農(nóng)作物種類高光譜遙感識(shí)別研究

王 崠，吳 見(jiàn)

(滁州學(xué)院地理信息與旅游學(xué)院，安徽 滁州 239000；安徽省地理信息集成應(yīng)用協(xié)同創(chuàng)新中心，安徽 滁州 239000)

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農(nóng)作物種類高光譜遙感識(shí)別研究

王 崠，吳 見(jiàn)

(滁州學(xué)院地理信息與旅游學(xué)院，安徽 滁州 239000；安徽省地理信息集成應(yīng)用協(xié)同創(chuàng)新中心，安徽 滁州 239000)

作物種類高光譜識(shí)別研究對(duì)發(fā)展精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)具有重要意義。通過(guò)原始反射光譜、常用指數(shù)、不同形式變換光譜及高光譜特征參數(shù)對(duì)觀測(cè)的8種農(nóng)作物的識(shí)別能力進(jìn)行分析，同時(shí)采用識(shí)別效率最高的數(shù)據(jù)變換形式構(gòu)建BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型。結(jié)果表明：8種農(nóng)作物的反射光譜曲線存在較大差異，差異最大的波長(zhǎng)位置為0.65 μm、0.78 μm、0.86 μm、0.93 μm、1.08 μm、1.19 μm；無(wú)論采用原始光譜計(jì)算的指數(shù)還是常見(jiàn)衛(wèi)星傳感器對(duì)應(yīng)通道計(jì)算的指數(shù)，識(shí)別農(nóng)作物的能力從大到小均為SR>NDVI>SAVI>DVI；高光譜特征參數(shù)SDr對(duì)作物的識(shí)別效果優(yōu)于其他光譜形式，構(gòu)建的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型隱含層節(jié)點(diǎn)數(shù)為13時(shí)總體精度最高，達(dá)91.8%。

高光譜；農(nóng)作物；識(shí)別；遙感

近年來(lái)，遙感技術(shù)在農(nóng)業(yè)資源調(diào)查、農(nóng)作物估產(chǎn)、災(zāi)害監(jiān)測(cè)、評(píng)估及預(yù)報(bào)、農(nóng)業(yè)信息管理等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[1-3]，成為農(nóng)業(yè)科學(xué)管理及其可持續(xù)發(fā)展的重要手段[4-6]。受條件限制，常規(guī)遙感技術(shù)存在明顯的不足，常常不能滿足以上領(lǐng)域更高的需求。與其他地物相比較，作物是農(nóng)業(yè)遙感的主要研究對(duì)象，而綠色植被光譜具有許多共同的特征，因此常規(guī)寬波段的光譜數(shù)據(jù)基本不能準(zhǔn)確識(shí)別不同種類的農(nóng)作物[7，8]。高光譜成像技術(shù)能夠在許多非常窄的波譜范圍內(nèi)對(duì)作物的細(xì)微差別進(jìn)行探測(cè)，使得農(nóng)作物識(shí)別精度的提高成為了可能。農(nóng)作物的準(zhǔn)確識(shí)別是作物分布范圍、類型、長(zhǎng)勢(shì)等信息提取的基礎(chǔ)，也是農(nóng)業(yè)資源調(diào)查、作物估產(chǎn)、災(zāi)害監(jiān)測(cè)等的保障。與多光譜遙感相比，高光譜遙感具有獨(dú)特的光譜優(yōu)勢(shì)，對(duì)發(fā)展精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)具有重要意義[9-11]。

本文以江淮分水嶺部分地區(qū)常見(jiàn)的8種作物為研究對(duì)象，分析了原始反射光譜、常用指數(shù)、不同形式變換光譜以及高光譜特征參數(shù)對(duì)農(nóng)作物的識(shí)別能力，在此基礎(chǔ)上選擇最佳光譜形式或參數(shù)對(duì)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行構(gòu)建，完成農(nóng)作物識(shí)別。

