建立大田早稻农学光谱估产模式研究初报

大田试验结果表明,不同氮素水平的水稻冠层光谱之反射率存在着极显著差异。其中630～690nm,760～900nm和520～600nm三个波段可作为检测水稻氮素水平的敏感波段。利用测定光谱反射,通过光谱变量计算以估测LAI和Chl等农学参数是可行的。单一生育期光谱建模估产的精度较低,而且应用时生育期也难统一。RVI复合估产模式和LAI-RVI综合估产模式的精度很高,但仍只是“样板模式”,实际应用于大田估产时,仍需进行多点试验,进一步验证模式并建立一套修正方法,以适应不同熟制和不同产量水平的需要。     

宁夏引黄灌区水稻冠层高光谱特征研究

以不同施氮量试验小区为依托,对各生育期水稻(Oryza sativa L.)冠层光谱反射率及一阶微分光谱进行分析。结果表明,水稻冠层光谱随生育期的变化规律与其生长发育变化特征相对应;不同施氮条件下水稻冠层光谱反射率随施氮量增加在可见光波段降低、近红外波段升高,其中550~600 nm和800~900nm处差异明显,是诊断氮素的特征波段;红边位置(λr)和红边斜率(Dr)在孕穗期前均随着氮素水平的提高而增加,齐穗期后λr出现蓝移现象,Dr减小;将特征波长的比值指数、λr和Dr与叶片氮积累量进行相关性分析,结果显示,800 nm和550 nm的反射率之比(R800 nm/R550 nm)与叶片氮积累量的相关性较好,其相关系数为0.864,λr和Dr与叶片氮积累量的相关系数分别为0.814、0.908。说明合适的光谱变量可以诊断水稻氮素状况,进而为合理施肥提供参考。     

建立大田晚稻农学光谱估产模式研究初报

晚稻大田试验结果表明,不同氮肥水平的水稻冠层光谱反射率存在着极显著差异630～690nm,760～900nm和520～600nm等3个波段可作为检测晚稻氮的敏感波段。RVI与LAI,LN,Chl等农学参数之间存在着显著或极显著的相关性。单期RVI与晚稻产量之间存在着显著相关性,但用几个生育期的RVI复合建立的光谱估产模式的精度提高,相关性达到极显著水平。LAI-RVI多元复合估产模式的精度最高,为最佳单产农学光谱估产模式。文中还就单产农学光谱模式的认识及应用问题作了较深入地讨论。     

Effects of nitrogen nutrition on the spectral reflectance characteristics of rice leaf and canopy

遥感技术使大面积监测植物长势及估测化学组成有了可能,高分辩力地物光谱仪应用于简单、快速、非破坏性地估测植物冠层化学组成的前景正引起越来越多的关注．本文通过田间试验及室内分析研究了氮肥水平对水稻叶片及冠层反射光谱特性的影响,氮素营养对从可见光至近红外较大范围水稻反射光谱特性有较大影响,随着氮素营养水平的提高,叶片及冠层可见光波段的光谱反射率下降,而近红外波段则增加,经两样本ｔ检验统计分析,在５４０,６８０ｎｍ和７４０～１０７０ｎｍ波段处对氮素营养水平最为敏感,而且各氮营养水平之间的反射率呈显著或极显著的差异．水稻叶片氮含量与冠层和叶片光谱变量呈极显著或显著的相关性,这表明利用光谱测试简单、快速、非破坏性地估测水稻氮素营养水平是可行的．     

