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．     

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)。     

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。     

基于高光谱遥感数据的水稻叶温反演

[目的]研究水稻叶温与冠层反射光谱间的关系,为水稻叶温的模拟与监测提供理论依据.[方法]利用FieldSpec Pro FR光谱仪和Raynger ST红外温度探测仪测量水稻抽穗期冠层的反射光谱和叶片温度,分析原始反射光谱、一阶微分光谱、归一化植被指数(NDVI)、比值植被指数(DVI)、再归一化差值植被指数(RDVI)和转换型土壤调整指数(TSAVI)与叶温的关系.[结果]叶温的变化直接影响水稻冠层光谱的反射率,影响水稻红边特征.一阶微分光谱与叶温存在极显著相关性(P<0.01,下同),990 nm处相关系数(0.889)最高,885 nm处相关系数(-0.893)最低.选取叶温敏感波段光谱组合计算植被指数,发现RDVI和TSAVI与叶温的关系呈极显著相关,相关系数分别为0.724和0.733.由RDVI和TSAVI建立经验模型,结果显示由TSAVI建立的叶温估算模型效果更好,其验证样本的决定系数为0.610,相对误差为1.97%,均方根误差为2.546.[建议]综合考虑多种预处理方法,最大程度还原光谱信息;优化特征波长的提取,提高建立模型的精度;基于高光谱技术,实现冠层叶温的无损监测.     

棉花黄萎病冠层高光谱遥感监测技术研究

通过小区试验地病圃田和大田实验,不同时期对不同品种棉花黄萎病冠层光谱分别进行测定,定性和定量地分析了其反射光谱特征.结果表明:不同时期、不同品种棉花黄萎病冠层光谱与正常冠层之间有着显著的差异,冠层光谱均随严重度(SL)的增加表现出有规律的变化,可见光(620～700 nm)波段,光谱反射率随SL增加呈现上升趋势,近红外(700～1 300 nm)波段则表现出相反的趋势,在近红外(760～1 300 nm)尤为明显.黄萎病冠层光谱与SL相关后发现,806 nm附近SL(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=-11.64 X+7.072 2(R2=0.675).研究为今后航空、航天遥感大面积监测棉花黄萎病提供了理论依据,为棉花其他病害遥感监测提供了借鉴和参考.     

花生叶鲜生物量的高光谱估算模型

利用花生生物物理参数和冠层高光谱数据,基于光谱一阶微分技术,选取对生物量敏感的波段组成高光谱植被指数,建立花生叶鲜生物量的高光谱遥感估算模型。结果表明,花生叶鲜生物量在绿峰525~556 nm、红谷645~689 nm和近红外710~900 nm波段范围反射光谱与花生叶鲜生物量有极显著相关关系。高光谱反射率与叶鲜生物量在大部分可见光区和近红外波段呈显著相关,并且在可见光红光波段呈负相关,在近红外波段呈极显著正相关。花生光谱反射率与花生叶鲜生物量相关的近红外、红光波段的敏感波段分别为770、673 nm,用这2个波段构建植被指数,组成高光谱归一化植被指数(NDVI)、比值植被指数(RVI)、差值植被指数(DVI)和再次归一化植被指数(RDVI),并构建生物量反演模型;相对于NDVI、DVI、RDVI建立的简单线性函数估测模型,RVI所构建的花生叶鲜生物量估测模型的预测精度较高。     

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。     

棉花冠层叶片叶绿素含量与高光谱参数的相关性

【目的】研究棉花冠层叶片叶绿素含量与高光谱参数的相关性,建立叶绿素含量估算模型。【方法】2014年,以鲁棉研28号为研究对象,测定不同施氮水平和生育期棉花冠层叶片叶绿素含量及350~2 500nm光谱反射率,以棉花冠层高光谱反射率与冠层叶片叶绿素含量为数据源,在分析叶绿素含量与原始高光谱反射率(R)、一阶导数光谱反射率(DR)、光谱提取变量和植被指数相关性的基础上,采用一元线性与多元逐步回归的方法构建了叶绿素含量估算模型,并对从中筛选的6种棉花冠层叶片叶绿素含量估算模型进行精度对比。【结果】1)棉花冠层叶片叶绿素含量在反射光谱766nm处相关系数达到最大值,相关系数r=0.836;对于一阶导数光谱,叶绿素含量的敏感波段发生在753nm处,r=0.878;2)以9种光谱提取变量与8种植被指数为自变量,建立叶绿素含量的估算模型,筛选出的特征变量为红边面积(SDr)、绿峰与红谷的归一化值((Rg-Rr)/(Rg+Rr))、绿峰幅值(Rg),仅采用8种常用植被指数建立估算模型,筛选出的变量为比值植被指数(RVI);3)所建立的6种模型中以基于一阶导数光谱反射率建立的多元逐步回归估算模型精度最高,均方根误差(RMSE)为1.075,相对误差(RE)为2.22%,相关系数(r)为0.952。【结论】采用原始光谱、一阶导数光谱、光谱提取变量及植被指数均可对棉花叶绿素含量进行监测,其中基于一阶导数光谱的多元逐步回归模型对叶绿素含量的估算效果最优。     

