新疆‘叶尔羌’扁桃果实不同生育期叶片氮磷钾光谱特性研究

【目的】通过分析果实不同生育期叶片光谱反射率对N、 P、 K的响应,探寻采用叶片光谱指数诊断N、 P、 K敏感时期,为新疆莎车‘叶尔羌’扁桃简便快捷的非破坏性营养诊断提供最佳时间窗。【方法】采用“3414”肥料效应试验,利用Unispec-SC光谱仪测定莎车‘叶尔羌’扁桃在不同N、 P、 K施肥水平下果实座果期、 膨大期、 硬核期、 成熟期叶片的光谱反射率。【结果】‘叶尔羌’扁桃果实不同生育期叶片光谱反射率波动取决于波长,在可见光波段变异最小。光谱反射率总体上呈现硬核期＞座果期＞膨大期＞成熟期。在不同N、 P、 K施肥水平下,‘叶尔羌’扁桃果实不同生育期光谱指数(ND705)之间均存在显著差异(P＜0.05)或者极显著差异(P＜0.01)。叶尔羌扁桃果实座果期、 膨大期、 硬核期、 成熟期叶片氮素的敏感波段分别为815~894 nm,375~398 nm,608~616 nm,429~437 nm; 磷素的敏感波段为766~802 nm,1023~1063 nm,708~713 nm,1130 nm; 座果期、 膨大期、 成熟期叶片钾素的敏感波段分别为815~894 nm,345~368 nm,475~491 nm。【结论】果实成熟期与硬核期是N、 P、 K叶片光谱营养诊断的敏感时期。叶尔羌扁桃果实座果期、 膨大期、 硬核期、 成熟期叶片N素的敏感波段分别为815~894 nm,375~398 nm,608~616 nm,429~437 nm; P素的敏感波段为766~802 nm,1023~1063 nm,708~713 nm,1130 nm; 座果期、 膨大期、 成熟期叶片钾素的敏感波段分别为815~894 nm,345~368 nm,475~491 nm。     

基于光谱学原理与小波包分解技术预测苹果树叶片氮素含量

为探索不同生理物候期苹果树叶片氮素含量的快速检测方法。分别在果树坐果期、生理落果期和果实成熟期,使用光谱仪测量了果树叶片在可见光和近红外区域的反射光谱,同时在实验室测定了果树叶片的全氮含量。研究首先将实验所得的光谱反射率与氮素含量以果树为单位进行聚类,利用小波包分析技术对每棵果树的光谱信息进行分解,提取出的低频信号和去除高频噪音后的信号分别组成了低频全光谱和去噪全光谱。针对这两个全光谱均实施了主成分分析,利用提取主成分分别建立了果树不同生长阶段的氮素含量多元线性回归模型。对比基于归一化植被指数（NDVI）建立的氮素含量估测模型发现,利用全光谱信息建立的氮素含量预测模型精度更高;在坐果期和果实成熟期,使用去噪全光谱提取的主成分建立的氮素预测模型最优;而在生理落果期,使用低频全光谱提取的主成分建立的模型最优。结果表明,利用小波包分析技术能够有效地提高苹果果树叶片氮素含量的光谱预测能力。     

基于夏玉米光谱特征的叶绿素和氮素水平及氮肥吸收利用研究

本文首先分析不同施 N 水平条件下夏玉米冠层在6个典型生育期的光谱特征曲线,然后计算了可见光和近红外波段光谱反射率组成的归一化植被指数(NDvI)及相应时期叶片叶绿素含量和地上部分全N含量2个重要指标以及孕穗期冠层NDVI和几个N肥吸收利用效率的相关性.结果表明,孕穗期冠层光谱反射率在近红外区域反射率最大,且其可见光和近红外区域反射率差异最大:从苗期到孕穗期,NDVI和叶绿素、全N含量的相关性逐渐增强,到抽雄期减弱,灌浆期又有所增强;整体来讲绿色归一化植被指数 GNDNI(560,760)在各生育期与不同农学参量的相关性比其他波段组合的指数好,其次为NDVI(660,760)波段组合.随着施N量的增加,N肥利用效率、收获指数和N肥收获指数、N素农艺效率以及N肥回收效率均逐渐降低,对各N肥吸收利用指数的预测以NDVI(660,760)、NDVI(660,1100)和GNDVI(560,760)较理想.     

