棉花地上鲜生物量的高光谱估算模型研究

通过测试棉花6个生育时期350～2500 nm波段的冠层高光谱数据，采用连续统去除和波段深度归一化的分析方法，计算出棉花反射光谱550～750 nm波段深度参数(Dc)；同时，将冠层反射光谱数据与棉花鲜生物量进行逐步回归分析，确定了近红外波段763 nm及红光波段670 nm是棉花鲜生物量的2个敏感波段，并组成了高光谱归一化植被指数(NDVI)和比值植被指数(RVI)；基于Dc参数和NDVI、RVI植被指数，建立了棉花地上鲜生物量的5种单变量线性与非线性函数模型，分析表明，RVI的指数函数模型反演的棉花地上鲜生物量的估计值与实测值的相关系数最大(R=0.7289^**，RMSE=0.8776)；5种函数模型方程，经检验均达到1%的极显著水平，其中，以指数函数、幂函数和双曲线函数构建的棉花鲜生物量估算模型精度相对较高；该研究采用高光谱植被参数和指数，实时、无损、动态、定量提取了棉花地上鲜生物量，为分析、模拟、评价、预测棉花群体大小，设计理想棉花群体及棉花高光谱遥感估产提供了科学的依据。     

冬小麦鲜生物量估算敏感波段中心及波宽优选

开展高光谱作物生物量估算敏感波段中心和最优波段宽度筛选对提高作物生物量估算精度具有重要意义。该文以冬小麦为研究对象,利用小麦关键生育期内350～1000 nm 冠层高光谱数据和实测地上鲜生物量,研究任意两波段构建的窄波段归一化植被指数 N-NDVI（narrow band normalized difference vegetation index）与冬小麦地上鲜生物量间的相关关系,构建拟合精度 R2二维图,并以 R2极大值区域重心作为高光谱估算鲜生物量敏感波段中心。通过对敏感波段中心进行波段扩展和相应生物量估算验证,最终确定敏感波段最佳波段宽度。在此基础上,开展基于敏感波段最优波段宽度下冬小麦地上鲜生物量估算和精度验证。结果表明,在 N-NDVI 与冬小麦鲜生物量间拟合 R2≥0.65的二维区域内,确定了401 nm/692 nm、579 nm/698 nm、732 nm/773 nm、725 nm/860 nm、727 nm/977 nm 5个鲜生物量估算的高光谱敏感波段中心;在高光谱估算生物量归一化均方根误差 NRMSE≤10%、相对误差 RE≤10%条件下,上述5个敏感波段中心的最优波段宽度分别为±21 nm、±5 nm、±51 nm、±40 nm 和±23 nm。通过与实测鲜生物量数据对比,利用上述敏感波段中心最优波段宽度进行作物生物量估算,精度在 P<0.01水平上均达到极显著水平,且 RE、NRMSE 分别在8.15%～9.14%、8.69%～9.65%范围内。可见,利用作物冠层高光谱进行冬小麦地上鲜生物量估算时,N-NDVI 与鲜生物量间拟合 R2极大值区域重心的作物高光谱敏感波段筛选和最优波段宽度确定具有一定可行性,为开展作物高光谱数据波段优选提供了新思路,也为多光谱遥感波段设置及遥感数据应用潜力评价提供一定依据。     