1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與測(cè)試方法

本研究選取的光譜測(cè)試地點(diǎn)為江淮分水嶺部分地區(qū)，選取了水稻、小麥、油菜、棉花、花生、紅薯、茄子、白菜8種農(nóng)作物作為光譜測(cè)試對(duì)象，每種作物選擇10處測(cè)試點(diǎn)，每個(gè)測(cè)試點(diǎn)選取6株測(cè)試植株，每株光譜測(cè)試3次取平均值，即每種作物共獲取60個(gè)光譜樣本。采用ASD FieldSpec Pro FR光譜儀(光譜范圍 350～2 500 nm，光譜分辨率3 nm@350～1 000 nm，10 nm@1 000～2 500 nm)，測(cè)定時(shí)間為10∶00 -14∶00，天氣晴朗無(wú)風(fēng)，探頭距離植株冠層頂約1.5 m，垂直向下。

2 結(jié)果與分析

2.1 原始反射光譜農(nóng)作物識(shí)別能力分析

首先篩選剔除測(cè)得的不同農(nóng)作物的異樣光譜曲線，對(duì)余下的有效光譜曲線進(jìn)行均值處理，獲取8種農(nóng)作物的均值光譜曲線(圖1,見(jiàn)封2)。由圖1可知，8種農(nóng)作物的光譜曲線存在較大的差異，如在0.4～0.71 μm光譜區(qū)間內(nèi)，花生的光譜反射率明顯比其他7種農(nóng)作物的反射率高；在0.75～1.20 μm光譜區(qū)間內(nèi)，8種農(nóng)作物的光譜差異均較明顯，此光譜區(qū)間應(yīng)當(dāng)作為農(nóng)作物識(shí)別的重點(diǎn)研究范圍；在大于1.20 μm的光譜區(qū)間內(nèi)，油菜的光譜反射率最低，其次是小麥，而花生、棉花、白菜的反射率交替升高或降低。這些光譜差異產(chǎn)生的原因較多，有作物自身的原因，如開(kāi)花量、葉綠素含量、含水量等，也有外界環(huán)境的影響因素，如周圍作物種類、土壤背景、植株大小等。根據(jù)不同作物間光譜差異最大的原則，本研究選取了6個(gè)不同波長(zhǎng)處的反射率光譜，作為農(nóng)作物識(shí)別的最佳光譜，具體波長(zhǎng)位置為：0.65 μm、0.78 μm、0.86 μm、0.93 μm、1.08 μm、1.19 μm。

2.2 常用指數(shù)農(nóng)作物識(shí)別能力分析

2.2.1 原始光譜計(jì)算的指數(shù)農(nóng)作物識(shí)別能力 本研究選取了土壤調(diào)節(jié)植被指數(shù)(Soil Adjustment Vegetation Index，SAVI)、差值植被指數(shù)(Difference Vegetation Index，DVI)、歸一化植被指數(shù)(Normalized Difference Vegetation Index，NDVI)、簡(jiǎn)單比值植被指數(shù)(Simple Ratio，SR)，分析常見(jiàn)植被指數(shù)的農(nóng)作物識(shí)別能力。采用兩種方式計(jì)算這4種植被指數(shù)：一是根據(jù)近紅外與綠光波段的反射率進(jìn)行計(jì)算；二是根據(jù)近紅外與紅光波段的反射率進(jìn)行計(jì)算(近紅外、紅光和綠光的具體波段選擇常見(jiàn)衛(wèi)星傳感器相應(yīng)通道的中間波長(zhǎng)，即0.83 μm、0.66 μm、0.56 μm)。從表1可以看出，采用方式一和方式二計(jì)算4種不同指數(shù)對(duì)農(nóng)作物進(jìn)行識(shí)別時(shí)，方差最大的指數(shù)均為SR。采用方式一時(shí)，SAVI和NDVI的方差均為0.03，DVI的方差最小，僅為0.02；采用方式二時(shí)，NDVI的方差為0.08，優(yōu)于SAVI和DVI，DVI的方差仍然最小，僅為0.04。綜合比較分析可知，原始光譜采用兩種方式計(jì)算的指數(shù)識(shí)別農(nóng)作物的能力從大到小均為SR>NDVI>SAVI>DVI。

表1 原始光譜計(jì)算的指數(shù)農(nóng)作物識(shí)別能力分析

Table 1 Crop identification capability analysis of index calculated by original spectrum

水稻小麥油菜棉花花生紅薯茄子白菜方差方式一方式二SAVI0．540．600．430．370．150．700．550．660．03DVI0．380．440．290．220．110．610．460．550．02NDVI0．690．720．570．550．190．760．610．740．03SR12．2110．456．222．071．1516．476．0616．8632．00SAVI0．640．660．520．250．060．800．630．770．06DVI0．420．480．330．160．050．660．510．600．04NDVI0．850．830．720．350．070．890．720．890．08SR5．506．193．663．451．467．414．096．743．47