基于光谱分析的玉米氮素营养诊断

利用光谱技术实时、快速、无损监测作物氮素营养状况是现代农业的研究热点之一。试验根据玉米氮素营养的生理特点,在关键生育期有针对性地选择第6片完全展开叶和第12片完全展开叶（果穗叶）进行光谱监测。结果表明,被考察的19个光谱特征参量中,红边斜率（Dr）、绿峰最大反射率（Rg）、比值植被指数（RNIR/Red）和归一化差值植被指数（R(NIR-Red)/(NIR+Red)）与叶片氮含量均存在较好的相关关系。考虑到诊断模型的简单实用性,选择RNIR/Red与叶片氮含量建立估测模型。根据RNIR/Red在玉米生育前期和后期与不同叶片氮含量的相关性,确立在玉米生育前期以第6片完全展开叶为诊断对象; 在生育后期以第12片完全展开叶（果穗叶）为诊断对象。经过回归分析和验证,RNIR/Red与叶片氮含量建立的对数模型和指数模型分别在生育前期和生育后期具有较高的可靠性和稳定性,确立玉米生育前期以对数模型,生育后期以指数模型为氮素营养的光谱诊断模型。该结果为研发低成本便携式作物氮素营养光谱诊断仪提供依据。     

基于光谱特征参数的温室番茄叶片叶绿素含量预测

为了快速、准确估测温室番茄叶片叶绿素含量,提升作物精细管理水平,利用光谱分析技术研究了温室番茄不同生长阶段叶绿素含量和响应光谱的相关性,在幼苗营养生长阶段叶片叶绿素含量呈增长趋势,到移植50天前后达到最大值,在此期间反射光谱的红边会向红外方向（长波）偏移,同时绿峰向蓝光（短波）方向偏移,绿峰幅值减小。从结果期开始叶绿素含量呈下降趋势,而红边、绿峰及绿峰幅值向相反方向变化。为了定量分析叶绿素含量和叶片反射光谱间的关系,从自定义的68个光谱特征参数中提取了7个能反映叶绿素含量变化的最优参量,并使用逐步回归、岭回归、主成分分量回归和偏最小二乘回归消除了最优参量的多重共线性,建立了叶绿素含量预测模型,其中岭回归模型精度最佳,均方根误差（RMSE）为0.406,决定系数(R2)为0.839。     

不同施氮水平下温室番茄叶片反射光谱特征分析

利用便携式光谱辐射仪测定了温室番茄叶片的光谱反射率,研究了不同施氮水平下特定光谱指数与叶片氮含量、光合速率及产量的关系。结果表明,温室番茄叶片的光谱反射率在可见光波段随供氮水平的升高而降低,在近红外波段随供氮水平的升高而增加。随施氮水平的提高,绿峰的蓝移和红边的红移现象明显,而红谷反射率与光合速率之间的关系可用二次方程拟合,相关系数达0.805。番茄叶片氮含量的敏感光谱波段为580~695 nm,740~900 nm,由695 nm、770 nm两个波段构建的高光谱指数(RVI、NDVI)与叶片氮含量的相关性显著。而基于原始光谱数据对番茄产量的估测也可在温室中得到很好的运用,其中光谱指数RV(I710,680)、VARI700和产量的拟合方程最优。     

基于冠层光谱特征的冬小麦产量估算研究

快速准确的粮食作物产量估算对于国家制订粮食政策和农业可持续发展具有重要意义。利用地面高光谱遥感的优点,获取作物冠层的精细光谱,并根据植被绿峰、红边、水汽吸收波段、近红外反射峰及短波红外反射峰等特征构建高光谱指数,从而对冬小麦产量进行预测。结果表明:可见光波段、近红外波段和短波红外波段的光谱反射率与产量从返青期到抽穗期分别达到显著负相关、显著正相关和显著负相关水平;通过分析光谱参量与产量的关系,由植被红边与近红外波段反射峰所定义的归一化植被指数(NDVI)与产量的统计相关特征在所有生育期都是极显著水平,统计相关性优于其他光谱参量,利用该参量所构建的非线性模型估产效果最好,可见利用NDVI指数进行产量预报效果更好。     

库尔勒香梨叶片全钾含量高光谱估算模型研究

为实现库尔勒香梨养分状况的无损、实时、快速监测,利用便携式光谱仪(SVC HR-768)测定不同钾肥施用量的20年树龄库尔勒香梨叶片光谱反射率,并结合叶片全钾含量的室内分析,对叶片全钾含量与原始光谱、一阶导数光谱、高光谱参数之间相关性进行分析。结果表明:在425 nm处原始光谱与叶片全钾含量构建的线性模型,调整决定系数R2值达到0.913;在630 nm处一阶微分光谱与全钾含量构建的线性模型,调整决定系数R2值为0.986。叶片全钾含量与高光谱特征变量中绿峰位置变量(Rg)和红谷位置变量(Ro)的相关性极显著,由此构建的线性模型调整决定系数R2值均达到0.96以上。通过模型检验,确定基于630 nm的光谱一阶微分(X630)模型Y=1 136.835X630+50.709为库尔勒香梨叶片全钾含量(Y)的最优估测模型。     