基于光谱植被指数的冬小麦叶绿素含量反演

植物功能叶的SPAD值与其氮素和叶绿素有较强的相关性,研究功能叶SPAD与其冠层光谱的关系,对实现植株叶绿素含量快速、无损检测具有重要意义。本文通过对冬小麦生育期的冠层原始光谱进行一阶导数变换,研究其功能叶片SPAD值与冠层光谱的相关性,对监测冬小麦叶绿素含量的敏感波段进行了提取,并建立了叶绿素含量与冠层反射光谱的定量关系。结果表明,基于小麦冠层原始光谱反射率、冠层光谱导数反射率与SPAD的相关系数曲线,提取的各形式下冬小麦叶绿素含量的敏感波段分别为500、690、760和470、630、723nm;并构建了冬小麦叶绿素含量的预测模型,以FDNDVI(630,723)预测模型较好,其R2可达0.9485,模型验证参数R2、MRE和RMSE分别为0.8099、0.0294和1.805,拟合效果较好,表明该模型能有效地对冬小麦叶绿素含量进行预测。该研究结果可为冬小麦长势监测提供一定的理论参考。     

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为给枸杞病虫害的防治提供依据,填补我国枸杞光谱特征研究方面的空白,采用近地高光谱遥感方法对枸杞主产区宁夏中卫市中宁县枸杞的健康冠层与枸杞木虱、瘿螨、负泥虫和白粉病等4种枸杞病虫害危害冠层的近地高光谱特征及变化规律进行研究.结果表明:不同病虫害感染后的冠层都具特有的光谱特征规律.健康枸杞冠层的光谱特征曲线较为平滑,其光谱反射率在红光波段700～760 nm和近红外波段处高于染病冠层;木虱、瘿螨和负泥虫危害的冠层光谱特征曲线较为曲折,出现较多折点,并且发生蓝移现象;白粉病危害冠层的光谱特征较其他3种病虫害的平缓,但其光谱反射率在近红外波段较健康枸杞冠层的低.随着受害程度的加重,木虱危害的枸杞冠层光谱反射率在红光波段700～760 nm处和近红外波段处降低;瘿螨危害的枸杞冠层光谱反射率在绿光波段550～600 nm和红光波段600～700 nm处升高,在红光波段700～760 nm处和近红外波段处光谱反射率降低;负泥虫危害的枸杞冠层光谱反射率在红光波段700～760 nm和近红外波段处降低;白粉病危害的枸杞冠层光谱反射率在蓝光波段、绿光波段和红光波段600～730 nm处升高,在红光波段730～760 nm和近红外波段处降低.     

基于光谱指数的冬小麦变量施肥效应研究

【目的】由适时获得的高光谱数据代替传统繁琐的实验室土壤养分测定数据来进行变量施肥,实现冬小麦高产优质的目标。【方法】本研究利用冬小麦起身期和拔节期冠层光谱数据,选用反映冬小麦长势信息的优化土壤调节植被指数(OSAVI,optimization of soil-adjusted vegetation index)和变量施肥模型进行变量施肥管理(变量区),以相邻地块常规非变量(均一)施肥区(对照区)为对照,研究了不同氮肥处理冬小麦冠层光谱特征及其施肥效应。【结果】变量施肥之后两种氮肥处理在敏感波段670nm和760～900nm处反射率差异明显,而670nm和760～900nm是氮素和冠层的敏感波段,说明进行变量施肥时,利用基于这两个波段组合的光谱指数OSAVI优于其它波段组合的光谱指数;OSAVI不同生育时期的变化情况,反映了变量施肥在调控作物长势及群体结构上的优势;与对照区相比变量区提高产量达378.72kg·ha-1,并降低了各小区产量之间的变异,变量区土壤硝态氮浓度降低,氮肥利用率提高,生态效益较为明显。【结论】该技术通过改善冬小麦群体质量,延缓了植株衰老,促进干物质和氮积累,增加冬小麦产量和氮肥利用率。     

