小麦条锈病单叶片光谱和叶绿素含量关系分析

为了利用遥感监测小麦条锈病,研究条锈病侵染后小麦单叶光谱和叶绿素含量变化,人工接种条锈病菌在小麦幼苗上,测得接种1～24d的光谱和叶绿素含量,将其叶绿素含量与光谱及其一阶微分做相关性分析,利用光谱微分参数进行方程的模拟。接种1～12d,感染条锈病的叶片叶绿素含量与原始光谱及其一阶微分光谱在可见光波段呈负相关关系,接种13～24d,两者在可见光波段呈正相关的关系。接种后1～12d的方程模拟中以SDb为变量的模型为最佳模型,接种13～24d的方程模拟中以SDr/SDg为变量的模型为最佳模型,说明可利用光谱参数进行条锈病侵染小麦的早期监测。     

冬小麦条锈病严重度高光谱遥感反演模型研究

通过人工田间诱发不同等级小麦条锈病,在不同生育期测定染病冬小麦冠层光谱及其病情指数(DI).把冠层光谱一阶微分数据与相应的DI进行相关分析,采用单变量线性和非线性回归技术,建立小麦DI的估测模型,并利用不同品种小麦样本对模型精度进行可靠性检验.结果表明:DI与一阶微分在432～582 nm、637～701 nm以及715～765 nm区域内有极显著相关性,以红边峰值区(725～735 nm)一阶微分总和与绿边峰值区(521～530 nm)一阶微分总和的比值为变量的线性模型估测DI精度最高,且其对小麦品种相对不敏感.上述研究结果对利用高光谱遥感监测农作物病害及其严重程度都具有实际应用价值.     

冬小麦条锈病严重度高光谱遥感反演模型研究

通过人工田间诱发不同等级小麦条锈病,在不同生育期测定染病冬小麦冠层光谱及其病情指数(DI).把冠层光谱一阶微分数据与相应的DI进行相关分析,采用单变量线性和非线性回归技术,建立小麦DI的估测模型,并利用不同品种小麦样本对模型精度进行可靠性检验.结果表明:DI与一阶微分在432～582 nm、637～701 nm以及715～765 nm区域内有极显著相关性,以红边峰值区(725～735 nm)一阶微分总和与绿边峰值区(521～530 nm)一阶微分总和的比值为变量的线性模型估测DI精度最高,且其对小麦品种相对不敏感.上述研究结果对利用高光谱遥感监测农作物病害及其严重程度都具有实际应用价值.     

协同冠层SIF和PRI光谱指数的构建及其在小麦条锈病监测中的应用

【目的】利用反射率光谱在作物生物物理方面的优势和日光诱导叶绿素荧光(solar-induced chlorophyll fluorescence,SIF)、光化学反射率指数(photochemical reflectance index,PRI)在光合生理方面的优势,构建协同冠层SIF和PRI光谱指数(synergistic spectral index of SIF and PRI,SISP),旨在提高作物病害遥感探测精度。【方法】基于3FLD(three bands fraunhofer line discrimination)算法,估测小麦条锈病在不同病情严重度下的单波段SIF强度,利用对作物冠层几何结构敏感的归一化植被指数(normalized difference vegetation index,NDVI)和重归一化植被指数(re-normalized vegetation index,RDVI)对SIF和PRI进行处理,再利用处理后的SIF和PRI数据构建SISP指数,通过建立传统的光谱指数和SIF、PRI及其组合对小麦条锈病的遥感监测模型,以病情指数(disease index,DI)实测值与预测值之间的决定系数(R²)、均方根误差(RMSE)和相对分析误差(RPD)评价模型精度,进而与SISP指数建立的模型进行比较,分析SISP指数对作物病害遥感监测的有效性。【结果】（1）综合利用SIF和PRI数据能够提高对小麦条锈病的遥感探测精度,3组验证样本数据集中,以PRI和SIF的简单组合PRI+SIF为自变量构建的小麦条锈病监测模型,预测DI值与实测DI值间的R²比单一PRI和SIF至少提高14.0%和1.7%,RMSE至少降低7.1%和3.7%。（2）利用反射率光谱指数NDVI和RDVI处理后的SIF和PRI构建的SISP指数,对小麦条锈病DI的预测精度优于直接利用PRI和SIF组合的各种指数,验证样本数据集中预测DI值与实测DI值间的R²至少提高3.7%,RMSE至少降低9%。（3）以SISP和反射率光谱指数为自变量构建的小麦条锈病多元线性回归(multiple linear regression,MLR)和径向基神经网络(radial basis function neural network,RBFN)模型的精度,高于仅利用反射率光谱指数构建的模型精度,其预测DI值与实测DI值间的R²分别较反射率光谱指数提高13.42%和5.72%,RMSE分别减少29.93%和19.24%,RPD分别提高44.53%和29.80%。【结论】利用NDVI和RDVI处理后的SIF和PRI构建SISP指数,能够减弱作物群体生物量对冠层SIF和PRI信号的影响,提高小麦条锈病的遥感监测精度。     

