不同品种水稻叶片的高光谱特征及其色素、含水率分析

研究了7个供试水稻品种孕穗期叶片色素以及含水率与高光谱特征参数之间的关系.在绿峰反射、红谷吸收以及水分吸收处,不同供试水稻品种高光谱波段反射率有显著差异.利用相关的分析方法,以(R6,40-R670)/R670、(R800-R680)/(R800+R800)、1/R510-1/R550、Dr、Sr、Rg6个光谱参数构建水稻叶片色素模型;同时,分析1 450 nm处水稻叶片含水率与吸收深度及吸收面积的相关性.研究表明,不同品种水稻含水率与光谱吸收差异在一定程度上反映出水稻品种间抗虫性差异.水稻叶片色素、含水率的高光谱特征在较大尺度上对田间水稻品种分类、健康诊断和品种抗性鉴定上有重大意义.     

关中地区小麦冠层光谱与氮素的定量关系

【目的】分析不同生育期及整个生育期小麦叶片氮含量(LNC)与冠层光谱反射特征的关系,以实现对田间小麦活体氮素营养状况的监测,为小麦叶片氮素状况的精确诊断提供依据。【方法】以位于陕西关中地区杨凌揉谷镇、扶风马席村和巨良农场的3个小麦试验田为研究对象,测定不同长势及生育期小麦LNC及冠层光谱反射率,分析不同长势下小麦LNC和反射率的变化,并研究氮含量与冠层光谱反射率的相关性,以及小麦LNC与比值植被指数(RVI)、归一化植被指数(NDVI)的相关性,建立小麦LNC的敏感波段及光谱监测模型。【结果】在同一生育期,长势差的小麦叶片氮含量较低,长势较好的叶片氮含量高。与单波段相比,组合波段构成的植被指数RVI、NDVI与LNC的相关性明显提高,近红外波段(730~1 075nm)和红波段630,660,690nm组成组合波段的RVI、NDVI与LNC呈极显著正相关,其中LNC与RVI的相关性较高。利用独立的小麦田间试验数据,采用通用的均方根差(RMSE)、决定系数(R2)、准确度(斜率)3个指标对所建立的模型进行检验,最终选取RVI(970,690)为监测小麦LNC的最佳光谱参数,构建的最佳模型为LNC=0.176 3×RVI(970,690)0.775 6,R2为0.863,RMSE为0.137,准确度为0.979,接近于1。【结论】利用小麦冠层光谱反射率构建了预测小麦LNC的最佳模型,该模型具有较好的准确度和普适性,适用于整个生育期小麦叶片氮含量的监测。     

小麦叶层氮含量估测的最佳高光谱参数研究

 【目的】作物体内氮素状况是评价长势和预测产量的重要指标。小麦植株氮素营养的快速监测和无损诊断对于精确氮素管理具有重要作用。本文旨在通过对高光谱信息的精细分析和信息提取,探索建立小麦叶片氮含量（LNC,leaf nitrogen content）估算的最佳波段、光谱参数及监测模型。【方法】利用连续4年的系统观测资料,采用精细采样法,详细分析350～2 500 nm波段范围内原始光谱反射率及其一阶导数光谱的任意两两波段组合而成的主要高光谱指数与小麦冠层叶片氮含量的定量关系。【结果】发现小麦叶片氮含量的最佳波段为位于红边的690、691、700和711 nm以及近红外波段的1 350 nm;基于归一化光谱指数NDSI（R1350,R700）和NDSI（FD700,FD690）、比值光谱指数RSI（R700,R1350）和RSI（FD691,FD711）、土壤调节光谱指数SASI（R1350,R700）（L=0.09）和SASI（FD700,FD690）（L=-0.01）构建氮含量监测模型,决定系数（R2）分别为0.851和0.857、0.842和0.893、0.860和0.866。利用独立试验资料对模型检验的结果显示,模型测试的精度（R2）均大于0.758,RRMSE均小于0.266,尤其是高光谱参数RSI（FD691,FD711）和SASI（FD700,FD690）表现最好。【结论】总体上,利用精细采样法确定最佳波段,构建植被指数和氮含量监测模型,可显著提高模型的精确度和可靠性,从而为快速无损诊断小麦叶层的氮素状况提供新的波段选择和技术途径。     