基于光谱指数的冬小麦变量施肥冠层光谱特征研究及产量分析

 【目的】由适时获得的高光谱数据代替传统繁琐的实验室土壤养分测定数据来进行变量施肥，实现冬小麦高产优质的目标。【方法】本研究利用冬小麦起身期和拔节期冠层光谱数据，选用反映冬小麦长势信息的优化土壤调节植被指数（OSAVI，optimization of soil-adjusted vegetation index）和变量施肥模型进行变量施肥管理（变量区），以相邻地块常规非变量（均一）施肥区（对照区）为对照，研究了不同氮肥处理冬小麦冠层光谱特征及其施肥效应。【结果】变量施肥之后两种氮肥处理在敏感波段670 nm和760～900 nm处反射率差异明显，而670nm和760～900nm是氮素和冠层的敏感波段，说明进行变量施肥时，利用基于这两个波段组合的光谱指数OSAVI优于其它波段组合的光谱指数；SAVI不同生育时期的变化情况，反映了变量施肥在调控作物长势及群体结构上的优势；与对照区相比变量区提高产量达378.72 kg•ha-1，并降低了各小区产量之间的变异,变量区土壤硝态氮浓度降低，氮肥利用率提高，生态效益较为明显。【结论】该技术通过改善冬小麦群体质量，延缓了植株衰老，促进干物质和氮积累，增加冬小麦产量和氮肥利用率。     

基于PROSAIL模型的水稻叶片生物量反演

为解决水稻叶片生物量反演模型普遍存在的泛用性与机理性较差的问题,利用无人机高光谱遥感平台获取水稻冠层400～1 000 nm的高光谱反射率信息,对PROSAIL模型进行参数敏感性分析,根据分析结果利用连续投影法提取敏感波段,在此基础上,结合PROSAIL作物辐射传输模型与水稻高光谱数据,运用秃鹰算法（BES）对PROSAIl模型的生物量参数进行数值优化,从而快速、精准实现水稻关键生育期的叶片生物量反演。结果显示：运用改进Sobol方法对水稻叶片生物量进行全局敏感性分析,敏感区间为700～1 000 nm。对敏感区间内光谱利用连续投影法提取了750、788、898、940、962、999 nm等6个水稻叶片生物量特征波长。结合PROSAIL模型与BES优化算法,构建了PROSAIL-BES数值优化方法。以水稻特征波段光谱反射率为模型输入,通过PROSAIL-BES数值优化方法对PROSAIL模型参数进行校正,叶片生物量反演结果 R2为0.694,RMSE为0.002。结果表明,与传统机器学习模型的反演结果对比,PROSAIL-BES数值优化方法具有更好的反演精度,在水稻生物量反演领域具有...     

SO2对水稻生理指标和光谱特征的影响

通过田间开顶式小区熏气试验,研究了SO2急性伤害对水稻叶绿素含量、叶液pH值、叶片含硫量和冠层光谱反射率及其相关性的影响,为遥感监测SO2污染环境下水稻长势提供基础研究.结果表明,随SO2 熏气浓度的增大,叶绿素含量呈减少趋势,叶片含硫量呈增加趋势.叶液pH值相应地降低,光谱反射率曲线在绿光和红光波段、蓝光和绿光波段之间的吸收谷有变平的趋势.选取冠层光谱叶绿素反射峰(550 nm±10 nm反射率)和近红外波段770 nm±10nm反射率(反映叶片结构)与叶片含硫量、叶绿素含量和叶液pH值进行的相关分析表明,(550±10)nm(770±10)nm冠层光谱反射率与叶片含硫量呈负相关,与叶液pH值、叶绿素总量均呈正相关.     

水稻叶片高光谱响应特征及氮素估算

将高光谱遥感技术应用于高纬度高海拔宁夏回族自治区,探讨水稻氮素快速无损的监测方法,为科学合理地施肥提供依据。对3个不同施氮水平、5个生育期水稻叶片反射光谱的响应特征及叶片叶绿素相对含量(SPAD值)进行对比分析,将光谱及SPAD值与氮素含量进行相关分析,筛选诊断氮素含量的特征光谱并构建氮素估算模型。结果表明,随着生育期的推进,叶片光谱反射率在可见光范围内呈增加趋势,该变化特征与SPAD值变化规律基本一致,近红外区光谱反射率呈先增加后降低的规律;随氮素含量增加可见光反射率降低,近红外反射率增加,SPAD值与氮素含量呈正相关(r=0.766);各波段对氮素的光谱响应程度不同,可见光波段更敏感,原始光谱612 nm和一阶微分666 nm为特征波长;叶片氮素估算最优模型为y=9.155x1-0.111x2+0.050x3+2.102(x1、x2、x3分别为R612 nm、R666 nm、SPAD值)。     

