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 | 融合SIF与PRI的深度学习模型精准估算水分胁迫下冬小麦蒸散

日期: 2026-03-09
浏览次数: 175

ASD | 融合SIF与PRI的深度学习模型精准估算水分胁迫下冬小麦蒸散

研究背景

在陆地生态系统的水循环中,蒸散是连接地表与大气水分和能量交换的关键途径。尤其对于农田生态系统而言,准确估算作物的实际蒸散量,不仅有助于理解作物水分利用效率,还能为农业水资源管理和干旱应对提供科学依据。然而,现有的估算方法却面临诸多挑战:

(1)传统气象模型:理论基础扎实,但依赖完整的气象数据,且难以捕捉植被光合作用的生理过程;

(2)遥感指标局限性:太阳诱导叶绿素荧光(SIF)虽能直接反映光合活性,但在水分胁迫下存在响应滞后;光化学反射指数(PRI)能灵敏跟踪短期胁迫响应,但鲜少被纳入机器学习模型中;

因此,如何融合多源数据,利用深度学习挖掘气象与生理指标的协同价值,成为了提高实际蒸散量(ETc act)估算精度的新途径。近期,西北农林科技大学蔡焕杰老师的团队联合沈阳大学和石河子大学的团队在《Agricultural Water Management》期刊发表最新研究成果,该研究通过融合SIF、PRI与气象要素,结合时间卷积网络和SHAP可解释性分析,系统揭示了多源数据在水分胁迫下对作物实际蒸散量的协同作用机制。该成果不仅为精准估算农田蒸散提供了新的技术路径,也为理解作物在水分胁迫下的生理响应机制、优化农业水资源管理提供了科学支撑。

ASD | 融合SIF与PRI的深度学习模型精准估算水分胁迫下冬小麦蒸散 

图1.杨凌野外试验基地概况。注:(a) 显示了杨凌研究基地在中国西北部的具体位置。(b-f) 展示了本研究中使用的光合速率相关指标、通量和气象数据的测量系统。

研究方法

研究区域:2021年10月15日至2024年6月8日,以陕西省西北农林科技大学农业水土工程重点实验室的冬小麦农田为研究区域,开展了为期三年的冬小麦田间实验;

监测指标:连续测量水通量、CO2浓度、水汽密度、净辐射(Rn)、气温(Tair)、相对湿度(RH)、风速(WS)及不同深度土壤含水量(SWC)、SIF等指标,并通过冠层反射率计算光化学反射指数(PRI);

为了补充SIF和PRI测量,使用ASD FieldSpec 4地物光谱仪同时记录冠层反射率;

光谱性能:

光谱范围:350~2500 nm;

光谱分辨率:3 nm@700 nm,6 nm@1400 nm和2100 nm;

光谱通道数:2151 nm;

最后,对数据进行预处理,构建随机森林(RF)、支持向量回归(SVM)等机器学习模型,以及LSTM、时间卷积网络(TCN)等深度学习模型,结合交叉验证优化超参数。并引入SHAP方法对最优模型进行可解释性分析,量化各驱动因子在不同水分条件下的贡献机制。

ASD | 融合SIF与PRI的深度学习模型精准估算水分胁迫下冬小麦蒸散 

图2.2021年至2024年气象和光谱因素与ETc act之间的相关性。

ASD | 融合SIF与PRI的深度学习模型精准估算水分胁迫下冬小麦蒸散 

图3.气象和光谱因子与ETc act的相关性在干旱和非干旱条件下起作用。

ASD | 融合SIF与PRI的深度学习模型精准估算水分胁迫下冬小麦蒸散 

图4.不同模拟情景下模型估计准确度的比较。

ASD | 融合SIF与PRI的深度学习模型精准估算水分胁迫下冬小麦蒸散 

图5.最优情景下模型估算性能的比较。

ASD | 融合SIF与PRI的深度学习模型精准估算水分胁迫下冬小麦蒸散 

图6.基于SHAP的TCN模型在最优情景(S2)下对干旱和非干旱条件下特征贡献的比较。

研究结果

(1)驱动因子相关性分析:

●整体驱动因子:Rn>SIF>Tair>RH>PRI;

●非水分胁迫条件驱动因子:Rn>SIF>Tair>RH>PRI>WS;

●水分胁迫条件:RN> PRI>SIF>RH>Tair>WS;

(2)最优特征组合的确定:

●最优特征组合:情景S2(Rn + SIF + PRI + Tair)在特征维度与估算精度之间达到了最佳平衡;

(3)模型性能对比:

●时序卷积网络(TCN)在蒸散量估算中表现最佳,其次是LSTM、RF、SVM、GB;

(4)可解释性分析揭示生理机制:

●非干旱条件:ETc act主要由Rn和SIF驱动,能量供应与光合活性是核心;

●水分胁迫条件:PRI的贡献度显著上升,成为第二重要变量,表明PRI在水分胁迫下对生理反应的捕捉作用更加显著;

●生理机制:干旱诱导气孔关闭→光合电子传递受限→过剩光能通过叶黄素循环耗散→PRI灵敏下降→与蒸散降低同步;