一种新的估算水稻上部叶片蛋白氮含量的植被指数

 【目的】阐明水稻顶部4张叶片蛋白氮含量和反射光谱特征的变化规律及其相互关系,建立快速、准确诊断水稻功能叶片蛋白氮含量的方法。【方法】通过3年不同施氮水平和不同品种类型的大田试验,分生育期同步测定顶部4张叶片的光谱反射率及蛋白氮含量,系统分析叶片蛋白氮含量与多种高光谱参数的定量关系。【结果】水稻叶片蛋白氮含量和光谱反射率在不同施氮水平、不同生育期及不同叶位间均存在明显差异,叶片蛋白氮含量的敏感波段主要存在于可见光绿光区530～580 nm及红边区域695～715 nm,其中红边区域表现最为显著。红边区域700 nm附近波段与近红外短波段的比值组合(SRs)可以有效地估算水稻上部功能叶片的蛋白氮含量,其次是绿光区587 nm左右的波段与近红外短波段的比值组合。基于新提出的SR（770,700）及已报道的GM-2、SR705、RI-half光谱指数,线性回归模型的拟合精度（R2）分别达到 0.874,0.873,0.871和0.867。经独立资料的检验表明,这些回归模型可以实时监测叶片蛋白氮含量变化,预测精度R2分别为0.810、0.806、0.804和0.800,相对误差RE 分别为12.1%、12.4%、12.6%和12.9%。【结论】可以利用关键特征光谱指数来诊断水稻上部叶片的蛋白氮含量状况,尤以SR（770,700）、GM-2、SR705和RI-half表现为较强的估测能力。     

基于高光谱的苹果盛果期冠层叶绿素含量监测研究

【目的】建立苹果冠层叶绿素含量及冠层光谱特征参量间的定量关系模型,以促进高光谱技术在苹果树精准施肥以及快速、无损长势监测中的应用。【方法】以蒙阴县果园的苹果树为试验材料,连续2年分别测定了苹果冠层光谱反射率和冠层叶绿素（Chl(a+b)）含量,分析了冠层叶绿素含量与光谱反射率之间的相关关系,并计算了400—1 000 nm任意两波段组合而成的RVI、DVI、NDVI和RDVI,分析了它们与冠层叶绿素含量的关系,以逐步回归分析做比较,建立了苹果冠层叶绿素含量监测模型。【结果】结果表明,以单变量估算叶绿素含量的最佳光谱指数为NDVI(975,742),相关系数为0.5093。利用多元逐步回归建立的苹果冠层叶绿素含量最佳监测模型为Y=-0.56(log1/R)771-0.48(log1/R)1978 +0.20(log1/R)2407 -0.10(log1/R)2440+4.749。【结论】用多元逐步回归方法建立的模型来监测苹果冠层叶绿素含量效果较好,为利用高光谱技术监测苹果生长状况提供了理论依据。     

基于EFAST方法的苹果叶片叶绿素含量估算

为了快速、准确地估算叶绿素含量,使用2012年和2013年在山东省肥城市潮泉镇获取的整个生育期苹果叶片叶绿素含量和配套的光谱数据,利用PROSPECT模型和EFAST方法探讨了对叶绿素含量敏感的波段,然后采用经验统计方法实现了单波段高光谱对苹果叶片叶绿素含量的监测。结果表明:以571 nm和697 nm波段光谱参数为自变量所建立的估测模型拟合精度较高,其决定系数(R2)分别为0.71和0.69,均方根误差(RMSE)分别为1.14、1.17 mg/dm~2,相对误差(RE)分别为-1.07%和-1.01%。以PROSPECT模型和EFAST方法整合筛选的敏感波段建立的估算模型监测叶绿素含量效果较好,为利用高光谱技术监测苹果长势提供了理论依据。     