基于高光谱遥感的不同品种花生冠层叶面积指数的通用估算模型

为了快速、无损地监测花生冠层LAI,获取其长势信息,于2014年通过大田试验选用5个品种花生作为供试品种,使用ASD Field Spec Hand Held便携式野外光谱仪采集花生不同生育时期的冠层高光谱数据,同时使用SUNSCAN冠层分析系统实测花生冠层叶面积指数(LAI),并应用光谱微分技术和统计分析技术,分别分析4种光谱形式和6种植被指数与LAI的相关关系,建立估算模型。结果表明:高光谱反射率及其光谱变换形式中最优波段与LAI的相关性均极显著,其中一阶微分光谱ρ'在793nm波段处构建的估测方程对花生冠层LAI的估算效果最好(r=-0.5391,P0.01,RE=0.2497),其模拟值与实测值的拟合度达极显著水平(R=0.4435,P0.01);一阶微分光谱ρ'在734nm波段处LAI的实测值与模拟值的拟合效果最好(R=0.5485,P0.01)。6种植被指数所选的最优组合波段与LAI均通过了0.01水平的显著性检验(r≥0.5731,P0.01),其中归一化植被指数NDVI[760,976]对花生冠层LAI的估算效果最好(r=-0.6421,P0.01,RE=0.2167),模拟值与实测值的拟合度达极显著水平(R=0.6731,P0.01),且优于ρ'对LAI的估算效果;LAI实测值与模拟值拟合效果最好的为DVI[760,976](R=0.6893,P0.01)。研究结果表明一阶导数光谱和植被指数对花生冠层LAI的估算精度均较高,植被指数的估算精度尤高,研究同时进一步证实了导数光谱和植被指数能较好地消除土壤、大气等环境背景信息的影响。     

昼夜不对称增温对冬小麦花后冠层反射光谱特性的影响

全球变暖具有明显的昼夜不对称性,温度升高影响冬小麦的生长发育,也改变了其冠层的光谱反射特性。为了研究昼夜不对称增温对冬小麦冠层反射光谱特性的影响,在南京采用开放式田间增温系统,开展昼夜不对称增温的人工控制试验,利用FieldSpec Pro FR光谱仪测定了2个冬小麦品种扬麦15和徐麦31的冠层反射光谱,分析了冬小麦开花后冠层光谱反射率和一阶导数光谱,比较了2种增温方式对冠层反射光谱特性的影响。结果表明,与CK相比,昼夜不对称增温处理(白天增温1℃,夜间增温3℃,T2)的冬小麦冠层反射率,在近红外波段的下降最为显著,且以开花期的冬小麦冠层近红外波段反射率降低幅度最大。昼夜对称增温处理(白天增温2℃,夜间增温2℃,T1)下的冬小麦冠层反射率变化与T2处理后的变化相似,但其反射率降低幅度小于T2处理。在开花期,扬麦15在CK、T1、T2处理下近红外波段反射率分别为0.70、0.61、0.55,而徐麦31在CK、T1、T2处理下近红外波段反射率分别为0.65、0.60、0.52。由一阶导数光谱可以发现,T1、T2处理下,扬麦15红边位置由738 nm变为花后20 d的731和730 nm,俆麦31表现相同的规律。T1和T2处理也使得红边峰值下降,在开花期红边峰值下降幅度最大,且T2处理下降幅度较T1处理更大。与光谱反射率变化相对应,T1和T2均使2品种的叶绿素质量分数和叶面积指数(leaf area index,LAI)显著降低,以T2处理降低幅度最大。因此,昼夜不对称增温影响了冬小麦LAI、叶绿素质量分数、细胞结构和衰老程度,进而表现出冬小麦冠层反射光谱反射率的下降。     