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。     

不同水分处理下冬小麦叶片光谱特征及 氮素垂直分布情况分析

【目的】为了研究不同水分处理下冬小麦冠层叶片氮素的分布情况。【方法】文章以2014年北京市农林科学院试验田的冬小麦为研究对象,在野外观测实验的支持下,分析不同水分处理下冬小麦氮素垂直分布规律及冠层光谱变化规律,并对不同水分处理下冠层不同叶位光谱指数与叶片氮素进行相关性分析。【结果 /结论】在挑旗期W2水分处理下叶片氮素含量最大,而W1、W3、W4、W5随着灌水量增加叶片氮素含量降低,在拔节期上2叶的氮素含量高于上1叶,而到了抽穗期和灌浆期随着叶位的升高氮素含量逐渐升高;对于拔节期未做水分处理时光谱反射率差异性表现为W2W3W4W5W1。除拔节期外其他生育期随灌水量增加冠层叶片光谱反射率降低;拔节期上1叶在W1、W2水分处理下氮素与光谱指数相关性达显著性水平,最大相关性为0.87,挑旗期上1叶、上3叶、上5叶氮素与光谱指数相关性达显著性水平,最大相关性为0.90,抽穗期上1叶、上2叶、上3叶、上4叶氮素与光谱指数达显著性水平,最大相关性为0.92,灌浆期、上2叶氮素与光谱指数相关性达显著性水平其最大相关性为0.96。     

不同密度冬小麦叶绿素含量的冠层光谱响应研究

为了研究不同密度条件下冠层光谱对冬小麦叶绿素含量的响应,对不同密度条件下的冬小麦冠层光谱反射率进行了测定,分析了光谱植被指数与叶绿素含量间的相关性及其定量关系.结果表明,在可见光波段范围内,光谱反射率与叶绿素含量的相关性以密度5(900万苗·hm-2)最大,呈极显著负相关,且在波段670 nm时相关系数最大,达--0.85.在近红外波段范围内,光谱反射率与叶绿素含量的相关性以密度1(300万苗·hm-2)最大,均呈极显著正相关,且在波段800 nm时相关系数最大,达0.71.各植被指数与叶绿素含量的相关性均以密度1(300万苗·hm-2)最好.另外,种植密度的不同,监测叶绿素含量的最佳自变量也不一样.该研究结果可为大田实践提供一定的理论基础和实践参考.     

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.     