水稻生物化学参数与高光谱遥感特征参数的相关分析

通过不同氮素营养水平的水稻田间试验，研究稻叶生物化学成份(叶绿素、类胡萝卜素、蛋白质、纤维素、淀粉含量) 与水稻冠层高光谱遥感特征参数之间的关系，结果表明，随着叶位的下移，叶片叶绿素含量与光谱特征变量之间的相关性明显减弱，绿峰反射率、红谷反射率、红边波长、蓝边面积和“三边”面积构成的植被指数等变量与上叶叶绿素含量、类胡萝卜素、纤维素、叶鞘淀粉含量之间有较好的相关性，而蛋白质含量与各种变量的相关系数均非常低。兰边面积、兰边面积和红边面积构成的植被植数与上叶叶绿素含量之间，红边面积 、绿反射峰与红反射峰构成的植被指数与叶鞘淀粉含量之间的相关系数都达到了0.01极显著检验水平，因此，可利用这些变量建立上叶叶绿素a、纤维素和叶鞘淀粉含量的估测模型。     

基于无人机高光谱影像的引黄灌区水稻叶片全氮含量估测

实时监测水稻氮素状况对于评估水稻长势及精准田间管理意义重大。为确定宁夏引黄灌区水稻叶片全氮含量的最优高光谱估测方法,该文依托不同氮素水平水稻试验,基于成像高光谱数据和无人机高光谱影像,综合运用统计分析及遥感参数成图技术,对比分析光谱指数与偏最小二乘回归方法预测水稻叶片全氮含量的精确度和稳健性。结果表明,以组合波段738和522 nm光谱反射率的一阶导数构成的比值光谱指数(ratio spectral index,RSI)构建的线性模型为水稻叶片全氮含量的最优估测模型(检验R2为0.673,均方根误差为0.329,相对分析误差为2.02);无人机高光谱影像反演的水稻叶片全氮含量分布范围(1.28%~2.56%)与地面实际情况较相符(1.34%~2.49%)。研究结果可为区域尺度水稻氮素含量的空间反演及精准农业的高效实施提供科学和技术依据。     

基于高光谱的叶片滞尘量估测模型

为探索建立叶片滞尘量高光谱估测模型,利用光谱仪和电子分析天平采集了北京市区杨树叶片高光谱数据和滞尘量数据,研究了叶片光谱特征与滞尘量间的关系,并建立了基于光谱参数的叶片滞尘量估测模型。研究结果表明:近红外波段(730~1 000 nm)光谱反射率与叶片滞尘量呈现明显的线性相关性,各波段相关系数均高于0.7,绿光区波段反射率对叶片滞尘的影响不敏感;三边参数中仅红边幅值、红边面积与叶片滞尘量达到显著相关;基于多元线性回归、主成分回归、偏最小二乘回归建立的模型均具有较强的预测能力,其中以偏最小二乘回归为模型构建方法,以749、644、514 nm波段的光谱反射率值,红边幅值,红边面积,924、1 010 nm波段组成的归一化指数,713、725 nm波段组成的差值指数,749、644 nm波段组成的归一化植被指数为自变量建立的模型估测精度最好,其建模和预测的决定系数分别达到0.734和0.731,预测均方根误差为0.311。该研究为促进高光谱技术在大气降尘监测中的应用提供参考。     

基于红边参数的植被叶绿素含量高光谱估算模型

利用ASD便携式野外光谱仪和SPAD-502叶绿素计实测了落叶阔叶树法国梧桐、毛白杨叶片的高光谱反射率与叶片绿度,并对原始光谱反射率及一阶导数光谱与叶片绿度进行了相关分析,建立了基于红边位置、峰度系数、偏度系数的叶片叶绿素含量的高光谱估算模型,最后采用红边位置、峰度、偏度作为BP人工神经网络的输入变量进行了叶绿素含量的估算。结果表明：基于红边位置的法国梧桐、毛白杨叶绿素估算模型的决定系数达到0.7366、0.7289;基于峰度、偏度建立的估算模型可以有效提高估算精度,模型的决定系数均达0.8341以上;法国梧桐和毛白杨人工神经网络模型的确定系数决定系数分别达到0.9574和0.9523。与单变量模型相比人工神经网络模型反演精度明显提高,是一种良好的植被叶绿素含量高光谱反演模式。     

