基于高光谱成像技术的油菜除草剂胁迫诊断及生理信息检测研究

发布时间：2017-05-17 13:19

  本文关键词：基于高光谱成像技术的油菜除草剂胁迫诊断及生理信息检测研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：精细农业是一种既能提高农业产量与品质,又能优化资源利用率、保护生态环境等多目标优化的新型农业,是我国发展现代农业、缓解资源环境压力、促进农民增收农业增效、推进智能农业装备技术、实现可持续发展的必由之路。农田作物生理信息的获取是精细农业信息获取的关键和核心问题之一,传统方法对作物生理信息的获取敏锐性不足、耗时费力,不能实现实时动态监测。作物生理信息快速无损检测技术能够对农情状态进行快速、实时的监测和诊断,且不破坏作物,为农业生产管理提供基础信息,提高了农业管理决策的科学性和预见性,促进传统的经验型农业向数字化、精细化、智能化的现代农业转变。本研究以在我国种植广泛、具有较好的经济价值的甘蓝型油菜为研究对象,应用光谱、成像和图谱融合技术实现了3种油菜常用化学除草剂的胁迫诊断和油菜生理指标的快速测定,对油菜生产过程的数字化、精细化和科学化管理决策提供了技术支持,对发展绿色农业,实施农药减施技术,提高油菜籽的产量和品质具有重要意义。主要研究结论如下：(1)提出了3种油菜除草剂(草除灵、丙酯草醚及胺苯磺隆)胁迫诊断的特征波长选取方法,建立了油菜不同生长期不同除草剂随施药时间的胁迫程度诊断模型,结合植被指数显著性分析实现了大田和盆栽油菜除草剂药害的快速诊断。针对油菜3种常用除草剂施药后的胁迫效应(大田试验为施药后7、14和21天；盆栽试验为施药后12、24、36、48和72小时),提出了特征波长提取的二阶导数法,分别提取除草剂胁迫程度和种类诊断的特征波长,建立了支持向量机判别模型,结果表明：①针对油菜施药后的胁迫程度的最佳诊断时间,苗期草除灵为施药后21天(大田)和36小时(盆栽),与植被指数RVSI与PRI显著相关；苗期丙酯草醚为施药后7天(大田)和12小时(盆栽),与植被指数DVI、PRI和VSR显著相关；苗期胺苯磺隆为施药后48小时(盆栽),与植被指数DVI、GNDVI、RVSI和SIPI显著相关；抽薹期草除灵胁迫程度与植被指数GNDVI、SIPI和VSR显著相关,胺苯磺隆与植被指数PRI显著相关。②针对除草剂种类的胁迫诊断,苗期大田试验中丙酯草醚与草除灵的支持向量机模型区分识别率为96.3%(施药21天),盆栽试验中胺苯磺隆与丙酯草醚和草除灵的区分识别率为80.00%左右；抽薹期大田试验中草除灵与胺苯磺隆的区分识别率为100%(施药14天)。(2)研究了基于空间灰度共生矩阵不同方向角(0。、45。、90。、135。和平均角度)的纹理信息提取方法,建立了油菜不同生长期3种除草剂胁迫程度的纹理信息诊断模型和特征光谱-纹理信息融合诊断模型,实现了除草剂胁迫程度的多源信息融合诊断。研究提取了特征波长图像上基于空间灰度共生矩阵不同方向角(0°、45°、90°、135。和平均角度)的8个纹理信息(均值、方差、逆差矩、对比度、非相似度、熵、角二阶矩和相关性),建立了除草剂胁迫程度诊断的支持向量机模型,结果表明：①纹理信息诊断模型的最佳输入变量为135。方向上的纹理信息；②草除灵、丙酯草醚、胺苯磺隆的胁迫程度诊断最优模型分别为融合诊断模型(施药7天,识别率为86.67%)、纹理信息模型(施药14天,识别率为93.3%)、融合诊断模型(施药7天,识别率为85.0%)。(3)提出了光谱数据组合预处理方法和特征波长提取方法,建立了油莱苗期和抽薹期叶片生理信息的全谱和特征波长快速无损检测模型。针对除草剂胁迫下油菜叶片生理信息(丙二醛含量MDA、过氧化物酶活性POD、超氧化物歧化酶活性SOD和可溶性蛋白含量),建立了不同组合预处理下的偏最小二乘法PLS、最小二乘-支持向量机LS-SVM和极限学习机ELM预测模型,结果表明：①对MDA的预测,苗期和抽薹期的最优模型分别为基于特征波长的ELM模型(Rp=0.929)和全谱PLS模型(Rp=0.923)；②对POD的预测,苗期和抽薹期的最优模型分别为基于特征波长的PLS模型(Rp=0.877)和基于特征波长的ELM模型(Rp=0.920)；③对SOD的预测,苗期和抽薹期的最优模型分别为基于特征波长的PLS模型(Rp=0.936)和基于特征波长的ELM模型(Rp=0.798)；④对可溶性蛋白含量的预测,苗期和抽薹期的最优模型分别为全谱PLS模型(Rp=0.931)和基于特征波长的ELM模型(Rp=0.934)；⑤针对4个生理指标,分别选取不同年度(2011和2012年度)相同的特征波长所建最优模型的预测相关系数均大于0.825。(4)应用高光谱成像技术“图谱合一”的特性,建立了油菜叶片MDA、POD、SOD和可溶性蛋白含量的PLS预测模型,构建了油菜叶片4种生理指标预测分布图,首次实现了非生物胁迫下油菜叶片生理信息的分布可视化,为逆境植物生理学的研究提供了新的手段。
【关键词】：精细农业 油菜 除草剂 高光谱成像技术 生理信息 可视化 波长选择 极限学习机
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：S451.223
【目录】：