结语

本研究通过融合气象数据与光谱指标(SIF、PRI),构建可解释的深度学习框架,实现了水分胁迫下作物实际蒸散量的高精度估算。结果表明,TCN 模型性能卓越,且 PRI 在干旱条件下具有关键互补价值。该成果不仅揭示了多源指标协同驱动蒸散的生理机制,也为作物水分效率监测提供了新技术路径。未来可进一步拓展至多站点、多作物类型,结合高分辨率卫星遥感数据,推动区域尺度蒸散估算模型的普适化发展。

发表期刊:Agricultural Water Management【影响因子:6.5】

研究单位:西北农林科技大学、沈阳大学、石河子大学

研究地点:陕西省西北农林科技大学农业水土工程重点实验室的冬小麦农田

使用设备:ASD FieldSpec 4地物光谱仪

DOI:https://doi.org/10.1016/j.agwat.2026.110223 


News / 相关新闻 More
2026 - 11 - 09
研究背景土壤有机碳(SOC)是反映土壤质量、土壤肥力及生态系统碳循环的重要指标。传统湿化学测定方法虽然准确性较高,但存在耗时长、成本高、操作复杂等问题。相比之下,可见光—近红外(Vis-NIR)光谱技术具有快速、无损、低成本等优势,为SOC快速估算提供了新的技术途径。然而,光谱预测模型高度依赖大量代表性样本。在实际调查中,受采样成本及实验条件限制,往往难以获得充足的校准数据,小样本条件下模型容易出现过拟合,影响预测精度与泛化能力。针对这一问题,外部光谱数据库迁移学习和深度生成模型数据增强成为两种潜在解决途径。但不同生成模型的增强效果如何?外部光谱库能否有效改善本地模型预测性能?数据增强倍数又将如何影响模型表现?为此,山西农业大学徐占军老师团队通过构建统一实验框架,系统比较四种深度生成模型与外部土壤光谱数据库的应用效果,探索小样本条件下SOC光谱估算的有效数据增强策略。图1.研究区域概况。研...
2026 - 11 - 09
研究背景地下水是高寒地区水循环的重要组成部分,其补给过程受到冻融循环的显著调控。随着气候变暖,青藏高原冻土退化、活动层加深,土壤水分的储存与迁移条件发生变化,进而影响降水、融雪水、土壤水与地下水之间的水文联系。然而,不同冻融阶段地下水补给来源的变化及其迁移路径仍缺乏系统认识。针对这一问题,北京师范大学李小雁老师团队以青海湖流域为研究区,结合氢氧稳定同位素示踪与MixSIAR贝叶斯混合模型,定量解析不同冻融阶段地下水的补给来源,揭示冻融过程对土壤水文连通性及地下水补给路径的影响。图1.(a) QLB在青藏高原(QTP)上的位置。(b) QLB内多年冻土的时空分布;其中灰色代表季节性冻土,橙色代表多年冻土。(c) QLB的位置及采样点分布。(d) 地下水采样。(e) 降水采样。(f) 在相邻地点每月采集土壤样品。研究方法研究设计:研究区位于青藏高原东北部青海湖流域。2025年5—10月,研究团...
2026 - 11 - 02
研究背景河流和溪流是大气甲烷(CH₄)的重要来源。已有研究发现,源头河流通常具有较高的CH₄排放强度,是河流CH₄排放的重要热点。但在高海拔冰冻圈地区,这一规律是否依然适用?受低温和有机碳底物匮乏等因素影响,该区域的CH₄过程可能受到限制。与此同时,冰川融水的持续输入也可能进一步改变河流的CH₄排放特征。那么,冰川融水究竟如何影响河流CH₄排放?其背后的作用机制又是什么?针对这一问题,兰州大学高坛光老师团队以青藏高原北部黑河上游为研究区域,通过2020—2023年连续观测,系统分析了冰川补给河流与非冰川补给河流的CH₄排放特征,并进一步探讨冰川融水对河流CH₄排放的调控机制。图1. (a) 研究区域概况。(b) 在三次不同的野外考察期间,使用浮动气室法进行气体采样的现场照片。研究方法实验设计:研究以青藏高原北缘黑河上游为研究区域。2020—202年,在该研究区域上游设置25个采样点(冰川补...
2026 - 10 - 26
研究背景漂流木在海岸生态系统中扮演着重要角色,既能拦截泥沙、保护沙丘,也能为动物栖息和植被生长提供条件。然而,漂流木常因影响海滩景观而被清理,因此,如何准确识别其分布,成为海岸带生态监测与管理的重要课题。遥感技术为地表材料识别与海岸环境监测提供了有效手段。无人机凭借高空间分辨率和灵活的采集方式,为海滩精细化调查创造了条件,但目前漂流木遥感研究仍主要集中于河流、湖泊等环境,针对海滩场景的高光谱识别研究相对有限。针对这一问题,法国佩皮尼昂大学CEFREM研究团队结合地面光谱测量与无人机高光谱影像,分析漂流木与其他地表材料的光谱差异,并比较多种分类算法的识别表现,为高光谱技术应用于海滩漂流木监测提供了研究依据。图1.研究区域的地理位置、漂流木堆积物的详细测绘图,以及本研究部分内容所用裁剪图像的范围界定。此外,还包括漂流木与芦竹样方照片,以及背景中可见的自然海滩漂浮物堆积线。研究方法研究区域:本研...
【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 13910124070  010-51292601
传真:010-82899770-8014
邮箱:info@li-ca.com
邮编:100085

 



 


 


  • 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