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基于机器学习的油茶叶片钾含量估算模型构建
1
作者 唐雪海 燕李鹏 +4 位作者 傅根深 匡帆 窦敏 黄庆丰 欧强新 《中国油料作物学报》 北大核心 2025年第2期488-501,共14页
为实现大面积油茶林生长遥感监测,构建适用于长林系列油茶钾含量估算模型,利用高光谱进行叶片钾(LKC)无损监测,探明油茶叶片钾含量与冠层光谱的响应关系。使用多元散射校正和Savitzky-Golay卷积一阶求导(SGFD)对长林系列油茶的冠层光谱... 为实现大面积油茶林生长遥感监测,构建适用于长林系列油茶钾含量估算模型,利用高光谱进行叶片钾(LKC)无损监测,探明油茶叶片钾含量与冠层光谱的响应关系。使用多元散射校正和Savitzky-Golay卷积一阶求导(SGFD)对长林系列油茶的冠层光谱进行预处理,建立多波段光谱指数组合,构建LKC最优估算模型。结果表明:LKC与原始光谱的响应在绿光和红光波段敏感区间的光谱反射率与叶片钾含量为负相关,反映养分含量变化对光合色素的整体影响;预处理效果上,SGFD整体优于多元散射校正,预处理与光谱指数的组合效果会随光谱维度的增加发生变化,冠层尺度下LKC与光谱特征的绝对值最大相关系数为0.62;混合变量选择策略VCPA-IRIV(变量组合集群分析VCPA和迭代保留信息变量IRIV的组合)对光谱变换特征具有99%以上的变量空间压缩率,有效提升了估算模型精度,经多元散射校正和SGFD预处理后的保留变量数增加,其中两波段和三波段光谱指数在入选波长组合位置上具有强弱光谱信号结合的特点。最适LKC模型是SGFD-NDSI-BPNN,R_(P)^(2)=0.84,RMSEP=0.35 g/kg,RPD=2.56。本文构建的长林系列油茶林LKC估算模型,可为大面积油茶林生长的遥感监测提供依据。 展开更多
关键词 油茶 叶片钾含量 光谱指数 多元散射校正 Savitzky-Golay卷积一阶求导 养分监测
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花山谜窟—渐江风景名胜区乔木林森林蓄积量估测
2
作者 唐雪海 钱子悦 +5 位作者 王佩 黄庆丰 左纬杰 倪辰 孔令媛 许程 《安徽农业科学》 2025年第14期121-125,170,共6页
以花山谜窟—渐江风景名胜区作为研究对象,结合Landsat遥感影像和DEM数据,综合考虑光谱、纹理、地形特征,分别使用多元线性逐步回归(MLSR)、支持向量机(SVM)、随机森林(RF)构建乔木林遥感蓄积量估算模型,并选择最优模型反演研究区乔木... 以花山谜窟—渐江风景名胜区作为研究对象,结合Landsat遥感影像和DEM数据,综合考虑光谱、纹理、地形特征,分别使用多元线性逐步回归(MLSR)、支持向量机(SVM)、随机森林(RF)构建乔木林遥感蓄积量估算模型,并选择最优模型反演研究区乔木蓄积。结果表明:对比3种模型估测结果的精度评价指标R^(2)和RMSE,MLSR的R^(2)=0.46,RMSE=113.14 m^(3)/hm^(2);SVM的R^(2)=0.57,RMSE=98.36 m^(3)/hm^(2);FM的R^(2)=0.65,RMSE=91.01 m^(3)/hm^(2);最终以RF模型为最优模型反演研究区蓄积量,得出乔木总蓄积量688 516.275 m^(3),平均蓄积量245.467 m^(3)/hm^(2)。该研究结果可为风景名胜区森林生态服务功能价值评估提供数据支撑。 展开更多
关键词 森林蓄积量 遥感反演 随机森林 支持向量机 多元线性逐步回归
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基于树木定量结构模型的单木参数提取及生物量估测
3
作者 于磊 徐佳佳 +4 位作者 倪辰 孔令瑗 黄庆丰 刘华 唐雪海 《华南农业大学学报》 北大核心 2025年第3期379-389,共11页