龟裂碱土对植被冠层光谱特征及长势预测的影响

为了通过统一土壤背景来量化龟裂碱土对其上覆植被冠层光谱的影响,通过野外原位测定,系统分析了龟裂碱土上覆植被在自然和覆盖条件下5个典型生育期冠层光谱特征、光谱反射率与叶片叶绿素值和叶面积指数（leaf area index,LAI）之间的关系,进而建立了不同条件下2个生理指标的预测模型。结果表明：覆盖条件下向日葵三对叶期冠层光谱反射率较自然条件下在400～520和1 027～1 130 nm平均降低了0.10,在521～1 026 nm平均降低了0.18;其他生育期覆盖条件下冠层光谱反射率较自然条件下在可见光波段下降,在近红外区域增加（其中七对叶期在720～1 050 nm平均增幅为11.29%）。自然条件下三对叶期冠层光谱反射率与叶绿素值和LAI平均相关系数分别为0.68和0.47,开花期、乳熟期光谱反射率与叶绿素值和LAI与三对叶期相关性相似;其他2个生育期冠层光谱反射率自然条件下在可见光波段与2个生理指标平均相关系数分别为-0.27和-0.52,在近红外区域分别为0.53和0.69,覆盖条件下相关系数明显高于自然条件。三对叶期建立的叶片叶绿素值和LAI预测方程决定系数最小,现蕾期最大。除三对叶期外,其他时期对2个生理指标的预测模型的拟合度都较高（RSPAD为0.61～0.88,RLAI为0.72～0.92）,预测能力也较强;引入土壤pH值可以增强模型的稳定性和预测能力。研究结果可为该地区龟裂碱土上覆植被长势估测提供理论依据。     

草地生物量的高光谱遥感估算模型

为了推进高光谱遥感在草地生理生化参数定量化方面的研究与应用，从冠层尺度上估算草地生物量，该文选用美国ASD公司的ASD FieldSpec Pro FRTM光谱仪，对内蒙古自治区锡林郭勒盟的天然草地进行高光谱遥感地面观测。在进行天然草地地上生物量与原始光谱和高光谱特征变量相关分析的基础上，将观测数据分成两组：一组观测数据作为训练样本，运用单变量线性、非线性和逐步回归分析方法，建立生物量高光谱遥感估算模型；另一组观测数据作为检验样本，进行精度检验。结果表明：生物量与高光谱吸收特征参数变量的分析中，以840、1132、1579、1769和2012 nm等5个原始高光谱波段反射率为变量的逐步回归估算方程为最佳模型，模型标准差为0.404 kg/m²，估算精度为91.6%，说明可以利用高光谱反射率数据，从冠层上对草地生物量进行量化。     

水稻微分光谱和植被指数的作用探讨

通过两年两个不同品种水稻在不同供氮水平下的田间试验，测定了水稻冠层在生长过程中不同时期的高光谱反射率及对应的叶绿素、类胡萝卜素含量，分析了微分光谱对消除水稻冠层光谱的背景影响和植被指数在农学参数测定中的作用。结果表明：由微分光谱所得的红边位置、红边斜率与盖度和供氮水平之间有一定的相关性，与叶面积指数、地上生物量及冠层叶绿素、类胡萝卜素含量有显著相关；水稻多光谱植被指数RVI、NDVI与叶面积指数LAI及其地上部生物量之间有极显著相关性；高光谱植被指数及其变量与植被盖度、供氮水平、叶面积指数、地上生物量及叶绿素、类胡萝卜素含量之间存在相关性。这表明，用微分光谱技术与植被指数方法来监测水稻的色素含量和长势应该是可行的。     

不同生育期冬小麦光谱特征对叶绿素和氮素的响应研究

研究测定了不同施氮水平条件下冬小麦冠层在七个典型生育期叶片叶绿素、地上部分全氮含量以及冠层光谱,分析了单波段反射率、可见光和近红外波段组合而成的归一化植被指数(NDVI)、比值植被指数(RVI)与相应时期叶片叶绿素和地上部分全氮含量的相关性。结果表明,施氮量增加,两个农学参量、冠层近红外波段反射率都随之增加,但当施氮量增加到300kg hm-(2一次性施入)时,上述各项指标均降低;整个生长期中孕穗期在近红外区域反射率最高,与可见光波段反射率相差最大;除分蘖期外,其它时期单波段510nm～1100nm反射率、NDVI、RVI与叶绿素和全氮含量显著相关,植被指数的相关性较单波段高,且从分蘖期到乳熟期,相关性逐渐增强;整体来讲,可见光中560nm、660nm和近红外760nm、1100nm和1200nm组合的NDVI在各生育期与两个农学指标的相关性较好,选择NDVI(560,760)可以准确拟合叶片叶绿素和地上部分全氮含量。     