基于冠层光谱红边参数和植被指数的 冬小麦水分胁迫监测

基于冬小麦不同水分胁迫试验,采用便携式光谱仪测定冬小麦抽穗期、开花期和灌浆期受不同水分胁迫处理的冠层光谱反射率,分析不同水分处理下冬小麦冠层光谱特性,并对植被指数、红边参数与冠层叶片含水率和土壤含水率进行相关性分析,构建各生育期叶片含水率和土壤含水率的最佳监测模型,实现对冠层叶片含水率以及土壤含水率的监测评估。结果显示,在整个生育期,冬小麦的冠层光谱反射率在可见光范围呈现绿峰红谷,尤其在旺盛生长时期,随着水分胁迫程度加深,绿峰红谷逐渐变得不明显,红谷抬升幅度增大;相反,在近红外波段范围内水分胁迫主要使得反射率表现为明显下降;冬小麦红边参数随生长进程呈蓝移现象,灌浆期受胁迫程度越重的红边参数越低;植被指数(EVI、NDVI、SAVI、WI)在开花期之后具有不同程度的下降趋势,至灌浆期有大幅度减小,且随受胁迫程度加深植被指数下降幅度增大;植被指数和红边位置、红边面积在灌浆期与叶片含水率和土壤含水率有显著相关,其中植被水分指数WI、归一化植被指数NDVI和红边位置λ_(red)相关性较佳,其建立的叶片含水率和土壤含水率估算模型效果较好,决定系数r~2均大于0.84,平均相对误差(MRE)≤0.207。综合分析认为,冠层反射光谱特征和植被指数与冬小麦冠层叶片含水率和土壤含水率相关性良好,可利用高光谱遥感参数对冬小麦的水分状况进行快速、准确监测。     

棉花叶面积指数冠层反射率光谱响应及其反演

【目的】研究棉花冠层光谱对不同叶面积指数（LAI）的响应，建立棉花LAI光谱反演模型。【方法】利用2003～2004年采集的棉花光谱与LAI的246组数据，分析LAI与冠层反射率光谱和反射率一阶微分光谱间的定量关系。【结果】当LAI大于2.5后不同LAI棉花群体光谱反射率在可见光波段趋于饱和；LAI与可见光波段和短波红外波段（水分吸收带除外）光谱反射率呈显著负相关，与近红外波段高光谱反射率呈显著正相关；LAI与棉花反射率一阶微分光谱主要在蓝边（523～531 nm）、黄边（570～576 nm）、红边（700～755 nm）形成3个相关系数高台区，均达极显著水平，其中红边区的相关性最高。棉花红边位置固定，分别在718 nm和723 nm，且以 723 nm处对LAI更敏感。在反演棉花LAI的高光谱参数中VI (660、800)、VI (550、800)、VI (500、800)、VI (670、800)、Sdy (570～573 nm)、SDr (714～755 nm)、D723、Dr 估算LAI相对误差低于30%，RSME小于0.6，其中VI (600、800)、VI(550、800)两个参数估算水平最高，相对误差分别为21.7%与21.0%，RMSE分别为0.416与0.419；利用SDr与SDr/SDb分别对LAI大于1.0 与小于1.0 的棉花群体反演，能显著提高LAI的估算水平。【结论】应用高光谱分析方法能够提取棉花冠层特征光谱信息，构建LAI高光谱反演参数，建立估算模型，并且利用包含不同光谱参数的分段模型可以进一步提高LAI反演精度。     