【目的】以安徽省天马国家级自然保护区内落叶阔叶林为研究对象,探究在复杂林境下树木定量结构模型利用无人机激光雷达数据进行单木生物量估测的应用潜力。【方法】通过地面调查和无人机获取样地与激光雷达点云数据,其中以地面数据为实... 【目的】以安徽省天马国家级自然保护区内落叶阔叶林为研究对象,探究在复杂林境下树木定量结构模型利用无人机激光雷达数据进行单木生物量估测的应用潜力。【方法】通过地面调查和无人机获取样地与激光雷达点云数据,其中以地面数据为实测参照数据。采用相对最短路径算法对雷达数据进行分割,利用树木定量结构模型提取分割后单木点云的树木参数(胸径、主干体积、枝干体积、分支数、冠层基部高度、冠层面积、冠层体积以及冠幅),并使用Pearson相关系数以及方差膨胀因子对参数进行变量筛选,最后构建基于3种机器学习算法的单木生物量估测模型。【结果】基于随机森林(RF)构建的生物量模型训练效果最佳(R^(2)=0.8800,RMSE=192.81 kg,rRMSE=29.88%),多层感知机(MLP)训练效果(R^(2)=0.8200,RMSE=236.48 kg,rRMSE=36.65%)与支持向量机(SVM)较为相近(R^(2)=0.8100,RMSE=243.67 kg,rRMSE=37.77%)。【结论】本文证实了从树木定量结构模型中所提取的树木参数能在落叶期阔叶树种中构建出精度较高的生物量估测模型,可以为复杂森林环境下的资源调查提供新方法。 展开更多
关键词 无人机激光雷达 树木定量结构模型 生物量估测 树木参数
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不同飞行高度冠层高光谱小波变换估算薄壳山核桃叶片氮素含量
4
作者 孔令瑗 黄庆丰 +2 位作者 倪辰 徐佳佳 唐雪海 《光谱学与光谱分析》 北大核心 2025年第8期2200-2209,共10页
氮素是植物体内氨基酸、蛋白质和叶绿素等物质的组成元素,在植物光合作用中起着重要的作用。利用无人机高光谱技术无损、高效地估算植物氮素含量,对及时掌控树体长势、实施精准管理具有重要意义。飞行高度直接影响植物信息获取精度与效... 氮素是植物体内氨基酸、蛋白质和叶绿素等物质的组成元素,在植物光合作用中起着重要的作用。利用无人机高光谱技术无损、高效地估算植物氮素含量,对及时掌控树体长势、实施精准管理具有重要意义。飞行高度直接影响植物信息获取精度与效率。通过设置40、60和80 m三个飞行高度获取薄壳山核桃(长林和建德系列)开花期不同分辨率的无人机遥感影像,得到对应高度下的薄壳山核桃冠层光谱,运用连续小波变换(CWT)对原始光谱进行预处理;进一步联合两波段光谱指数(NDSI)分析薄壳山核桃叶片氮含量(LNC)与光谱的响应关系;最后,利用竞争自适应重加权采样-迭代保留信息变量(CARS_IRIV)算法筛选特征变量,构建不同高度下的薄壳山核桃LNC光谱响应的BP神经网络(BPNN)、随机森林(RF)估算模型,以期揭示无人机飞行高度对薄壳山核桃冠层光谱特征及LNC的影响机制。结果表明:CWT处理后的冠层光谱与薄壳山核桃LNC相关性得到提升;CWT结合NDSI在提高与LNC的相关性方面表现更佳;随着飞行高度的增加(从40、60到80 m),无论是单波段光谱还是双波段光谱与LNC的相关性都有所上升;最优LNC估算模型是40 m飞行高度下的CWT-scale 3-NDSI-BPNN模型,模型预测集R^(2)_(P)=0.73,RMSEP=1.13 g·kg^(-1),RPD=1.97。研究结果可为提高薄壳山核桃氮含量遥感估测的准确性提供技术支持,进一步为利用无人机搭载传感设备获取作物信息设定合适的飞行高度提供参考。 展开更多
关键词 薄壳山核桃 氮素 无人机高光谱 小波变换 飞行高度 机器学习
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不同地面样地下无人机高光谱森林地上碳储量估测差异
5
作者 倪辰 黄庆丰 +2 位作者 孔令瑗 葛春雨 唐雪海 《江西农业大学学报》 北大核心 2025年第2期451-464,共14页