玉米冠层叶片光谱反射率与玉米长势空间变异的关系

为了寻找一种快捷获取玉米叶绿素空间分布信息的方法,研究了玉米苗期冠层叶片光谱反射率的变化特征,分析了不同生长阶段冠层叶片光谱反射率的空间分布和叶绿素质量浓度的空间分布.研究结果表明:玉米苗期冠层叶片叶绿素的质量浓度空间分布不均匀.冠层叶片的叶绿素质量浓度与光谱指数RVI的相关性较低,与归一化差异植被指数NDV1值和550 nm波段的反射率均有较高的相关性.分析550nm波段的反射率值与冠层叶片叶绿素质量浓度值的相关关系,显示二者成负相关变化趋势,相关系数绝对值在0.69～0.88范围随着生长期的变化而逐渐增大,五叶期前期的相关性系数绝对值达到苗期最大值,表明550 nm波段反射率值能够较好的反映玉米苗期叶绿素质量浓度的水平,分析和掌握550 nm波段反射率值的变化及其空间分布特性对快速监测玉米苗期生长状况,对指导田间施肥具有重要意义.     

基于高光谱反射率的棉花冠层叶绿素密度估算

为了进一步提高棉花叶绿素密度高光谱估算精度,该研究以棉花冠层叶绿素密度以及冠层高光谱反射率为数据源,在分析叶绿素密度与原始高光谱反射率(R)、一阶导数光谱反射率(DR)、已有光谱指数及全波段组合指数相关性的基础上,采用线性及多元逐步回归技术构建了叶绿素密度高光谱诊断模型,系统对比分析了以上4种光谱形式用于棉花冠层叶绿素密度诊断的精度。结果表明:1)基于一阶导数光谱反射率的估算模型精度明显优于原始光谱反射率;2)基于比值指数或归一化指数形式的估算模型精度及稳定性要优于单波段或多波段的线性模型;3)单波段变量DR756、全波度组合比值指数DR635/DR643以及归一化指数(DR1055-DR684)/(DR1055+DR684)均可较好的实现叶绿素密度估算,其中由DR635/DR643为自变量的模型所得到棉花冠层叶绿素密度估算值与实测值拟合最好,相关系数达到0.821。该研究可为高光谱技术在棉花冠层叶绿素密度诊断中的更好应用提供参考。     

磷营养胁迫对冬小麦冠层光谱的影响

因为磷素重要的营养作用,其胁迫的存在影响冬小麦的正常生长。借助地面遥感仪器获取冬小麦在磷营养胁迫下的多个生育期里的冠层光谱数据并对其影响特征进行了分析。利用因子分析方法提取主因子与含有丰富信息的光谱变量,并结合极显著水平(0.01)的均值比较与检验过程考察了冬小麦冠层光谱,确定了对磷营养胁迫敏感的光谱波段:760nm,810nm和870nm与950nm,并在此基础上结合冬小麦对磷素的吸收利用特征选定了运用冠层光谱敏感波段反射率探测和区分磷营养胁迫的关键生育期:拔节期。结果同时表明,对冬小麦磷营养胁迫而言,近红外区间(760nm~1100nm)光谱反射特征的区分能力要强于可见光区。本文同时指出了研究与发展利用遥感技术进行营养胁迫监测的方法和着重点。     