• 致谢7-9
• 摘要9-11
• Abstract11-22
• 主要缩略词表22-24
• 第一章 绪论24-32
• 1.1 研究背景及意义24-26
• 1.2 作物生理信息检测研究现状26-29
• 1.3 高光谱检测作物叶片生理信息的原理29-30
• 1.4 研究内容与技术路线30-31
• 1.5 本章小结31-32
• 第二章 材料与方法32-49
• 2.1 试验材料32
• 2.2 高光谱成像数据采集系统32-36
• 2.3 化学值测量方法36-37
• 2.3.1 可溶性蛋白含量测定方法36
• 2.3.2 丙二醛含量测定方法36-37
• 2.3.3 过氧化物酶活性测定方法37
• 2.3.4 超氧化物歧化酶活性测定方法37
• 2.4 数据预处理方法37-40
• 2.4.1 平滑处理37-38
• 2.4.2 多元散射校正和变量标准化38-39
• 2.4.3 导数光谱39
• 2.4.4 去趋势处理39
• 2.4.5 基线校正39-40
• 2.5 特征波长提取方法40-42
• 2.5.1 连续投影算法40
• 2.5.2 无信息变量消除法40-41
• 2.5.3 竞争性自适应加权采样法41-42
• 2.5.4 加权回归系数法42
• 2.6 图像特征提取方法42-44
• 2.6.1 目标信息提取方法42
• 2.6.2 纹理特征42-44
• 2.7 化学计量学建模方法44-47
• 2.7.1 偏最小二乘回归44-45
• 2.7.2 最小二乘-支持向量机45-46
• 2.7.3 极限学习机46-47
• 2.8 模型评价标准47
• 2.9 本章小结47-49
• 第三章 基于光谱信息的油菜除草剂胁迫快速诊断方法49-81
• 3.1 引言49-51
• 3.2 试验设计与试验样本制备51-53
• 3.2.1 油菜样本栽培试验51
• 3.2.2 油菜叶片苗期、抽薹期样本制备51-52
• 3.2.3 油菜叶片高光谱成像数据信息采集52-53
• 3.3 基于光谱信息的油菜苗期叶片除草剂胁迫快速诊断方法53-74
• 3.3.1 油菜苗期叶片的光谱特性53-54
• 3.3.2 特征波长提取54-61
• 3.3.3 基于特征波长的同种除草剂胁迫程度判别模型61-63
• 3.3.4 基于特征波长的不同种类除草剂胁迫判别模型63-67
• 3.3.5 植被指数分析67-74
• 3.4 基于光谱信息的油菜抽薹期叶片除草剂胁迫快速诊断方法74-79
• 3.4.1 油菜抽薹期叶片的光谱特性74-75
• 3.4.2 特征波长提取75-76
• 3.4.3 基于特征波长的同种除草剂胁迫程度判别模型76
• 3.4.4 基于特征波长的不同种类除草剂胁迫判别模型76-77
• 3.4.5 植被指数分析77-79
• 3.5 本章小结79-81
• 第四章 基于纹理特征的油菜除草剂胁迫快速诊断方法81-96
• 4.1 引言81-82
• 4.2 图像纹理特征提取方法及意义82-83
• 4.3 基于纹理特征的草除灵胁迫程度诊断83-86
• 4.4 基于纹理特征的丙酯草醚胁迫程度诊断86-88
• 4.5 基于纹理特征的胺苯磺隆胁迫程度诊断88-89
• 4.6 特征波长与纹理特征量融合建模89-94
• 4.7 本章小结94-96