【目的】地面样地布设是遥感森林参数反演的必要手段,地面样地的形状和面积直接影响遥感森林参数反演的准确性和可靠性,以及森林资源调查监测的效率。选择合适的样地形状和面积是确保遥感数据准确反映地面实际情况,提高监测效率的关键... 【目的】地面样地布设是遥感森林参数反演的必要手段,地面样地的形状和面积直接影响遥感森林参数反演的准确性和可靠性,以及森林资源调查监测的效率。选择合适的样地形状和面积是确保遥感数据准确反映地面实际情况,提高监测效率的关键步骤之一。【方法】以北亚热带针叶林、阔叶林为研究对象,通过典型抽样选取样地(25.82 m×25.82 m),进行每木检查(起测直径5.0 cm),利用已有树种的立木生物量模型计算得到单木生物量,累加求出样地林分生物量,根据碳计量参数最终获得样地碳储量;同时,利用无人机机载高光谱获取地面样地的高光谱数据,依据样地林木RTK位置信息绘制出林木平面位置图,继而划分不同形状(圆形或方形)和不同面积的小样地;在此基础上利用多元散射校正(MSC)、标准正态变量变换(SNV)、多项式平滑(Savitzky-Golay平滑)与导数计算、离散小波变换(DWT)进行高光谱数据预处理,提取植被指数、纹理特征等特征因子;根据随机森林重要性排序筛选出不同森林类型不同样地特征的最优特征子集变量;利用随机森林(RF)和极端梯度提升(XGBoost)2种机器学习算法,构建针叶林、阔叶林及全部森林(针叶林和阔叶林)的森林地上碳储量估测模型,确定各森林类型最优样地布设方式,研究样地特征对森林地上碳储量建模的影响。【结果】经Savitzky-Golay平滑-导数、DWT和SNV变换后的植被指数因子更适用于碳储量建模;与标准方形样地相比,圆形样地在针叶林、阔叶林的碳储量模型构建中表现突出,半径为12.91 m的样地碳储量估测模型精度明显优于其他尺寸模型精度。最优的针叶林、阔叶林碳储量模型测试集评价结果为R^(2)_(test)=0.78,RMSE_(test)=10.15 t/hm^(2),rRMSE_(test)=18.6%;R^(2)_(test)=0.77,RMSE_(test)=5.77 t/hm^(2),rRMSE_(test)=10.95%。【结论】半径为12.91 m的圆形样地和XGBoost算法结合能保证无人机高光谱针叶林、阔叶林森林碳储量估测结果的可靠性和有效性,可以为高光谱遥感森林碳储量估测地面样地设置提供科学依据。 展开更多
关键词 无人机高光谱 样地特征 光谱特征变换 机器学习 碳储量估测
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油茶HD-Zip基因家族鉴定及其在非生物胁迫下的表达分析
6
作者 黄丹 彭兵阳 +2 位作者 张盼盼 焦悦 吕佳斌 《生物技术通报》 北大核心 2025年第6期191-207,共17页
【目的】鉴定油茶HD-Zip基因家族成员,分析其结构、特性和功能,解析其在盐、干旱、低温和高温等非生物胁迫下的表达模式。【方法】基于六倍体普通油茶全基因组数据,利用生物信息学方法筛选鉴定CoHDZs基因家族成员,对其基因结构、保守基... 【目的】鉴定油茶HD-Zip基因家族成员,分析其结构、特性和功能,解析其在盐、干旱、低温和高温等非生物胁迫下的表达模式。【方法】基于六倍体普通油茶全基因组数据,利用生物信息学方法筛选鉴定CoHDZs基因家族成员,对其基因结构、保守基序、顺式作用元件、染色体定位和基因共线性等进行分析;基于转录组数据分析CoHDZs基因在油茶叶、芽、花瓣、雌蕊、种子、花萼、雄蕊和果实不同发育期中的表达模式;利用实时荧光定量PCR方法解析CoHDZs在不同逆境胁迫下的瞬时表达特征。【结果】CoHDZs基因家族包含46个成员(CoHDZ1-CoHDZ46)分布在4个不同的亚家族(HD-ZipⅠ,HD-ZipⅡ,HD-ZipⅢ和HD-ZipⅣ)中,且同一亚家族中的CoHDZ基因具有相似的结构特征。顺式作用元件分析表明油茶HD-Zip基因家族成员广泛参与光响应、激素响应以及非生物胁迫响应。