拔节抽穗期不同时长干旱胁迫对水稻冠层光谱特征的影响

基于水稻干旱胁迫试验,采用ASD（Field Spec Pro FR2500）光谱辐射仪测定水稻拔节期和抽穗期不同时间尺度（10d、20d）干旱处理与对照（正常处理）的冠层光谱反射率,对干旱胁迫下水稻冠层光谱变化规律、植被指数、水分指数、导数光谱特征进行分析.结果表明：水稻拔节期和抽穗期干旱胁迫后冠层光谱反射率与对照（CK）相比,可见光、近红外波段反射率均显著减小,短红外波段反射率显著增加,导数光谱红边位置均向短波方向推移,红边面积和红边斜率均显著减少,复合构建的6种植被指数或水分指数呈下降趋势,四波段水分指数（SRND）、归一化差异红外指数（NDVII）下降幅度最大;与CK相比,拔节期干旱胁迫20d和抽穗期10d的水稻冠层对可见光、近红外波段的反射率极显著降低,对短红外波段反射率极显著升高,在此阶段红边特征参数、植被水分指数减少幅度最低.研究结果可为利用高光谱遥感技术快速无损监测水稻干旱灾害提供技术支持.     

利用红边特征参数监测小麦叶片氮素积累状况

以不同类型小麦品种在氮素差异梯度下连续3 a田间试验为基础,在关键生育时期同步测定冠层光谱反射率、叶片干物质量及氮含量,探索建立小麦叶片氮素状况估算的新型红边参数及监测模型。结果表明,冠层微分光谱在红边区域内随氮素水平提高呈明显规律性变化,而原始光谱反射率的变化却较为复杂。与叶片氮积累量关系密切的常见红边参数间存在差异,其中,以GM2、SR705和FD742表现最突出,线性回归模型拟合精度（R2）分别为0.854、0.848和0.873,估计标准误差（SE）分别为1.136、1.160和1.059。基于红边双峰特征分析,构建新型红边双峰特征参数,其中,红边左偏峰面积LSDr_REPLE对叶片氮积累量方程拟合取得很好效果,决定系数和估计标准误差分别为0.869和1.080。经不同年际独立数据的检验表明,以GM2、SR705和FD742为变量,模型预测平均相对误差（RE）分别为17.6%、17.0%和14.9%,而红边左偏峰面积LSDr_REPLE模型预测误差控制得更好,平均相对误差RE为14.5%。以上表明,红边参数GM2、SR705和FD742可以对小麦叶片氮素状况进行有效监测,而红边左偏峰面积LSDr_REPLE模型预测更为准确可靠。     

库布齐沙漠东缘荒漠藻人工生物结皮的光谱特性简

为了探明库布齐沙漠东缘荒漠藻人工生物结皮的光谱特性,采用HR1024地物光谱仪,测定研究区包括荒漠藻在内的主要地物光谱数据,分析内蒙古林业科学研究院达拉特旗沙漠综合科学研究站不同年份接种的荒漠藻黑色、绿色结皮及裸沙、沙打旺、油蒿、沙柳的光谱特性及其变化规律.结果表明：1）沙打旺、油蒿、沙柳3种绿色植物光谱曲线与健康植被光谱曲线相近,“红边”位置明显,但荒漠藻黑色、绿色结皮及裸沙的光谱反射率变化比较平缓.2）荒漠藻绿色结皮表现出绿色植物所具有的光谱曲线变化特点;荒漠藻黑色结皮与绿色结皮光谱反射率相比,总的变化趋势为,在350～ 710 nm波段之间,黑色结皮光谱反射率较绿色结皮高,在710～1350nm波段之间,黑色比绿色结皮的光谱反射率低.     

