 周启发袁 何秋霞援 利用高光谱参数预测水稻叶片叶绿
素和籽粒蛋白质含量咱允暂 援 作物学报袁 圆园园缘袁 猿员渊苑冤院 愿源源 原 愿缘源
咱 怨 暂 摇 周冬琴袁 田永超袁 姚 霞袁 朱 艳袁 曹卫星援 水稻叶片全氮浓度与
冠层反射光谱的定量关系咱 允暂 援 应用生态学报袁 圆园园愿袁 员怨渊圆冤院
猿猿苑 原 猿源源
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咱员猿暂摇 蒲瑞良袁 宫 鹏援 森林生物化学与 悦粤杂陨 高光谱分辨率遥感数据
的相关分析咱允暂 援 遥感学报袁 员怨怨苑袁 员渊圆冤院员员缘 原 员圆猿
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咱员缘暂摇 宋晓宇袁黄文江袁 王纪华袁 刘良云袁李存军援 粤杂栽耘砸卫星遥感影
像在冬小麦品质监测方面的初步应用 咱 允暂 援 农业工程学报袁
圆园园远袁 圆圆渊怨冤院员源愿 原 员缘猿
咱员远暂摇 唐延林袁黄敬峰袁王人潮袁 辛 荣援 利用高光谱数据预测水稻籽粒
粗蛋白含量研究咱允暂 援 农业工程学报袁 圆园园远袁 圆圆渊苑冤院员员源 原 员员愿
咱员苑暂摇 张浩袁姚旭国袁张小斌袁金千瑜袁郑可锋援 水稻籽粒蛋白质含量
的高光谱估测研究咱允暂 援 中国粮油学报袁 圆园园怨袁 圆源渊员员冤院 员 原 缘
咱员愿暂摇 刘建学援 实用近红外光谱分析技术咱酝暂援 北京院 科学出版社袁
圆园园苑院 圆缘 原 源圆
咱员怨暂摇 何 勇袁李晓丽袁邵咏妮援基于主成分分析和神经网络的近红外光
谱苹果种鉴别方法研究咱允暂 援 光谱学与光谱分析袁圆园园远袁圆远渊缘冤院
愿缘园 原 愿缘猿
咱圆园暂摇 李建蕊袁 李九生援 利用近红外光谱和偏最小二乘回归法预测脂
肪酸组成咱允暂 援 中国粮油学报袁 圆园员园袁 圆缘渊远冤院 员园苑 原 员员园
咱圆员暂摇 王圆圆袁李贵才袁 张立军袁范锦龙援 利用偏最小二乘回归从冬小
麦冠层光谱提取叶片含水量咱 允暂 援 光谱学与光谱分析袁圆园员园袁猿园
渊源冤院员园苑园 原 员园苑源
咱圆圆暂 摇 郑可锋袁张浩袁祝利莉援 郧藻灶杂贼葬贼统计软件用户手册咱酝暂援 北京院
中国农业出版社袁 圆园员园院 员怨远 原 圆圆远
咱圆猿暂摇 刘 飞袁 冯 雷袁 楼兵干袁 孙光明袁 王连平袁 何 勇援 基于组合模拟
波段的油菜茵核病早期诊断方法研究咱允暂 援 光谱学与光谱分析袁
圆园员园袁猿园渊苑冤院员怨猿源 原 员怨猿愿
咱圆源暂摇 易时来袁邓 烈袁何绍兰袁郑永强袁毛莎莎援 锦橙叶片钾含量光谱
监测模型研究咱允暂 援 中国农业科学袁 圆园员园袁 源猿渊源冤院 苑愿园 原 苑愿远
渊责任编辑摇 邱爱枝冤
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咱 怨 暂 摇 刘宣兵袁 鲁晓翠袁 张改平袁 杨小保袁 侯玉泽袁 邓瑞广袁 刘庆堂袁
职爱民袁 宋春美援 磺胺二甲氧嘧啶单克隆抗体的制备及其免疫
学特性鉴定咱允暂 援 核农学报袁 圆园园愿袁 圆圆渊缘冤院 苑猿怨 原 苑源源
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咱员猿暂摇 郭尧君援 蛋白质电泳实验技术咱酝暂援 北京院 科学出版社袁 圆园园员院
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咱员远暂摇 江摇 涛袁 王玉平袁 韩春卉袁 宫慧之袁 计摇 融援 抗伏马菌素 月员 单
克隆抗体的制备和特性咱 允暂 援 军事医学科学院院刊袁 圆园园源袁 圆愿
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咱员苑暂摇 宫慧芝袁 计摇 融袁 杨摇 军袁 江摇 涛袁 李凤琴袁 韩春卉援 伏马菌素
月员 单抗 耘蕴陨杂粤检测试剂盒研制咱 允暂 援 中国公共卫生袁 圆园园苑袁 圆猿
渊愿冤院 怨苑源 原 怨苑缘
咱员愿暂摇 许金俊袁 陈摇 飞袁 秦爱建袁 陶建平袁 彭金彪袁 邵红霞袁 金文杰袁
戴先礼援 伏马菌素 月员 免疫学检测方法的研究咱 允暂 援 中国人兽共
患病学报袁 圆园园苑袁 圆猿渊员员冤院 员员员愿 原 员员圆圆
咱员怨暂摇 朱立平袁 陈学清援 免疫学常用实验方法咱酝暂援 北京院人民军医出
版社袁 圆园园园院 员怨 原 圆员
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