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。     

干旱区土壤含水量光谱特征分析与反演

[目的]建立土壤含水量遥感监测模型。[方法]选取陕西省横山县作为研究区,以野外原位光谱测量数据和实验室内测得的土壤含水量为基础,进行高光谱数据处理,分析土壤含水量的光谱特征;对实测土壤光谱反射率进行倒数、对数、均方根及其一阶导数微分等光谱变化换,计算高光谱指数,并与土壤样本含水量进行相关性分析,筛选对土壤含水量敏感的光谱特征波段,利用多元线性回归分析建立土壤含水量监测模型。[结果]随着土壤含水量的增加,土壤光谱反射率呈减小趋势。土壤含水量与光谱指数的特征波段呈良好的线性关系,所有模型均通过了0.01水平的显著性检验。模型精度验证表明,预测值与实测含水量相关系数较高,特别是反射率倒数一阶微分模型,在0.01显著性水平下,相关系数为0.886。[结论]该研究建立的土壤含水量遥感反演模型可行有效,通过了有效性检验,在一定程度上可以用来反演研究区土壤含水量。     

小麦条锈病高光谱遥感监测技术研究

利用ASD地面非成像光谱仪对小麦条锈病进行了单片病叶及冠层的光谱特征研究。结果表明,健康、发病及处于潜育期的小麦植株在某些特定波段的光谱反射率存在显著差异;并且不同孢子堆密度的小麦单片病叶的反射光谱曲线也存在相应差异;对小麦条锈病冠层光谱的研究发现,在930nm附近,病情指数(y)与冠层光谱反射率(x)的相关性达到了极显著水平,二者之间的回归模型为:y=-2.5173x+1.2217(R2=0.9484)。     

小麦条锈病气象预测方法及遥感监测研究进展

从影响小麦条锈病发生发展的大尺度气候背景、局地气象因子两方面,对小麦条锈病发生发展的气象预测研究进行了综述,指出了常规预测方法存在的问题和难点。概述了高光谱遥感在小麦条锈病监测中的应用,并对遥感与作物模型的结合进行了探讨,在此基础上展望了基于大气环流的小麦条锈病中、长期预测及G IS辅助的遥感技术在小麦条锈病监测方面的应用前景。     

基于冠层反射光谱的冬小麦干物质积累量的估测研究

[目的]分析了小麦光谱特征与干物质积累量的相关关系。[方法]通过对冬小麦不同品种的干物质积累量、叶面积等参数和冬小麦冠层光谱反射率、光谱一阶微分和光谱比值植被指数(RVI)的相关分析,确立了冬小麦干物质积累量的敏感波段,并建立了预测模型。[结果]开花期350~700 nm和1 420~1 520 nm冠层光谱反射率和灌浆期350~1 750 nm冠层光谱反射率分别与干物质积累量显著相关;比值植被指数RVI(560,1220)与干物质积累量的相关性较好;确立的冬小麦干物质积累量预测模型为:干物质积累量=-186.94×RVI(560,1220)-2 242.2(R2=0.713 8),说明通过遥感手段监测冬小麦的群体质量是可行的。[结论]该研究为高光谱遥感技术在监测小麦的群体质量的应用提供参考依据。     

Detection of Internal Leaf Structure Deterioration Using a New Spectral Ratio Index in the Near-Infrared Shoulder Region

Spectral reflectance in the near-infrared （NIR） shoulder （750-900 nm） region is affected by internal leaf structure, but it has rarely been investigated. In this study, a dehydration treatment and three paraquat herbicide applications were conducted to explore how spectral reflectance and shape in the NIR shoulder region responded to various stresses. A new spectral ratio index in the NIR shoulder region （NSRI）, defined by a simple ratio of reflectance at 890 nm to reflectance at 780 nm, was proposed for assessing leaf structure deterioration. Firstly, a wavelength-independent increase in spectral reflectance in the NIR shoulder region was observed from the mature leaves with slight dehydration. An increase in spectral slope in the NIR shoulder would be expected only when water stress developed sufficiently to cause severe leaf dehydration resulting in an alteration in cell structure. Secondly, the alteration of leaf cell structure caused by Paraquat herbicide applications resulted in a wavelength-dependent variation of spectral reflectance in the NIR shoulder region. The NSRI in the NIR shoulder region increased significantly under an herbicide application. Although the dehydration process also occurred with the herbicide injury, NSRI is more sensitive to herbicide injury than the water-related indices （water index and normalized difference water index） and normalized difference vegetation index. Finally, the sensitivity of NSRI to stripe rust in winter wheat was examined, yielding a determination coefficient of 0.61, which is more significant than normalized difference vegetation index （NDVI）, water index （WI） and normalized difference water index （NDWI）, with a determination coefficient of 0.45, 0.36 and 0.13, respectively. In this study, all experimental results demonstrated that NSRI will increase with internal leaf structure deterioration, and it is also a sensitive spectral index for herbicide injury or stripe rust in winter wheat.     