水稻冠层光谱反射特征及其与叶面积指数关系研究

在水稻试验小区,通过人为控制的方法造成施N水平的差异,对水稻整个生长期内冠层光谱进行了比较系统、密集的测定,并测定了水稻几个重要生育期的叶面积指数。结果表明:随着施N水平的提高,水稻冠层光谱在各生育期呈现出一定的规律性,在近红外部分(760 ~ 1220 nm),冠层光谱反射率随着施N水平的提高而升高,而在可见光部分(460 ~ 710 nm),水稻冠层的光谱反射率反而逐渐降低。冠层光谱经差异显著性检验发现:水稻灌浆期以前,对施N水平最为敏感的波段是绿光(560 ~ 610 nm)和近红外(710 ~ 760 nm)部分;转换为归一化植被指数(NDVI)以后,差异最显著的是 (R760 - R560) / (R760 R560)。对叶面积指数与冠层光谱反射率的相关分析结果表明:在水稻抽穗期以前,叶面积与冠层光谱反射率相关性较差;而抽穗期以后,二者有较好的相关性。     

不同品种夏玉米光谱特征差异及其与农学参量相关性研究

研究测定了不同品种夏玉米在六个典型生育期地上部分全氮、叶绿素含量、干生物量、叶面积指数(LAI)以及冠层光谱反射率,利用不同方法比较了不同品种玉米光谱特征的差异,系统分析了单波段反射率、可见光和近红外波段组合而成的8种常见植被指数与相应时期不同农学参量的相关性。结果表明:不同品种夏玉整个生育期不同品种冠层在可见光范围内反射率差异一直没有达到显著水平,苗期和拔节期在近红外区域反射率也无显著差异,从孕穗期到乳熟期在近红外区域反射率差异增大,普遍呈显著性差异。采用F检验法可以准确地反映不同品种在不同波段反射率的差异。常见光谱植被指数从拔节期到孕穗期绝大部分都可以准确反映不同品种夏玉米的农学参量,以GRVI最佳,它不仅可以区分不同品种夏玉米在中后期的长势,又可以准确拟合这段时期作物的农学参量。     

甘肃省两种主要草地类型的光谱反射特征比较

干旱荒漠草甸和高寒草甸是甘肃省两种主要的草地类型。2005－2007年,在安西草场和玛曲草场,分别对2种草地类型进行了光谱观测。文章分析和比较了2种草地类型的光谱反射特征及其差异性。结果表明,在可见光波段,荒漠草甸植被的冠层光谱反射率要高于高寒草甸植被,在近红外波段刚好相反;相同类型的草地,在不同的植被之间近红外波段的反射率差异较大。在可见光波段和近红外波段,荒漠草甸植被的叶片光谱反射大于冠层光谱反射,而高寒草甸植被则是冠层光谱反射大于叶片光谱反射;同一植被冠层光谱反射受植被长势影响明显;两种草地类型的红边特征参数表现为荒漠草甸小于高寒草甸。总之,高光谱遥感可以应用于草地植被的分类和长势监测。     

基于GF-1卫星数据的冬小麦叶片氮含量遥感估算

以陕西关中地区大田和小区试验下的冬小麦为研究对象,探讨基于国产高分辨率卫星GF-1号多光谱数据的冬小麦叶片氮含量估算方法和空间分布格局。基于GF-1号光谱响应函数对地面实测冬小麦冠层高光谱进行重采样,获取GF-1号卫星可见光-近红外波段的模拟反射率,并构建光谱指数,利用与叶片氮含量在0.01水平下显著相关的8类光谱指数,分别建立叶片氮含量的一元线性、一元二次多项式和指数回归模型。通过光谱指数与叶片氮含量的敏感性分析,以及所建模型的综合对比分析,获取适合冬小麦叶片氮含量估算的最佳模型。结果表明:模拟卫星宽波段光谱反射率和卫星实测光谱反射率间的相关系数高于0.95,具有一致性;改进型的敏感性指数综合考虑了模型的稳定性、敏感性和变量的动态范围,敏感性分析表明比值植被指数对叶片氮含量的变化响应能力最强;综合模拟方程决定系数、模型敏感性分析、精度检验和遥感制图的结果,认为基于比值植被指数建立的叶片氮含量估算模型适用性最强,模拟结果与实际空间分布格局最为接近,为基于GF-1卫星数据的区域性小麦氮素营养监测提供了理论依据和技术支持。     