2.2.2 常見(jiàn)衛(wèi)星傳感器對(duì)應(yīng)通道計(jì)算的指數(shù)農(nóng)作物識(shí)別能力 由于IKONOS、QUICKBIRD、ETM+等常用衛(wèi)星傳感器的近紅外、紅光、綠光通道對(duì)應(yīng)的光譜范圍是相同的，即這些衛(wèi)星傳感器的近紅外通道均在0.76～0.90 μm，紅光通道均在0.63～0.69 μm，綠光通道均在0.52～0.60 μm。因此，只要計(jì)算出0.76～0.90 μm、0.63～0.69 μm和0.52～0.60 μm范圍的光譜，即可代表IKONOS、QUICKBIRD、ETM+等常用衛(wèi)星傳感器的近紅外、紅光、綠光通道。采用預(yù)定義濾波函數(shù)對(duì)8種農(nóng)作物的反射光譜進(jìn)行重采樣，得到IKONOS、QUICKBIRD、ETM+等常用衛(wèi)星傳感器的近紅外、紅光、綠光通道光譜。然后，對(duì)獲取的數(shù)據(jù)按照原始光譜的兩種方式進(jìn)行植被指數(shù)計(jì)算，據(jù)此分析常見(jiàn)衛(wèi)星傳感器對(duì)應(yīng)通道計(jì)算的指數(shù)農(nóng)作物識(shí)別能力。由表2可知，采用方式一和方式二計(jì)算4種不同指數(shù)對(duì)農(nóng)作物進(jìn)行識(shí)別時(shí)，方差最大的指數(shù)仍為SR。采用方式一時(shí)，NDVI 的方差為0.04，SAVI和DVI的方差最小，均為0.03；采用方式二時(shí)，NDVI的方差為0.10，優(yōu)于SAVI和DVI，DVI的方差仍然最小，僅為0.04。綜合比較分析可知，常見(jiàn)衛(wèi)星傳感器對(duì)應(yīng)通道兩種方式計(jì)算的指數(shù)農(nóng)作物識(shí)別能力從大到小均為SR>NDVI>SAVI>DVI。

表2 常見(jiàn)衛(wèi)星傳感器對(duì)應(yīng)通道計(jì)算的指數(shù)農(nóng)作物識(shí)別能力分析

Table 2 Crop identification capability analysis of index calculated by corresponding channel of common satellite sensor

水稻小麥油菜棉花花生紅薯茄子白菜方差方式一方式二SAVI0．510．670．640．280．200．620．510．720．03DVI0．360．510．460．130．150．530．420．610．03NDVI0．710．780．830．450．240．680．570．800．04SR13．7310．328．401．891．2316．245．9116．8932．34SAVI0．660．730．760．160．100．720．590．830．07DVI0．410．550．510．080．090．580．470．660．04NDVI0．890．891．030．260．110．810．680．950．10SR6．156．144．973．201．557．273．986．793．40

2.3 不同數(shù)據(jù)變換形式對(duì)農(nóng)作物的識(shí)別能力分析

為了分析不同數(shù)據(jù)變換形式對(duì)農(nóng)作物識(shí)別的能力，本研究對(duì)原始反射率光譜λ進(jìn)行如下變換：歸一化變換(Nλ)、歸一化后倒數(shù)的對(duì)數(shù)變換(log(1/Nλ))、一階微分(First order Differential，F(xiàn)D)(波長(zhǎng)間隔為2 nm、4 nm、6 nm、8 nm、10 nm、15 nm)、倒數(shù)(1/λ)、倒數(shù)的對(duì)數(shù)(log(1/λ))以及倒數(shù)對(duì)數(shù)的一階微分(FD(log(1/λ))) (波長(zhǎng)間隔為2 nm、4 nm、6 nm、8 nm、10 nm、15 nm)。