基于不同土壤质地的小麦叶片氮含量高光谱 差异及监测模型构建

【目的】叶片氮素状况是小麦生产中精确施氮管理与调控的前提,实时无损监测叶片氮素状况对小麦生产管理具有重要意义。本文旨在综合分析不同环境下小麦冠层光谱响应差异,进而构建其估测模型,为小麦氮肥合理运筹提供技术支持。【方法】本研究基于3种不同土壤质地（砂土、壤土和黏土）、5种不同施氮水平（0、120、225、330和435 kg•hm-2）及3种河南省主栽小麦品种（矮抗58、周麦22和郑麦366）连续2年的大田试验,于小麦主要生育时期同步测定冠层光谱反射率和叶片氮含量,对3种不同土壤质地条件下小麦冠层叶片氮含量的高光谱响应差异进行比较,系统分析350—1 050 nm 波段范围内任意两波段组合而成的差值（DSI）、比值（RSI）及归一化差值（NDSI）光谱指数与叶片氮含量的量化关系,并建立估算模型。【结果】冠层光谱反射率在不同施氮水平和不同生育时期下存在明显差异,但趋势基本一致;比较3种土壤质地小麦冠层光谱反射率大小表现为：黏土＞壤土＞砂土,可以反映小麦实时田间长势。通过系统分析3种土壤质地小麦冠层反射光谱与对应叶片氮含量间的定量关系,表明在可见光和近红外区域均有较好的相关性,但敏感波段区域有所不同。对3种质地获取的样本进行系统分析表明,砂土、壤土和黏土质地小麦叶片氮含量分别以光谱指数NDSI（FD710,FD690）、DSI（R515,R460）和RSI（R535,R715）建模结果表现最好,决定系数分别达到0.88、0.87和0.87。经不同年份独立资料检验结果显示,基于上述光谱指数估测小麦叶片氮含量的预测决定系数分别为0.87、0.85和0.77,预测均方根误差分别为0.31、0.32和0.26。【结论】利用光谱参数NDSI（FD710,FD690）、DSI（R515,R460）和RSI（R535,R715）为自变量建立的估测模型分别可以较好地预测砂土、壤土和黏土3种质地小麦叶片氮含量。     

毛竹叶片光合色素的光谱估算模型

采用便携式光谱分析仪UniSpec-SC对毛竹叶片的光谱特性与光合色素含量进行相关分析和回归分析,建立了毛竹叶片光合色素含量与绿峰位置、红边波段和红边位置之间的定量分析模型,并对模型的稳定性和预测能力进行了检验。结果表明:叶绿素a、叶绿素b、总叶绿素和类胡萝卜素的最佳光谱估算模型均为以红边波段光谱反射率为自变量的指数函数模型,该模型对毛竹幼叶、1龄成熟叶、2龄成熟叶各参数的预测有很好的拟合度和精度,同时也适用于雷竹和乌哺鸡等刚竹属同类竹种的光合色素估算。     

基于高光谱成像技术的菊花花色表型和色素成分分析

为无损、高效测定菊花花色表型和色素成分及含量,以菊花160个品种为研究材料,用紫外分光光度法测定舌状花的色素种类和含量;用高光谱成像技术对菊花不同品种头状花序上不同花轮位置上舌状花不同部位的高光谱反射值进行测定;对高光谱反射指数与舌状花色素含量实测值间的相关性进行分析。结果表明:1)菊花头状花序中轮的舌状花正面的中部或偏后部获得的高光谱测定数据稳定。2)菊花相同色系品种具有相似的高光谱特征曲线,不同色系品种高光谱特征曲线存在差异。3)高光谱反射指数RRed/RGreen、ARI、mARI、mCRI、TCARI与菊花舌状花色素含量之间有较好的相关性,并利用80个品种分别建立了色素成分及含量监测模型。4)利用另外80个菊花品种进行验证发现,以RRed/RGreen、ARI和mARI建立的花青素含量监测模型、mCRI建立的类胡萝卜素含量监测模型和TCARI建立的叶绿素含量监测模型精度较高,可以无损、快速地测定菊花舌状花色素成分和含量。本研究为观赏植物花色表型分析和色素成分及含量的测定提供了一种新的思路和方法。      