不同土壤水分条件下玉米叶片/冠层气孔导度的光谱监测模型

通过玉米水分控制试验,测定不同水分条件下各生育期叶片气孔导度、叶面积指数和冠层光谱反射率等,以分析玉米叶片气孔导度的变化规律及其与光谱植被指数的相关性,从而建立基于光谱植被指数和土壤湿度的叶片气孔导度模型。结果表明：玉米在可见光区和近红外中、长波区的反射率随着土壤水分的降低而上升,但叶片气孔导度（Gs）、叶面积指数（LAI）、比值植被指数（RVI）和归一化植被指数（NDVI）随着土壤水分的下降而降低;玉米NDVI和RVI与单叶片和冠层气孔导度均呈极显著指数函数关系（P〈0.01）,且对单叶片气孔导度的拟合效果优于对冠层导度的拟合效果,而经土壤湿度订正的RVI监测模型优于NDVI监测模型。表明通过测定冠层反射光谱率可实时、迅速地定量监测玉米叶片的气孔导度,为大面积作物气孔导度估算奠定基础。     

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.     

微分光谱遥感及其在水稻农学参数测定上的应用研究

通过不同氮素营养水平的水稻田间试验,解析了水稻冠层微分光谱对消除背景(湿土、水面)信息的影响,证实微分光谱在消除背景信息的影响方面起到了很好的作用。用微分光谱确定出最优的波段宽度应小于10nm;将微分光谱应用于农学参数测定,存在红边位移现象,在孕穗期之前,红边随施氮量增加向长波方向移动“红移”;孕穗期之后“红移”现象基本消失,而发生“蓝移”。红边参数(红边、红边振幅、红边振幅与最小振幅的比值、红边峰值面积)与上层叶片的叶绿素含量、LAI有着密切的关系,而与叶片中的叶绿素b、类胡萝卜素之间相关性不明显。一些红边参数可作为水稻叶绿素含量、LAI测定的简捷方法。从而证实了利用微分光谱测定一些农学参数的可行性     

不同氮营养冬小麦冠层光谱红边特征分析

利用FieldSpec FR2500光谱仪测定了不同氮素处理冬小麦冠层光谱,分析其红边特征变化规律及与农学成分的相关关系。结果表明,波长550 nm、680 nm、980 nm、1100 nm与350～680 nm和750～1100 nm可作为氮素营养诊断的敏感特征点与波段范围。随着施氮量的提高,拔节期、抽穗期以及灌浆期的红边位置（REP）、红谷位置（Lo）与光谱反射率一阶微分极大值（FD_Max）均增大,红边宽度（Lwidth）则有减小的趋势。总体上看,施氮与无氮处理在整个生育期均存在较大差异,施氮处理之间差异较小。冠层反射光谱的红边位置、红谷位置、随生育期向长波方向移动,呈现红移现象;从抽穗期开始逐渐减小,呈现蓝移现象。冬小麦红边参数中红边位置与农学组分之间的相关性优于其他参数,除与地上部生物量正相关显著外,与叶面积指数、叶含水率、叶绿素含量、叶可溶性蛋白含量、叶鲜重、叶含氮量均呈正相关且达到极显著水平。红谷位置则与叶面积指数、叶含水率、叶绿素含量、叶鲜重以及SPAD值呈极显著正相关;与可溶性蛋白呈显著正相关。红边宽度与叶面积指数、叶含水率、叶氮含量、叶绿素含量以及叶鲜重均呈极显著正相关;与可溶性蛋白含量呈显著正相关。反射率一阶导数极大值与叶面积指数、叶含水率、叶鲜重呈极显著正相关,与叶含氮量极显著负相关。通过红边参数与农学组分稳定良好的数学关系,可以对农学组分进行预测估算。