基于高光谱特征和偏最小二乘法的春小麦叶绿素含量估算

叶绿素含量是影响作物生长及产量的主要因素。该研究以2017年6月小型试验田获取的抽穗期春小麦叶绿素含量及其对应的光谱反射率为数据源,对红边(627~780 nm)、黄边(566~589 nm)、蓝边(436~495 nm)、绿边(495~566 nm)、吸收谷和反射峰的最大反射率及反射率总和等16个高光谱特征参数与叶绿素含量之间的相关性进行了分析,并结合偏最小二乘回归法(partial least-squares regression,PLSR)对叶绿素含量进行高光谱建模及验证。结果表明:1)对特定的16个光谱特征参数而言,光谱特征参数绿边最大反射率与春小麦叶绿素质量分数之间的决定系数最低(R~20.5);决定系数较高(R~2≥0.5)的光谱特征参数包括蓝边最大反射率、蓝边反射率总和、黄边最大反射率、黄边反射率总和、红边最大反射率、红边反射率总和、绿边反射率总和、820~940 nm反射率总和及最大反射率、500~670 nm归一化吸收深度和560~760 nm归一化吸收深度,其中820~940 nm反射率总和决定系数达到最高(R~2为0.8);2)利用16个特征参量进行PLSR建模后,发现波段范围在820~940 nm的最大反射率及反射率总和所建立的PLSR估算模型为最优模型,其精度参数R~2p=0.8、RMSEp=2.0 mg/g、RPD=3.2。因此,该模型具有极好的预测能力。该研究为相关研究及当地精准农业提供科学支持和应用参考。     

基于鲜叶光谱估测氮素营养的新植被指数(英)

采用田间试验的方法开展利用鲜叶光谱反射率估测水稻氮素营养状况的研究.基于氮素在水稻不同功能叶片之间运转规律的机理,文章重点分析了第一和第三完全展开叶红边斜率和红边位置的变化,并基于红边位置和红边斜率构建了一个新的植被指数(命名为"红边曲线肩夹角植被指数",简称为RSAVI)监测水稻氮素营养状况.为了证明RSAVI在监测水稻氮素营养状况的可行性,分析了不同生育时期氮素含量和RSAVI之间的相关性.结果表明RSAVI和叶片氮素含量显著相关,相关系数介于0.867～0.938之间.并且RSAVI和氮素含量之间建立的回归模型以多项式模型效果最佳.决定系数介于0.7512～0.8796之间,模型均通过0.01水平检验.因此研究结果表明,在本次试验中使用RSAVI估测水稻氮素营养是可行的.     

冬小麦红边参数各向异性特征分析

基于冬小麦冠层高光谱二向性反射波谱数据及其配套的非波谱参数，对可见光至近红外波段二向性反射特性和红边参数随观测角度的变化情况进行了分析。结果表明：冬小麦在太阳主平面呈现出强烈的各向异性反射特性。不同叶面积指数下，由于作物冠层的结构特征和其他组分参数发生较大变化，其二向性反射特性在强度和趋势上也有一定的变化。红边幅值及红边峰值面积随观测角度的变化而发生了变化，呈现为各向异性特征,而红边位置几乎不发生变化。鉴于以往采用垂直观测时的红边参数推算植物生化组分含量，该文指出应选取合理观测角度下的红边参数来精确反演其他相关参数。另外为了定量描述红边幅值随观测角度而变化，提出了红边幅值各向异性指数和红边幅值各向异性因子。     

Estimating the Nitrogen Concentration of Strawberry Plants from Its Spectral Response

Abstract

Estimating the nitrogen (N) status of plants as a function of their spectral response is a promising technique to diagnose and optimize N fertilization. An experiment was conducted in Jiquilpan (Michoacán, México) in which three N levels (0.3, 3, and 20 mM of NO₃ ^? in the irrigation water) were applied to strawberry (Fragaria vesca) in a randomized complete block design with three replicates. The spectral response of strawberry was measured at both the canopy and leaf level using individual wavebands as well as vegetation indices. Individual leaves were separated into three strata (young, mature, and old) and leaf dry matter, leaf area, and N content (% dry matter) were measured in each stratum. Leaf area, biomass, and N content differed significantly between strata. Leaf area, biomass, and N content in all strata were affected by N fertilization. At the canopy level, N content was highly correlated with green reflectance (R550) (r²=0.50) and red reflectance (R680) (r²=0.60) as well as the vegetation indices simple ratio (SR) (r²=0.56), normalized difference vegetation index (NDVI) (r²=0.56), and hyperspectral NDVI (HNDVI) (r²=0.56). For individual leaves, significant differences between strata were found with normalized total pigment to chlorophyll a ratio index (NPCI) and MERIS terrestrial chlorophyll index (MTCI) (p<0.001) as well as R550, photochemical reflectance index (PRI), red edge position (REP), and REP calculated using the MERIS satelite wavelengths (p<0.01). Relationships between spectral indices and N content at the leaf level were found with the youngest leaves only, with NPCI (p<0.01) and MTCI (p<0.05), whereas only R550 responded to N fertilization (p<0.05).