基于高光谱植被指数的马铃薯叶片叶绿素含量估测模型

【目的】筛选相关性好的植被指数构建马铃薯叶片叶绿素a、叶绿素b估测模型,为科学、无损地进行马铃薯叶片叶绿素含量估算提供技术支撑。【方法】采用便携式高光谱地物波谱仪,获取不同施氮水平下不同生育时期的马铃薯植株叶片光谱反射率,提取植被指数,测定马铃薯叶片叶绿素a、叶绿素b含量,并研究叶绿素含量与植被指数的相关性。【结果】12个植被指数与叶绿素a、叶绿素b含量相关性较好,其中修正归一化差异指数(mND_(705))、修正简单比值指数(mSR_(705))、地面叶绿素指数(MTCI)、修改叶绿素吸收反射指数(MCARI)与叶绿素a、叶绿素b含量相关性最好。基于这4个植被指数建立的估测模型中,MTCI构建的乘幂模型估测叶绿素a含量的效果最佳,mND_(705)构建的指数模型估测叶绿素b含量的效果最佳。【结论】MTCI构建的乘幂模型能较为精确地估测叶绿素a含量,mND_(705)构建的指数模型能较为精确地估测叶绿素b含量;这2种模型可用于间接监测马铃薯植株的氮营养亏缺状态。     

枇杷叶片越冬期光合色素及矿质营养含量的变化

以枇杷品种解放钟为材料,对越冬期(2002年11月至2003年2月)叶片光合色素及矿质营养含量的变化进行了研究.结果表明,越冬过程中解放钟枇杷幼叶、成熟叶及老叶叶绿素b含量逐渐下降,而叶绿素a、叶绿素a b及类胡萝卜素(Car)含量先增加后下降,2月份其含量降至最低.11月份至翌年1月份叶片叶绿素a、叶绿素b、叶绿素a b及Car含量为:老叶>成熟叶>幼叶;2月份叶片叶绿素a b含量及叶绿素a/b表现为:成熟叶>老叶>幼叶.幼叶叶绿素a b含量大幅度降低是叶绿素a含量下降的结果.叶片N、P含量表现为先上升后下降,至2月份降至最低;成熟叶及老叶K含量保持相对稳定;叶片中Ca、Fe含量呈增加趋势,且老叶>成熟叶>幼叶;而幼叶Mg含量略高于老叶和成熟叶.枇杷成熟叶和老叶光合色素及叶片N、P、K、Ca、Fe含量的变化可能是其对冬季适应性的生理反应.     

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.     

2种刺柏属彩色树叶色参数与色素变化

  目的  研究刺柏属Juniperus彩色树叶色参数与色素变化规律。  方法  以欧洲刺柏‘金叶疏枝’Juniperus communis ‘Gold Cone’ (JC)和鹿角桧‘金叶’Juniperus×media ‘Pfitzeriana Aurea’ (JM) 2年生扦插苗为对象,测定不同季节叶色参数(L*、a*、b*)、光合色素(叶绿素a、叶绿素b、类胡萝卜素)质量分数和花色素苷相对含量,并进行相关分析,建立叶色参数和色素含量的回归方程。  结果  ①不同季节欧洲刺柏‘金叶疏枝’和鹿角桧‘金叶’的叶色参数变化趋势不同。‘金叶疏枝’的L*、b*值变化趋势相同,始终为正值,a*值秋冬季显著升高,由负变正;‘金叶’的L*值春夏显著上升,a*值波动幅度不明显,色相始终偏绿,b*值春夏显著上升,秋冬季无波动,色相始终偏黄;春夏秋季‘金叶疏枝’的L*、b*值显著高于‘金叶’。②‘金叶疏枝’的花色素苷相对含量与L*、b*值呈极显著负相关,与a*值呈极显著正相关;‘金叶’的光合色素与b*值呈极显著负相关。③逐步回归结果表明:a*值与b*值可以准确预估‘金叶疏枝’花色素苷相对含量的年变化和秋季变化,b*值和L*值可以准确预估‘金叶’光合色素质量分数的年变化和夏季色素变化。  结论  2种刺柏属彩色树的叶色参数与色素含量关系显著相关,不同树种不同时期存在差异;‘金叶疏枝’叶色观赏性整体好于‘金叶’。建立的叶色参数与色素含量回归方程,可以实现以叶色参数精确预估叶片色素含量。图2表4参32     