圖2(見(jiàn)封2)是對(duì)原始反射率光譜λ進(jìn)行的一階微分變換FD(波長(zhǎng)間隔2 nm)。從圖2可以看出，在部分波長(zhǎng)范圍內(nèi)不同農(nóng)作物光譜的一階微分值存在一定的差異，如在0.40～0.51 μm波段范圍內(nèi)，花生的一階微分光譜明顯比其他7種農(nóng)作物高；在0.51～0.61 μm波段范圍內(nèi)，紅薯、油菜、小麥等作物的一階微分光譜均出現(xiàn)了一個(gè)正的峰和負(fù)的谷，而花生、棉花等的一階微分光譜均為正值；在0.71～0.77 μm波段范圍內(nèi)，8種農(nóng)作物的一階微分光譜值均存在較大的差異，是一階微分光譜區(qū)分各種農(nóng)作物的理想光譜區(qū)間；在大于0.92 μm波段范圍內(nèi)，農(nóng)作物均出現(xiàn)了各自的反射峰和吸收谷。根據(jù)不同作物間光譜差異最大的原則，本研究選取了6個(gè)不同波長(zhǎng)處的一階微分變換光譜FD (波長(zhǎng)間隔2 nm)，作為農(nóng)作物識(shí)別的最佳光譜，具體波長(zhǎng)位置為：0.73 μm、0.77 μm、0.94 μm、1.33 μm、1.40 μm、1.56 μm。同理，其他光譜變換形式的最佳光譜波長(zhǎng)位置見(jiàn)表3。

表3 不同形式變換光譜的最佳波長(zhǎng)位置

Table 3 The best wavelength position of different spectral transform forms

123456FD(波長(zhǎng)間隔4nm)0．680．720．891．291．461．69FD(波長(zhǎng)間隔6nm)0．710．820．951．161．381．54FD(波長(zhǎng)間隔8nm)0．750．790．991．351．421．60FD(波長(zhǎng)間隔10nm)0．800．931．261．321．451．62FD(波長(zhǎng)間隔15nm)0．821．051．221．411．531．751/λ0．430．560．680．891．351．66log(1/λ)0．890．931．181．361．822．01FD(log(1/λ))(波長(zhǎng)間隔2nm)0．530．750．821．321．591．98FD(log(1/λ))(波長(zhǎng)間隔4nm)0．660．810．951．461．802．13FD(log(1/λ))(波長(zhǎng)間隔6nm)0．680．760．981．521．912．11FD(log(1/λ))(波長(zhǎng)間隔8nm)0．620．751．031．561．982．16FD(log(1/λ))(波長(zhǎng)間隔10nm)0．590．720．991．682．092．23FD(log(1/λ))(波長(zhǎng)間隔15nm)0．500．590．871．741．902．21Nλ0．991．571．762．052．162．30log(1/Nλ)0．780．951．351．581．902．08

2.4 高光譜特征參數(shù)對(duì)農(nóng)作物的識(shí)別能力分析

參考前人研究成果[12,13]，選取了光譜位置參數(shù)(SL)、植被指數(shù)參數(shù)(VI)、光譜面積參數(shù)(SA)等14個(gè)高光譜特征參數(shù)，各參數(shù)的具體定義見(jiàn)表4。

表4 高光譜特征參數(shù)的定義

Table 4 Definition of hyperspectral characteristic parameter

特征參數(shù)參數(shù)說(shuō)明特征參數(shù)參數(shù)說(shuō)明光譜位置參數(shù)(SL)植被指數(shù)參數(shù)(VI)Rg波長(zhǎng)在510～560nm內(nèi)最大反射率VI1(Rg-Rr)/(Rg+Rr)Rr波長(zhǎng)在640～680nm內(nèi)最小反射率VI2Rg/RrDb藍(lán)邊490～530nm內(nèi)一階微分最大值VI3(SDr-SDb)/(SDr+SDb)Dy黃邊550～582nm內(nèi)一階微分最大值VI4SDr/SDbDr紅邊680～780nm內(nèi)一階微分最大值VI5(SDr-SDy)/(SDr+SDy)光譜面積參數(shù)(SA)VI6SDr/SDySDb藍(lán)邊490～530nm一階微分值和SDy黃邊550～582nm一階微分值和SDr紅邊680～780nm一階微分值和

