北京理加联合科技有限公司

LICA United Technology Limited

服务热线: 13910499761 010-51292601
企业邮箱
应用支持 Application Support
News 应用支持

ASD | 应用PROSPECT模型提取叶片生化性状的适用性研究

日期: 2022-01-20
浏览次数: 48

PROSDM:PROSPECT模型与光谱导数和相似性度量相结合从双向反射率中提取叶片生化性状的适用性


ASD | 应用PROSPECT模型提取叶片生化性状的适用性研究

ASD | 应用PROSPECT模型提取叶片生化性状的适用性研究


叶片生化性状为理解植物光合功能、动态生长、养分循环和初级生产提供了有价值的信息。叶片叶绿素含量(Cab)、类胡萝卜素含量(Cxc)、含水量(Cw)和干物质含量(Cm)是四个重要的叶片生化性状,与植物光合作用、氮素、胁迫和衰老等健康和生长状态密切相关。能够对这些叶片生化性状进行高通量测量的方法对于表征植物生理状态和关键功能过程至关重要。PROSPECT模型是目前最常用的叶片辐射传输模型之一,可从叶片定向半球反射因子(DHRF)光谱来提取叶片生化性状,然而,在应用于叶片双向反射因子(BRF)光谱提取叶片生化性状方面尚待探索。叶片表面反射率和各向异性性状的存在可能是限制PROSPECT从叶片BRF光谱评估叶片生化性状的主要问题。

基于此,在本研究中,研究者们提出了一个方法,整合了PROSPECT模型、光谱导数和相似性度量(SDM),称为PROSDM,去除了叶片BRFDHRF光谱的差异,并从叶片BRF光谱提取了叶片生化性状。具体目标是:(1)通过PROSPECT反演调查叶片BRFDHRF光谱差异随波长的变化以及对CabCxcCwCm提取的影响,(2)开发PROSDM消除BRFDHRF光谱差异,从叶片BRF光谱与PROSPECTPROCOSINE以及PROCWT的比较来提取CabCxcCwCm以及(3)评估PROSPECT、光谱子域、光谱噪音和模型参数范围对PROSDM性能的影响。

为了获得各种叶片生化性状和反射率,作者收集了具有不同生长阶段、营养状况和种植区域的植物物种的10个数据集,包括1个测量数据集和9个公开获取数据集。从油菜(Brassica napus L.)、水稻(Oryza sativa L.)和柑橘(Citrus aurantium L.)随机采集2279个植物叶片,利用ASD FieldSpec 4测量叶片反射率,获得数据集#1。从EcoSIS光谱库中获得具有各种叶片光谱和生化性状的9个公开的数据集。其中,7个数据集的BRF光谱由ASD地物光谱仪Analytical Spectral Devices, Inc., Boulder, CO, USA)搭配ASD叶片夹测量。


ASD | 应用PROSPECT模型提取叶片生化性状的适用性研究

 

表1 数据集描述。Dataset#1是本研究中测得的,Dataset#2-#10是在线https://ecosis.org获取的。BRF和DHRF光谱的光谱区域是400-2500 nm。


【结果】

ASD | 应用PROSPECT模型提取叶片生化性状的适用性研究 

平均BRF和DHRF光谱差异(a)以及这些差异对平均BRF光谱的贡献(b)。油菜(红线)在Dataset#1中获得,其他植物物种在Dataset#5中获得。


 ASD | 应用PROSPECT模型提取叶片生化性状的适用性研究

通过考虑非波长依赖性f(a,d)和波长依赖性f(b,c,e,f)两种情况,利用一阶(a-c)和二阶(d-f)导数的叶片BRF(绿线)和DHRF(橙线)光谱之间的差异。


 ASD | 应用PROSPECT模型提取叶片生化性状的适用性研究

利用PROSPECT反演(a–d),PROCOSINE反演(e–h),PROCWT-S4( i–l)和基于全光谱域PROSPECT-PRO 的PROSDM(m–p)的所有数据集(Dataset#1-#10)中Cab (a,e,i,m) ,Cxc (b,f,j,n), Cw (c,g,k,o) 和Cm (d,h,l,p)测量值和估算值比较。