基于高光谱的冬小麦叶面积指数估算方法

【目的】冬小麦叶面积指数是评价其长势和预测产量的重要农学参数,高光谱技术监测叶面积指数的方法能够实现快速无损的监测管理。本文旨在将田间监测和高光谱遥感相结合,探索研究中国南方江汉平原地区冬小麦的最佳波段、光谱参数及监测模型。【方法】研究选取江汉平原的湖北省潜江市后湖管理区,利用ASD地物光谱仪和SunScan冠层分析系统在田间对冬小麦的冠层光谱及叶面积指数的变化进行监测,并探讨高光谱植被指数与冬小麦叶面积指数之间的定量关系。通过相关性分析、回归分析等方法构建6种植被指数与冬小麦叶面积指数的反演模型。【结果】冬小麦冠层光谱反射率中近红外波段870 nm,红光波谷670 nm,绿光波峰550 nm,蓝光450 nm波段对叶面积指数变化最为敏感,通过构建植被指数与叶面积指数模型,相关性均较好,决定系数（R2）为0.675-0.757,其中NDVI反演模型的R2最高为0.757。【结论】经模型精度检验,NDVI植被指数反演模型的精度较其它模型好,较适合对研究样区的冬小麦进行叶面积指数反演。     

基于高光谱的水稻叶片含水量监测研究

【目的】建立快速、无损诊断水稻叶片含水量的估测模型,为水稻水分精确管理提供依据。【方法】基于2年不同土壤水分处理和水稻品种的池栽试验,于水稻主要生育时期同步测定顶部4张叶片的光谱反射率和含水量,系统分析350-2 500 nm波段范围内任意两波段组合而成的比值（RSI）、归一化差值（NDSI）及差值（DSI）光谱指数,并分析其与叶片含水量的量化关系。【结果】不同土壤水分处理和叶位间,叶片反射光谱具有显著的时空变化特征,叶片含水量的敏感光谱波段主要位于近红外及短波红外区域;RSI （R1402, R2272）及NDSI （R1402, R2272）光谱指数与叶片含水量呈现良好的线性相关,线性拟合R2均达到0.80。基于独立试验资料对所建模型进行测试检验也显示,预测值和观察值的拟合R2也均达到0.86。【结论】RSI（R1402, R2272）、NDSI（R1402, R2272）均可用于水稻叶片含水量的定量监测。     

硒对铜胁迫酿酒葡萄幼苗生理特性的影响

[目的]探讨亚硒酸钠(Na2SeO3)对铜胁迫酿酒葡萄幼苗生理特性的影响,为揭示硒元素缓解酿酒葡萄幼苗铜胁迫作用提供参考依据.[方法]以宁夏贺兰山东麓酿酒葡萄产区淡灰钙土在温室中盆栽酿酒葡萄赤霞珠,分析添加外源硒(1.0mg/kg)对铜胁迫(300.0mg/kg)酿酒葡萄幼苗叶片光合色素含量、抗氧化酶[过氧化物酶(POD)、过氧化氢酶(CAT)和超氧化物歧化酶(SOD)]活性、丙二醛(MDA)和可溶性蛋白含量的影响.[结果]与对照(CK)相比,1.0mg/kg硒处理能提高酿酒葡萄幼苗叶片的叶绿素a(Chla)、叶绿素b(Chlb)和总叶绿素(Chla+b)含量及POD和CAT活性,降低MDA含量,但对SOD活性和可溶性蛋白含量无显著影响(P>0.05);300.0mg/kg铜胁迫可显著降低葡萄幼苗叶片的叶绿素(Chl)和可溶性蛋白含量(P<0.05,下同),提高Chla/b、抗氧化酶活性及MDA含量;1.0mg/kg硒+300.0mg/kg铜处理的葡萄幼苗叶片Chl和可溶性蛋白含量与CK相当,但均高于300.0mg/kg铜胁迫处理,SOD、POD和CAT活性比300.0mg/kg铜胁迫处理略有降低,MAD含量显著低于300.0mg/kg铜胁迫处理.[结论]铜胁迫条件下,低浓度(1.0mg/kg)硒元素能提高酿酒葡萄幼苗对逆境的耐受力,提高叶片抗氧化酶活性,降低叶片细胞膜质过氧化程度,进而缓解铜对葡萄幼苗的毒害作用.