根據(jù)8種農(nóng)作物不同高光譜特征參數(shù)的值對(duì)不同農(nóng)作物各光譜參數(shù)的方差進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果見(jiàn)表5。從表5可以看出，不同高光譜特征參數(shù)8種農(nóng)作物之間的方差存在較大的差異，其中方差最大的是SDr，達(dá)到11.22，也就意味著該特征參數(shù)是選取的14種特征參數(shù)中識(shí)別這8種農(nóng)作物能力最強(qiáng)的，其次是VI2，方差為8.92。方差大于1的特征參數(shù)還包括Db、Dy、Dr、VI4、SDy，其他的特征參數(shù)方差都小于1。

表5 高光譜特征參數(shù)農(nóng)作物識(shí)別能力分析

Table 5 Crop identification capability analysis of hyperspectral characteristic parameters

水稻小麥油菜棉花花生紅薯茄子白菜方差Rg0．090．090．110．090．240．100．150．100．02Rr0．040．050．060．130．300．040．080．030．06Db0．440．510．870．722．040．481．000．452．03Dy0．750．861．411．133．130．871．620．814．41Dr0．971．041．553．161．241．131．801．103．71VI10．180．200．300．230．640．210．350．200．16VI20．520．680．861．963．790．601．420．538．92VI30．150．190．240．560．650．160．400．150．28VI41．081．340．790．310．582．151．731．883．02VI50．400．440．340．220．300．580．510．550．11VI61．250．670．780．741．321．081．661．230．82SDb0．880．980．630．860．761．321．071．260．40SDy0．481．771．231．400．252．361．012．123．88SDr1．052．962．082．291．063．910．373．5211．22

整體上，一階微分處理后的紅邊、黃邊及藍(lán)邊相關(guān)的特征參數(shù)對(duì)識(shí)別這8種農(nóng)作物的效果較好，部分植被指數(shù)參數(shù)也具有較強(qiáng)的識(shí)別農(nóng)作物的能力。

2.5 基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的農(nóng)作物識(shí)別

隨機(jī)選取30條實(shí)測(cè)的光譜作為建模數(shù)據(jù)集，20條實(shí)測(cè)的光譜作為預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)集，采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型對(duì)不同數(shù)據(jù)變換形式光譜或特征參數(shù)的農(nóng)作物識(shí)別精度分別進(jìn)行測(cè)試。選取不同農(nóng)作物間光譜差異最大的原始反射率和不同形式變換光譜的前6個(gè)特征波長(zhǎng)處的光譜，以及對(duì)8種農(nóng)作物識(shí)別能力最強(qiáng)的兩種植被指數(shù)和方差大于1的高光譜特征參數(shù)作為BP網(wǎng)絡(luò)模型的輸入數(shù)據(jù)，以8種農(nóng)作物的編碼(1～8的整數(shù))作為BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的輸出變量。最終，選取識(shí)別精度最高的數(shù)據(jù)變換形式，構(gòu)建BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行農(nóng)作物識(shí)別。原始反射率、不同數(shù)據(jù)變換形式、兩種植被指數(shù)和方差大于1的高光譜特征參數(shù)對(duì)8種農(nóng)作物識(shí)別的精度見(jiàn)表6。由表6可知，不同的數(shù)據(jù)變換形式中或者特征參數(shù)對(duì)農(nóng)作物的識(shí)別精度有一定的差異。其中高光譜特征參數(shù)SDr對(duì)8種農(nóng)作物的識(shí)別精度最高，達(dá)88.9%;VI2的識(shí)別精度僅次于SDr，達(dá)87.3%;原始反射率光譜(NO)的識(shí)別精度為85.2%，但原始反射率光譜對(duì)農(nóng)作物的識(shí)別精度并不是最低的，也就是說(shuō)采用不同的光譜變換形式或者特征參數(shù)對(duì)農(nóng)作物的識(shí)別效果未必就比原始反射光譜好，需要選擇合適的變換形式才有可能提高識(shí)別精度?？傮w上，一階微分和高光譜特征參數(shù)對(duì)農(nóng)作物的識(shí)別效果比倒數(shù)(1/λ)、倒數(shù)對(duì)數(shù)的一階微分FD(log(1/λ))精度高。

表6 不同數(shù)據(jù)變換形式對(duì)8種農(nóng)作物的識(shí)別精度

Table 6 Identification accuracy of eight kinds of crops for different data transformation forms