 

【结论】

本研究中,作者提出了PROSDM这种新方法用来从叶片BRF光谱来提取叶片生化性状。结果发现光谱导数可以消除BRFDHRF光谱的非波长依赖性差异。当BRFDHRF光谱的差异随波长变化时,光谱导数仅能去除部分差异,而曼哈顿距离(MD)补偿了光谱导数的限制,进一步减少了差异。结果,PROSDM从叶片BRF光谱准确提取了不同植物物种的CabCxcCwCm。与标准的PROSPECT反演需要利用带有积分球的光谱仪测量叶片DHRF光谱不同,PROSDM扩展了PROSPECT到叶片BRF光谱的应用,以提取叶片生化性状。它可利用不同手持式光谱仪和叶片夹原位提取叶片生化性状。

在全光谱域,PROSDM-SED实现了CabCxc的最优提取,RMSE分别为7.64 μg/cm2 and 2.77 μg/cm2PROSDM-FMD产生了CwRMSE = 0.0041 g/cm2)和CmRMSE = 0.0024 g/cm2)的最好估计。与PROSPECT相比,PROSDM提取的CabCxcCwCm RMSE分别降低了20.33%29.34%25.45%44.19%。结果表明,PROSPECTPROCOSINE以及PROCWTCabCxcCwCm提取精度受到光谱饱和度、PROSPECT反演、光谱子域以及模型参数范围的影响很大。适当的光谱子域和模型参数范围可以改善不同反演方法的提取结果。这需要从实地测量和报告的研究中了解叶片生化和结构性状的先验信息。与这些反演方法相比,所提出的PROSDM在减轻CabCxcCwCm提取的负面影响上具有很大潜力。对于不同的PROSPECT版本,建议利用PROSPECT-PRO从叶片BRF光谱提取叶片生化性状。

未来研究需要基于叶片BRDF模型测量叶片BRF光谱的光谱和方向变化,将BRDF模型与所提出的PROSDM耦合可以改善对BRFDHRF光谱变化的表征。此外,由于植物物种BRFDHRF光谱的差异变化,在不同的数据集中PROSDM不能获得一致性提取结果。预计更多的工作将集中在理解不同视角和照明角度下植物叶片光学特性的变化。期望PROSDM可以应用在不同的尺度上,提高其在遥感、生态和环境研究中的适用性。


点击如下链接,下载原文:

ASD | 应用PROSPECT模型提取叶片生化性状的适用性研究PROSPECT模型与光谱导数和相似性度量相结合从双向反射率中提取叶片生化性状的适用性

News / 相关新闻 More
2023 - 02 - 07
土壤中重金属是有害的,其迁移和累积会严重威胁生态环境安全和人类健康。砷(As)具有高神经毒性和致畸性。人类活动,例如采矿和工业生产会导致大量As释放到土壤中。快速准确确定土壤中As浓度对As污染评估至关重要。传统的重金属调查方法旨在对野外采集的土壤样品进行化学性质测试,费事费力、成本高。高光谱遥感具有高光谱分辨率、宽波段范围和连续光谱信息等特点,已广泛用于土壤重金属浓度的估算。然而,现存的基于高光谱数据的土壤重金属浓度估算模型忽视了土壤光谱和重金属浓度之间的空间非稳态。基于此,来自首都师范大学的一组研究团队以北京东北部地区(40°10′0″-40°15′30″ N,116°58′4″-117°5′4″ E)为例,基于实验室测得的光谱数据(ASD FieldSpec 4光谱仪),结合地理加权回归(GWR)和XGBoost算法提出了一种新的模型(GW-X...
2023 - 02 - 02
中国是最大的温室蔬菜生产国,约占世界生产面积的83%。由于全年生产和大量施肥,温室蔬菜产量高,但也导致了土壤质量的恶化和严重的环境问题。近来,无土栽培系统(SCS)在温室蔬菜生产中逐渐发展起来,它可以减少甚至消除传统栽培方式的许多问题,。在SCS中,无土栽培基质,也称为无土栽培生长介质,可代替土壤固定根系系统,为植物提供水分和养分,为根区提供充足的通风。然而,由于N肥的大量输入,N2O排放较高。N2O是一种温室气体,具有温室效应,加剧全球变暖,在大气中存留时间长,可输送到平流层,导致臭氧层破坏,引起臭氧空洞。无土栽培基质已成为SCS中N2O排放的主要载体,但尚不清楚其产生和消耗的相关途径,因此亟待研究SCS无土栽培基质的N2O排放源。且无土栽培基质与土壤理化和生物性质高度不同,其具有更准确的水和养分分布,因此也有必要确定管理措施对SCS中N2O排放的影响。基于此,在本文中,来自中国农业科学...
2022 - 12 - 30
松材线虫病(PWD),是由松材线虫(Bursaphelenchus xylophilus)引起的具有毁灭性的国际森林病害之一,可以在几个月内对松林造成快速、大面积的危害,已对我国造成了巨大的生态和经济损失。因此,及时的监测措施非常必要。高光谱遥感可以获取数百个波段和连续波长的数据来捕获受危害树木的生理变化,有助于检测早期病虫害。而基于无人机的高光谱成像仪可以准确观测树木冠层的变化,成为评估森林健康情况的有效工具。然而,以往的研究大多使用单日的无人机高光谱数据,难以监测病害发生的时间变化并确定最佳的监测时期。基于此,在本研究中,来自北京林业大学的研究团队于2021年5-10月使用多时态的数据在中国辽宁省抚顺市东洲区(124°12′36′′ -124°13′48′′ E,41°56′53′′ -41°57′46′′)进行了研究。在PWD爆发期间,作者于2...
2022 - 12 - 28
土壤质量直接影响其有机体的健康。然而,土壤容易受到人类活动的干扰,如采矿、工业化和农业活动,导致严重的土壤污染。在各种土壤污染中,有毒元素会对人类和家畜健康以及食品安全造成威胁。因此,监测这些污染类型的浓度和分布对于土壤修复项目至关重要。然而,传统采样和实验室分析方法成本高、费事费力且局限于采样点位置,不能很好地具体化浓度的空间分布。因此,需要具有高空间效应的快速有效的技术。许多研究已经利用图像光谱和其它辅助数据或环境变量来预测有毒元素的分布。而由于卫星图像中云或阴影的存在,土壤采样和图像获取日期存在差距,这种情况下,需要用到具有不同光谱和空间特征图像的融合,以增加图像的时间分辨率。Sentinel-2A是“全球环境与安全监测”计划的第二颗卫星,其携带一枚多光谱成像仪,可覆盖13个光谱波段,从可见光和近红外到短波红外,具有不同的空间分辨率。Landsat 8是美国陆地卫星计划的第八颗卫星,...
关闭窗口】【打印
Copyright ©2018-2023 北京理加联合科技有限公司
犀牛云提供企业云服务

北京理加联合科技有限公司

地址:北京市海淀区安宁庄东路18号光华创业园5号楼(生产研发)
          光华创业园科研楼四层
电话:13910499761 13910499762 010-51292601
传真:010-82899770-8014
邮箱:info@li-ca.com
邮编:100085

 

地址:深圳市宝安区创业二路玖悦雅轩商业裙楼3层瑞思BEEPLUS 3029室 手机:13910499772

 


 


  • 您的姓名:
  • *
  • 公司名称:
  • *
  • 地址:
  • *
  • 电话:
  • *
  • 传真:
  • *
  • 电子邮箱:
  • *
  • 邮政编码:
  • *
  • 留言主题:
  • *
  • 详细说明:
  • *
在线留言
关注我们
  • 官方微信
  • 官方手机端
友情链接:
X
1

QQ设置

3

SKYPE 设置

4

阿里旺旺设置

等待加载动态数据...

等待加载动态数据...

5

电话号码管理

  • 010-51292601
6

二维码管理

等待加载动态数据...

等待加载动态数据...

展开