枸杞4大病虫害的遥感近地高光谱特征

为给枸杞病虫害的防治提供依据,填补我国枸杞光谱特征研究方面的空白,采用近地高光谱遥感方法对枸杞主产区宁夏中卫市中宁县枸杞的健康冠层与枸杞木虱、瘿螨、负泥虫和白粉病等4种枸杞病虫害危害冠层的近地高光谱特征及变化规律进行研究。结果表明:不同病虫害感染后的冠层都具特有的光谱特征规律。健康枸杞冠层的光谱特征曲线较为平滑,其光谱反射率在红光波段700~760nm和近红外波段处高于染病冠层;木虱、瘿螨和负泥虫危害的冠层光谱特征曲线较为曲折,出现较多折点,并且发生蓝移现象;白粉病危害冠层的光谱特征较其他3种病虫害的平缓,但其光谱反射率在近红外波段较健康枸杞冠层的低。随着受害程度的加重,木虱危害的枸杞冠层光谱反射率在红光波段700~760nm处和近红外波段处降低;瘿螨危害的枸杞冠层光谱反射率在绿光波段550~600nm和红光波段600~700nm处升高,在红光波段700~760nm处和近红外波段处光谱反射率降低;负泥虫危害的枸杞冠层光谱反射率在红光波段700~760nm和近红外波段处降低;白粉病危害的枸杞冠层光谱反射率在蓝光波段、绿光波段和红光波段600~730nm处升高,在红光波段730~760nm和近红外波段处降低。     

基于冠层高光谱的南方丘陵地区晚稻氮素营养诊断

为研究水稻氮素营养诊断的快速方法、初步构建基于高光谱的水稻氮素营养诊断模型,以南方丘陵区晚稻氮肥试验为例,利用分别测定不同施氮水平及水稻不同生育期水稻冠层叶片的高光谱反射特征,应用一阶微分光谱以及植被指数分别构建基于高光谱的晚稻氮素营养诊断模型。结果表明:不同氮素水平下冠层叶片光谱反射率的差异主要集中在400~650 nm可见光处和730~1350 nm近红外处,随着冠层氮素含量增加可见光处光谱反射率降低,而在近红外范围内反射率增加。随着水稻生长发育,冠层叶片光谱反射率降低,而且反射峰值由519 nm向554 nm移动。应用738 nm处的光谱反射率与叶片氮素含量建模,用一阶微分反射率得到的最优模型为指数模型Y=1.591 4e~(88.794X)(R~2=0.736 2),用比值植被指数(RVI)和归一化植被指数(NDVI)得到的最优模型分别为指数模型Y=18.658e~(-1.040 9X)(R~2=0.630 4)和二次多项式Y=-17.454X~2+0.733 1X+4.130 2(R~2=0.652 3),所有模型中以一阶微分反射率得到的模型最佳,最适合于在供试条件下的水稻氮素营养诊断。     

基于高光谱的柑橘叶片氮素营养监测模型

以温柑为试材进行4个施氮水平的野外试验,于不同物候期取样测定叶片光谱反射率、叶片氮含量和叶片氮积累量,筛选叶片氮含量和叶片氮积累量的敏感光谱波段与最佳植被指数。结果表明,柑橘叶片氮素营养监测敏感光谱分别为514、630、633、690、814、868 nm。基于波长690、868 nm的双波段植被指数能够建立最佳的温柑叶片氮含量预测模型并具有良好的预测效果;基于波长514、868 nm的双波段植被指数能够建立最佳的温柑叶片氮积累量预测模型,且预测效果优于叶片氮含量的模型。     