染色体定位和共线性分析可知,46个CoHDZs基因不均匀地分布在26条染色体和2条染色体骨架上,全基因组复制(WGD)事件或片段复制可能是CoHDZs基因进化的主要动力;转录组分析表明,CoHDZs基因存在明显的组织特异性表达;实时荧光定量PCR验证实验表明,油茶HD-Zip基因家族成员在盐、干旱、低温和高温胁迫下高度表达,不同CoHDZs基因在同一胁迫下的表达存在差异,且相同基因在不同胁迫下的表达情况也有不同,其中CoHDZ1、CoHDZ3、CoHDZ14、CoHDZ18、CoHDZ20、CoHDZ22、CoHDZ42、CoHDZ44和CoHDZ45这9个基因是油茶HD-Zip家族响应非生物胁迫的关键基因。【结论】CoHDZs基因广泛参与油茶的生长发育、激素信号传导和非生物胁迫响应并发挥着重要的调控作用。 展开更多
关键词 油茶 HD-Zip基因家族 组织特异性 非生物胁迫
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不同经营强度对雷竹林土壤理化性质及土壤质量的影响
7
作者 高雨 曹迁 +3 位作者 陈蕾如 张志丽 张爱婷 徐小牛 《水土保持通报》 CSCD 北大核心 2024年第5期294-304,共11页
[目的]开展不同经营强度对雷竹林土壤理化性质及土壤质量的影响研究,为雷竹林科学经营及养分管理提供科学依据。[方法]采用样地调查法对安徽黄山市黄山区新华乡不同经营强度下雷竹林土壤理化性质进行分析,利用主成分析法建立土壤养分最... [目的]开展不同经营强度对雷竹林土壤理化性质及土壤质量的影响研究,为雷竹林科学经营及养分管理提供科学依据。[方法]采用样地调查法对安徽黄山市黄山区新华乡不同经营强度下雷竹林土壤理化性质进行分析,利用主成分析法建立土壤养分最小数据集比较该地区不同经营强度下雷竹林的土壤质量状况。[结果]不同经营强度下土壤理化性质差异显著。在0-10 cm土层中,中度经营的土壤容重显著低于高度经营、粗放经营;中、高强度经营的土壤含水量显著低于粗放经营。在0-10 cm土层中,土壤pH值:强度经营(4.12)>粗放经营(4.01)>中度经营(3.97);中度经营的土壤有机碳(24.82 g/kg)、全氮(1.67 g/kg)显著高于粗放经营(18.64,1.35 g/kg)和强度经营(17.39,1.25 g/kg);中、强度经营的土壤全磷(0.53,0.49 g/kg)显著高于粗放经营(0.27 g/kg)。中、强度经营下的C/P范围(30.99~53.40)、N/P范围(2.77~3.60)均低于粗放经营〔(64.82~78.96),(5.20~5.56)〕,3种不同经营强度下土壤C/N均值介于10.95~14.68之间。在0-10 cm土层中,不同经营强度下雷竹林的土壤质量指数大小顺序为:粗放经营(0.42)>中度经营(0.36)>强度经营(0.31),土壤质量指数随土层加深而降低。[结论]强酸性土壤环境不利于雷竹的生长,中度经营林分土壤持水能力及水源涵养能力较好,随着经营强度的加强土壤肥力越低,不利于土壤质量的维持。 展开更多
关键词 经营强度 土壤理化性质 化学计量比 土壤质量指数
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薄壳山核桃SSR-PCR体系优化及引物筛选
8
作者 罗晓蕾 黄丹 +4 位作者 彭兵阳 王磊彬 毕慧慧 何的明 吕佳斌 《中南林业科技大学学报》 CAS CSCD 北大核心 2024年第9期138-147,共10页
【目的】为建立薄壳山核桃SSR-PCR的最佳反应体系,筛选薄壳山核桃高多态性SSR引物,为薄壳山核桃构建指纹图谱、亲缘关系分析、品种鉴定等后续的相关研究提供有力工具。【方法】采用单因素试验与L_(16)(4^(5))正交试验设计相结合的方法,... 【目的】为建立薄壳山核桃SSR-PCR的最佳反应体系,筛选薄壳山核桃高多态性SSR引物,为薄壳山核桃构建指纹图谱、亲缘关系分析、品种鉴定等后续的相关研究提供有力工具。【方法】采用单因素试验与L_(16)(4^(5))正交试验设计相结合的方法,以薄壳山核桃DNA作为模板,对影响薄壳山核桃SSR-PCR反应体系中的6个影响因素(DNA、Mg^(2+)、10×PCR Buffer、引物、Taq酶、dNTPs)进行单因素试验,根据单因素试验的结果确定各影响因素的适宜用量范围,再据此设计正交试验。