基于反射光谱的不同播期冬小麦LAI监测研究

为利用遥感技术快速、无损伤监测不同播期冬小麦LAI,通过大田和室内试验,对5个不同播期处理的冬小麦LAI进行了测定,并在此基础上建立了基于反射光谱的不同播期冬小麦LAI监测模型。结果表明,在4个播期处理和一个所有播期组合下所建立的LAI监测光谱模型中,以播期3条件下的PVI(1460,460)和LAI相关性最好,决定系数可达0.8296,播期3是监测冬小麦LAI的最适播期,依此所建立的冬小麦LAI监测光谱模型是可行的。同时,所有播期组合的LAI与PVI(1460,460)也有较高的相关性,说明在此基础上所建立的模型具有较好的普适度,这为冬小麦品质的大尺度遥感监测和小麦生产的宏观管理调控提供理论依据。     

不同灌溉条件下冬小麦冠层含水量的光谱响应

【目的】寻找快速、无损地诊断冠层含水量的方法,对冬小麦长势监测、旱情评估及变量灌溉提供技术支持。【方法】基于田间变量灌溉试验,分析生育期、灌溉量对冬小麦冠层含水量的影响,解析冠层光谱对不同灌溉处理下冠层含水量的响应规律,以冠层等效水厚度（EWTc）为表征指标,基于连续小波变换（CWT）技术,构建冬小麦冠层等效水厚度光谱诊断模型,利用独立样本验证模型精度。【结果】冬小麦冠层等效水厚度在生育后期均随着灌溉量的增多而增加,并随着生育进程的推进而减少;冬小麦冠层光谱反射率随着生育进程的推进而降低,在近红外和中红外波段冠层光谱反射率均表现为1水>0.5水>0水;与原始冠层光谱反射率相比,经连续小波变换后的小波系数与冠层等效水厚度相关性在第1、2、3、5、6、7分解尺度均有不同程度的提高,提高幅度在8.40%—26.20%;以第6尺度2 400 nm、第2尺度1 596 nm和第7尺度2 397 nm构建的冠层等效水厚度光谱诊断模型稳定性和精度较好,验证样本决定系数R ²为0.5411,RMSE为0.0127 cm。【结论】冬小麦冠层含水量随着灌溉时间与灌溉量发生规律性变化,在水分敏感波段范围内呈现明显的光谱响应特征,连续小波变换技术可以有效提高冠层光谱特征参量与冠层等效水厚度的相关性,实现冬小麦冠层含水量光谱诊断,可以为冬小麦田间变量灌溉决策提供技术支持。     

Evaluating ten spectral vegetation indices for identifying rust infection in individual wheat leaves

Ten, widely-used vegetation indices (VIs), based on mathematical combinations of narrow-band optical reflectance measurements in the visible/near infrared wavelength range were evaluated for their ability to discriminate leaves of 1 month old wheat plants infected with yellow (stripe), leaf and stem rust. Narrow band indices representing changes in non-chlorophyll pigment concentration and the ratio of non-chlorophyll to chlorophyll pigments proved more reliable in discriminating rust infected leaves from healthy plant tissue. Yellow rust produced the strongest response in all the calculated indices when compared to healthy leaves. No single index was capable of discriminating all three rust species from each other. However the sequential application of the Anthocyanin Reflectance Index to separate healthy, yellow and mixed stem rust/leaf rust classes followed by the Transformed Chlorophyll Absorption and Reflectance Index to separate leaf and stem rust classes would provide for the required species discrimination under laboratory conditions and thus could form the basis of rust species discrimination in wheat under field conditions.