基于高光谱的梭梭幼苗生境土壤氮素含量估算模型研究

【目的】研究荒漠区梭梭幼苗植株冠层光谱特征,建立基于高光谱的幼苗生境土壤氮素含量最佳估测模型,为荒漠区植物与土壤养分状况的实时监测与精确诊断提供重要依据。【方法】以古尔班通古特沙漠梭梭幼苗及其生境土壤为研究对象,采用便携式光谱仪测定幼苗植株冠层光谱反射率,结合室内分析的幼苗生境土壤氮素含量,利用统计学方法分析幼苗植株冠层光谱与生境土壤氮素含量之间的关系。【结果】生长期内幼苗植株冠层光谱反射率一阶微分与土壤氮素含量在403～485、509～538、677～806、1 489～1 616 nm波段范围内呈显著正相关,其中在428、516、751、801、1 534 nm处呈极显著正相关,以751 nm处的相关系数最大,为最强敏感波长。【结论】基于植株冠层光谱反射率一阶微分敏感波段建立的反演模型Y=133.186X_(751)+8.803,其决定系数最大,相对误差最小,拟合效果最优,预测精度较高,可作为荒漠区梭梭幼苗生境土壤氮素含量的最优估算模型。     

水稻叶片反射光谱诊断氮素营养敏感波段的研究

田间小区试验叶色差异明显而生育期相似的两品种第一和第三完全展开叶片光谱反射率与氮素营养相关性分析表明,不同品种同一叶位之间这种相关性变化规律一致,然而在不同叶位之间相关性变化不尽一致.进一步对比分析大田区域试验和小区试验叶片光谱反射率与氮素营养相关性发现两区域样本相同叶位之间相关性变化规律相同.分析第一、三完全展开叶叶片光谱反射率处理之间差异显著性表明,存在差异显著的波段范围主要集中在绿光(525～605 nm)、黄光(605～655 nm)和短波近红外光(750～1100nm)范围内.和叶片氮素含量之间相关性最大的波段主要为绿光(525～605 nm)和黄光(605～655 nm)范围,而短波近红外光范围与叶片氮素含量之间相关性最小.因此和IKONOS2、IKONOS4、MSS4、MSS6、MSS7、SPOT1、SPOT3、TM2、TM4、AVHRRCH1、AVHRRCH2相对应的绿光(525～605 nm)、黄光(605～655 nm)和短波近红外光(750～1100nm)是叶片反射光谱诊断氮素营养的敏感波段范围.     

棉花冠层反射光谱与叶片氮含量定量关系研究

对可见光波段至短波红外波段(350～2 500 nm)棉花田间冠层光谱反射率与叶片含氮量间的关系进行了相关分析.结果表明,350～732、733～940和1 970～2 477 nm波段的光谱反射率与叶片含氮量极显著相关;940～1 176 nm波段的光谱反射率与叶片含氮量显著相关,以上波段为叶片全氮敏感波段.通过分析叶片含氮量与高光谱特征参数关系,得出吸收谷特征参数Depth1154和PRI(570,530 nm)可以用来预测盛花期叶片含氮量,其中Depth1154的复相关系数最高达到0.747 3,为运用遥感技术大面积、迅速、无破坏地来预测棉花生长状况以提供可能.     

辣椒盛果期的冠层反射光谱特征

为了对辣椒品种识别、生产及产量监测提供更加可靠的技术手段,分析了4个辣椒品种盛果期冠层反射光谱数据的差异及其与叶片全氮、叶片 SPAD 和地上干生物量之间的相关性。结果表明：盛果期的可见光波段和近红外波段冠层光谱反射率能容易地区别4个辣椒品种;叶片全氮含量敏感波段8819线椒为753 nm,黔春201为698 nm 和764 nm,日本三樱椒为494 nm,遵义朝天椒为767 nm;叶片 SPAD 敏感波段8819线椒为720 nm,黔春201为726 nm,日本三樱椒为548 nm,遵义朝天椒为718 nm;地上干生物量的敏感波段8819线椒为728 nm 和1345 nm,黔春201为727 nm 和1145nm,日本三樱椒为690 nm,遵义朝天椒为767 nm。     