數(shù)據(jù)形式FD(波長(zhǎng)間隔2nm)FD(波長(zhǎng)間隔4nm)FD(波長(zhǎng)間隔6nm)FD(波長(zhǎng)間隔8nm)FD(波長(zhǎng)間隔10nm)FD(波長(zhǎng)間隔15nm)1/λ精度82．4%83．6%86．1%84．2%81．0%70．5%73．4%數(shù)據(jù)形式FD(log(1/λ))(波長(zhǎng)間隔2nm)FD(log(1/λ))(波長(zhǎng)間隔4nm)FD(log(1/λ))(波長(zhǎng)間隔6nm)FD(log(1/λ))(波長(zhǎng)間隔8nm)FD(log(1/λ))(波長(zhǎng)間隔10nm)FD(log(1/λ))(波長(zhǎng)間隔15nm)log(1/λ)精度78．1%82．2%86．8%84．7%76．9%75．8%83．9%數(shù)據(jù)形式Nλlog(1/Nλ)NOSR(方式一)SR(方式二)SDrVI2精度85．7%86．4%85．2%87．1%84．8%88．9%87．3%數(shù)據(jù)形式VI4SDyDbDyDr精度83．2%84．5%81．6%85．5%84．1%

根據(jù)上述分析，本研究選取高光譜特征參數(shù)SDr進(jìn)行BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建。通過(guò)反復(fù)測(cè)試，將BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)設(shè)置為：動(dòng)態(tài)參數(shù)0.5、迭代次數(shù)1 500、SIGMOID參數(shù)0.8、允許誤差0.00005、輸出層節(jié)點(diǎn)數(shù)1、最小訓(xùn)練速率0.1、輸入層節(jié)點(diǎn)數(shù)25。在建模時(shí)主要通過(guò)隱含層節(jié)點(diǎn)數(shù)的調(diào)整實(shí)現(xiàn)模型結(jié)構(gòu)優(yōu)化，直至擬合殘差最小(表7)。由表7可知，當(dāng)隱含層節(jié)點(diǎn)數(shù)為13時(shí)，總體精度達(dá)到最高，為91.8%。在8種農(nóng)作物中，芝麻的平均識(shí)別精度最高，各隱含層節(jié)點(diǎn)的平均精度達(dá)88.0%，其次是大豆，達(dá)86.5%，識(shí)別精度最低的作物是小麥，平均精度僅為82.8%。

表7 不同隱含層節(jié)點(diǎn)對(duì)8種農(nóng)作物的識(shí)別精度

Table 7 Identification accuracy of 8 kinds of crop for different hidden layer nodes

隱含層節(jié)點(diǎn)數(shù)小麥玉米大豆油菜棉花芝麻番茄辣椒總精度380．982．584．684．782．986．182．784．683．6581．582．285．285．685．686．482．382．183．9783．385．187．085．486．688．885．086．786．0985．686．389．689．990．191．586．787．288．31187．587．290．990．891．292．387．488．789．51389．590．193．193．593．594．390．290．091．81586．387．589．890．289．390．587．788．388．71781．282．884．985．083．286．483．084．984．01976．978．980．979．280．582．978．880．679．82175．976．679．579．979．980．776．776．578．2平均值82．883．986．586．486．388．084．084．9

3 討論

通過(guò)原始反射光譜農(nóng)作物識(shí)別能力分析可知8種農(nóng)作物的光譜曲線存在較大的差異，主要的原因有：1)雖然觀測(cè)光譜的時(shí)間一致，但不同作物在同一時(shí)間的生長(zhǎng)期不同；2)不同作物的生長(zhǎng)密度、植株大小、葉片特征、枝葉比例等都不相同，如水稻的生長(zhǎng)密度大且面積廣，觀測(cè)不受地面土壤光譜干擾，但花生生長(zhǎng)密度較小且緊貼地面，觀測(cè)時(shí)難免受到部分地面土壤光譜干擾。因此，在不同因素的影響下，使得觀測(cè)的原始光譜本身在某些敏感波段會(huì)存在較大差異，這也是高光譜能夠識(shí)別不同作物的原因。

不同植被指數(shù)識(shí)別農(nóng)作物時(shí)，其識(shí)別能力差異較大，差值和歸一化植被指數(shù)的識(shí)別能力較弱，比值植被指數(shù)相對(duì)較強(qiáng)。這主要是因?yàn)橹脖恢笖?shù)本身主要用于區(qū)分植被與非植被，區(qū)分植被種類的效果相對(duì)較差，差值和歸一化植被指數(shù)的取值在0～1之間，且不同作物種類之間的值較為接近，而比值植被指數(shù)的取值大于0均可，放大了不同作物間的取值。因此，比值植被指數(shù)的效果相對(duì)較好。