• 第五章 基于高光谱信息的油菜叶片除草剂胁迫下生理指标快速检测方法96-127
• 5.1 引言96-97
• 5.2 试验样本制备97
• 5.3 除草剂胁迫下油菜叶片丙二醛含量的高光谱检测方法97-104
• 5.3.1 油菜鲜叶样本MDA含量统计分析97-98
• 5.3.2 基于全谱的油菜叶片MDA含量的PLS预测模型98-99
• 5.3.3 油菜叶片MDA含量预测的特征波长选取99-100
• 5.3.4 基于特征波长的油菜叶片MDA含量的预测模型100-104
• 5.4 除草剂胁迫下油菜叶片过氧化物酶高光谱检测方法104-110
• 5.4.1 油菜鲜叶样本POD活性统计分析104
• 5.4.2 基于全谱的油菜叶片POD活性的PLS预测模型104-106
• 5.4.3 油菜叶片POD活性预测的特征波长选取106
• 5.4.4 基于特征波长的油菜叶片POD活性的预测模型106-110
• 5.5 除草剂胁迫下油菜叶片超氧化物歧化酶高光谱检测方法110-116
• 5.5.1 油菜鲜叶样本SOD活性统计分析110
• 5.5.2 基于全谱的油菜叶片SOD活性的PLS预测模型110-112
• 5.5.3 油菜叶片SOD活性预测的特征波长选取112
• 5.5.4 基于特征波长的油菜叶片SOD活性的预测模型112-116
• 5.6 除草剂胁迫下油菜叶片可溶性蛋白含量高光谱检测方法116-124
• 5.6.1 油菜鲜叶样本可溶性蛋白含量统计分析117
• 5.6.2 基于全谱的油菜叶片可溶性蛋白含量的PLS预测模型117-118
• 5.6.3 油菜叶片可溶性蛋白含量预测的特征波长选取118-119
• 5.6.4 基于特征波长的油菜叶片可溶性蛋白含量的预测模型119-124
• 5.7 本章小结124-127
• 第六章 基于高光谱成像技术的油菜除草剂胁迫下生理参数的可视化研究127-139
• 6.1 引言127-130
• 6.2 丙二醛含量空间分布成像图的获取130-132
• 6.3 过氧化物酶活性空间分布成像图的获取132-134
• 6.4 超氧化物歧化酶活性空间分布成像图的获取134-135
• 6.5 可溶性蛋白含量空间分布成像图的获取135-138
• 6.6 本章小结138-139
• 第七章 结论与展望139-142
• 7.1 主要研究结论139-140
• 7.2 主要创新点140-141
• 7.3 进一步研究展望141-142
• 参考文献142-149
• 作者简介149-

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7 刘代平;不同油菜品种氮素吸收利用特性与氮效率差异的比较研究[D];湖南农业大学;2006年

8 杨交礼;两种新型药物对油菜的杀雄效果及机制研究[D];湖南农业大学;2006年

9 刘士寻;油菜抗菌核病蛋白的分离、纯化及鉴定的研究[D];湖南农业大学;2006年

10 邹望好;两个油菜品种抗非生物胁迫特性的差异及其生理生化基础[D];北京林业大学;2006年

  本文关键词：基于高光谱成像技术的油菜除草剂胁迫诊断及生理信息检测研究，，由笔耕文化传播整理发布。

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