基于高光谱技术的覆膜旱作水稻植株氮含量及籽粒产量估算

为建立利用光谱技术快速诊断覆膜旱作水稻植株氮营养和产量的估算模型,应用高光谱技术分析了长江中下游覆膜旱作区水稻拔节期和抽穗期内5种不同施氮水平(0、60、120、180和240kg/hm~2(N))下植株冠层光谱特征及其与植株氮素含量和产量的关系,并分别构建了植株含氮量和产量的估算模型。结果表明:拔节期和抽穗期内不同供氮水平下冠层光谱的变化规律基本一致,均随着供氮水平的增加,反射率在可见光区降低、在近红外区增大。覆膜旱作水稻植株氮含量与552和890nm 2个敏感波段构成的比值(RVI)和绿色归一化植被指数(GNDVI)的关系最佳。构建的水稻关键生育期植株全氮含量及水稻产量的估算模型预测效果均较好,其中植株全氮含量拟合方程的决定系数为0.730~0.808,采用拔节期的RVI对覆膜旱作水稻进行估产的决定系数达到0.724。本研究构建的模型可以用来估计该地区覆膜旱作水稻的氮素营养状况和作物产量。     

宁夏银北盐碱地不同植被光谱特征研究

【目的】研究不同程度盐碱化土壤上植被的光谱特征，为基于典型植被冠层光谱特征估测宁夏银北地区植被生长状况和土壤盐碱化程度提供理论依据。【方法】于2018年7月中旬，在宁夏银北盐碱地区选取样地，调查不同盐碱化程度土壤的理化性质及其上代表性植被的叶片叶绿素相对含量，分析不同程度盐碱化土壤上代表性植被类型（白刺和芦苇）以及中度盐碱化程度土壤上15种植被（向日葵、芦苇、花花柴、白茎盐生草、西伯利亚滨藜、藜、稗、紫苜蓿、柳枝稷、水稻、砂引草、白刺、槐、赖草、芨芨草）的冠层光谱特征及红边参数变化，研究植被冠层红边参数与土壤pH值、全盐含量以及叶片叶绿素含量的相关性。【结果】不同程度盐碱化土壤的理化性质及其上代表性植被的叶片叶绿素相对含量有明显差异。随着土壤盐碱化程度的增加，在可见光波段（350～760 nm），白刺冠层光谱反射率呈先上升后下降的趋势，芦苇冠层光谱反射率总体上先降低后升高；在760～1 400 nm波段，白刺冠层光谱反射率逐渐降低，芦苇冠层反射率先升高后降低；在1 400～2 500 nm波段，白刺冠层反射率分别是先升高后降低（1 400～1 900 nm）和持续增加（1 900～2 500 nm），芦苇冠层反射率先降低后升高。随着土壤盐碱化程度的增加，白刺冠层光谱红边位置、红边斜率、红边峰值面积以及红边斜率与最小振幅的比值均减小；芦苇冠层光谱以上红边参数均先增加后减小。中度盐碱化土壤上，15种植被冠层光谱特征曲线变化趋势相似，但光谱反射率大小存在不同程度差异；除了最小振幅之外，15种植被冠层光谱的红边位置、红边斜率、红边峰值面积以及红边斜率与最小振幅的比值差异较大，故根据光谱特征在野外能够区分典型植被类型。土壤pH值与红边位置、红边斜率和红边峰值面积均呈极显著负相关关系，与红边斜率与最小振幅的比值呈显著负相关关系；土壤全盐含量与红边参数均不相关；叶片叶绿素含量与红边位置之间呈极显著正相关关系，与红边斜率和红边峰值面积之间为显著正相关关系。【结论】在不同程度盐碱化土壤上，不同植被冠层光谱特征变化趋势有差异，根据典型植被冠层光谱特征可以估测宁夏银北地区植被生长状况和土壤pH。