部分?jǐn)?shù)據(jù)變換形式以及高光譜特征參數(shù)可以在原始光譜的基礎(chǔ)上擴(kuò)大不同作物種類的差異，如FD(波長(zhǎng)間隔6 nm)、FD(log(1/λ))(波長(zhǎng)間隔6 nm)、Nλ、log(1/Nλ)、SR(方式一)、SDr、VI2、Dy，其識(shí)別效果優(yōu)于原始光譜；而部分?jǐn)?shù)據(jù)變換形式以及高光譜特征參數(shù)反而在原始光譜的基礎(chǔ)上縮小了不同作物間的差異，如FD(波長(zhǎng)間隔2 nm)、1/λ、Db，其識(shí)別精度低于原始光譜。

4 結(jié)論

本研究以水稻、小麥、油菜、棉花、花生、紅薯、茄子、白菜8種農(nóng)作物作為研究對(duì)象，通過(guò)原始反射光譜、常用指數(shù)、不同形式變換光譜以及高光譜特征參數(shù)對(duì)農(nóng)作物的識(shí)別能力分析，發(fā)現(xiàn)8種農(nóng)作物的反射光譜曲線存在較大的差異，差異最大的波長(zhǎng)位置為0.65 μm、0.78 μm、0.86 μm、0.93 μm、1.08 μm、1.19 μm；無(wú)論采用原始光譜計(jì)算的指數(shù)還是常見(jiàn)衛(wèi)星傳感器對(duì)應(yīng)通道計(jì)算的指數(shù)，識(shí)別農(nóng)作物的能力從大到小均為SR>NDVI>SAVI>DVI；高光譜特征參數(shù)中，SDr對(duì)8種農(nóng)作物的識(shí)別能力最強(qiáng)，其次是VI2。綜合比較發(fā)現(xiàn)，高光譜特征參數(shù)SDr對(duì)8種農(nóng)作物的識(shí)別精度最高，達(dá)88.9%，優(yōu)于其他光譜形式的識(shí)別效果。最終，選取SDr構(gòu)建BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，當(dāng)隱含層節(jié)點(diǎn)數(shù)為13時(shí)，總體精度達(dá)到最高，為91.8%。

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Study on Crop Variety Identification by Hyperspectral Remote Sensing

WANG Dong,WU Jian

(CollegeofGeographyInformationandTourism,ChuzhouUniversity,Chuzhou239000;AnhuiCenterforCollaborativeInnovationinGeographicalInformationIntegrationandApplication,Chuzhou239000,China)

Identification research on crop types using hyperspectral technology has very important significance for the development of precision agriculture.Original reflection spectrum,commonly used index,different forms of transformation spectrum and hyperspectral characteristic parameters were used to identify the observed 8 kinds of crops.And the data transformation with the highest recognition efficiency was selected to construct the BP neural network model.The results showed that the spectral curve of the 8 kinds of crops had biggish difference,and the wavelength position with the biggest difference were 0.65 μm,0.78 μm,0.86 μm,0.93 μm,1.08 μm,1.19 μm.The index was calculated by the original spectrum or corresponding channel of common satellite sensor,and the ability of identifying crops from big to small was SR > NDVI > SAVI > DVI.The crops recognition effect of hyperspectral characteristic parametersSDrwas superior to other spectrum forms.When the number of hidden layer nodes was 13,the overall accuracy of the BP neural network model was the highest with 91.8%.

hyperspectral；crops；recognition；remote sensing

2014-06-19；

2014-08-12

滁州學(xué)院科研項(xiàng)目(2014PY07);滁州學(xué)院校級(jí)科研啟動(dòng)基金項(xiàng)目(2012qd18);安徽高等學(xué)校省級(jí)自然科學(xué)研究項(xiàng)目(KJ2013B189)

王崠(1980-)，男，碩士，講師，主要從事區(qū)域地理與GIS應(yīng)用研究。E-mail:wangdong060830@126.com

10.3969/j.issn.1672-0504.2015.02.007

S127

A

1672-0504(2015)02-0029-05