【结果】根据正交试验扩增结果,确立薄壳山核桃的最佳反应体系(10μL)为:Taq酶0.15 U,Mg^(2+)2.0 mmol/L,dNTPs 0.1 mmol/L,引物1.0μmol/L,50 ng模板DNA 1.0μL,10×PCR Buffer 1.0μL,ddH_(2)O5.8μL。5个因素影响薄壳山核桃SSR-PCR反应体系的扩增效果,其影响程度大小依次为Taq酶>引物=DNA>Mg^(2+)>dNTPs。以8种薄壳山核桃DNA为模板,4对薄壳山核桃引物对优化后的薄壳山核桃SSR-PCR反应体系进行验证,均扩增出明亮清晰的条带,证明优化后的反应体系稳定可靠。利用优化后的反应体系在283对核桃及山核桃引物中筛选出高多态性薄壳山核桃引物12对,其多态性位点信息数均高于0.5。【结论】优化后的反应体系及筛选出的12对薄壳山核桃引物可直接用于后续的SSR分子标记试验,为薄壳山核桃亲缘关系鉴定、交配系统分析等研究奠定理论基础。 展开更多
关键词 薄壳山核桃 SSR-PCR反应体系 引物筛选 单因素试验 正交设计试验
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基于机器学习的森林地上碳储量遥感估算及时空变化分析
9
作者 唐雪海 宋维静 +2 位作者 汪春霞 匡帆 许程 《中南林业科技大学学报》 2025年第8期167-182,共16页
【目的】城市森林是城市碳汇的主体,对调节全球碳平衡、降低大气中碳含量、维持气候稳定具有不可忽视的作用,开展城市森林碳储量估算与时空变化特征研究,对推进“双碳”目标实现、应对气候变化具有重要的科学作用和实践意义。【方法】... 【目的】城市森林是城市碳汇的主体,对调节全球碳平衡、降低大气中碳含量、维持气候稳定具有不可忽视的作用,开展城市森林碳储量估算与时空变化特征研究,对推进“双碳”目标实现、应对气候变化具有重要的科学作用和实践意义。【方法】以合肥市主城区森林为研究对象,通过地面调查计算样地生物量和碳储量,利用Landsat影像进行城市森林类型提取,综合光谱波段、波段组合、植被指数、纹理因子等变量,对比3种机器学习算法,构建城市森林地上碳储量最优估算模型。进一步反演研究区2013、2016、2019、2023年森林地上碳储量,利用空间自相关和趋势面等进行时空变化分析,探讨地理探测器模型下自然环境、社会经济等因子对城市森林地上碳储量的影响。【结果】1)2013—2023年城市森林面积呈增长趋势,增长速度逐渐减缓。不同行政区森林面积由大至小依次为蜀山区、包河区、瑶海区、庐阳区;2)样地实测单位面积地上碳储量为0.56~15.57 kg·m^(-2)。利用Pearson系数等方法进行特征变量筛选,最终确定了7个遥感因子为碳储量估算建模的特征变量。特征变量与自变量Pearson相关系数绝对值为0.44~0.58,均为极显著相关。建模结果表明,极端梯度提升树算法构建的森林地上碳储量估算模型效果最优;3)城市森林地上碳储量在空间上表现为聚集分布,整体表现为“南高北低,东高西低”的梯度格局。2013—2023年合肥市主城区城市森林地上碳储量呈增长趋势,为69.65~150.90万t,单位面积碳储量为29.18~36.85 t·hm^(-2);4)高程对研究区森林地上碳储量变化的解释能力表现较为突出,交互因子对森林地上碳储量变化的解释能力比单因子有所增强,温度与降水的交互作用对2013、2016、2023年的森林地上碳储量的影响最大,解释力分别为20.66%、39.88%、27.47%;在2019年,温度与高程的交互作用最强,解释力为33.18%。【结论】城市森林碳储量变化受自然环境因子和社会经济因子共同影响,其中自然环境因子间的交互作用对城市碳储量的影响较大,两者的交互作用对城市森林碳储量的变化也有一定程度的解释力。 展开更多
关键词 城市森林 地上碳储量 遥感反演 时空变化 合肥市
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