干旱区基于高光谱的棉花遥感估产研究

【目的】揭示棉花产量与冠层光谱植被指数相关关系,建立棉花高光谱估算模型,促进高光谱技术在棉花长势监测和估产中应用。【方法】结合棉花生长发育规律,对棉花各时期冠层进行高光谱反射率测定,根据光谱曲线特征构建高光谱植被指数,基于棉花盛蕾期至吐絮后期7次地面光谱和产量测定,对光谱反射率与产量进行统计分析。【结果】各生育期可见光波段、近红外波段及短波红外波段光谱反射率与产量间分别达显著负相关、显著正相关与显著负相关水平。根据棉花冠层光谱波形特征,利用植被红边波段560 nm反射峰、670 nm吸收谷、近红外波段890 nm反射峰、980 nm和1 210 nm两个弱水汽吸收谷、短波红外1 650 nm和2 200 nm反射峰,设计归一化差值光谱指数,并与棉花产量进行相关分析,利用上述波段组合定义的归一化差值光谱指数与产量在各生育期均达显著或极显著相关,而VARI_700抗大气植被指数在各生育期均达极显著相关。【结论】以VARI_700抗大气植被指数建立各生育期的产量预报模型,为实现棉花营养生长期长势监测与产量预报提供依据。     

利用高光谱技术估测小麦叶片氮量和土壤供氮水平

有效的监测作物氮素营养水平及土壤供氮能力可以为合理施用氮肥提供重要依据。本文以2 年3 点不同氮素水平下不同小麦品种的田间试验数据为基础,运用植被指数和偏最小二乘回归法,比较和分析小麦冠层光谱与叶片氮含量及土壤氮含量的关系。结果表明：小麦冠层光谱与叶片氮含量的相关性分析在可见光波段存在显著负相关,在近红外波段呈显著正相关,而与土壤氮含量的相关性呈相反趋势。基于光谱参数ND705 和GNDVI所建叶片氮含量估算模型的决定系数分别达到0.827 和0.826。基于光谱参数VOG2 所建土壤氮含量估算模型的决定系数达到0.646;与植被指数所建模型相比,综合350~1350 nm光谱波段反射率分别与小麦叶片氮含量、土壤氮含量建立偏最小二乘回归模型的预测精 度均有所提高,决定系数分别达到0.842 和0.654。本研究结果可为小麦氮素营养及土壤供氮水平的诊断监测与合理施肥管理提供了理论依据和技术支持。     

西双版纳普洱茶叶片生化参数高光谱估测模型研究

以西双版纳普洱茶为研究对象,利用ASD Field Spec 3地物光谱仪采集叶片高光谱数据,采用导数光谱分析技术对光谱数据进行处理,在实验室测定相应的茶氨酸和氮素含量,分析普洱茶叶片生化参数与原始光谱、光谱一阶微分、光谱对数一阶微分以及高光谱特征变量间的相关性,并利用遗传算法优化的BP神经网络建立了茶氨酸含量和氮素含量的高光谱估测模型。结果表明:普洱茶叶片生化参数含量与高光谱原始反射率间相关性弱,但与光谱一阶微分、光谱对数一阶微分和高光谱特征变量在可见光、近红外波段范围内相关性较强;遗传算法优化下的BP神经网络模型对普洱茶叶片生化参数的估测精度优于普通BP神经网络模型,茶氨酸含量估测精度RMSE为0.21 mg/g,R~2为0.73,氮素含量估测精度RMSE为0.36 g/kg,R~2等于0.88。     

倒伏春性冬小麦冠层光谱特征及倒伏严重度预测

采用高光谱仪测定不同春性冬小麦品种于不同时期倒伏的群体冠层光谱反射率,分析不同倒伏条件下的小麦冠层光谱特征,建立可快速、有效监测小麦倒伏严重程度的数学模型,为合理评价倒伏程度提供依据。结果表明,小麦倒伏后冠层光谱反射率增加,可见光波段550 nm附近出现1个波峰,670 nm附近出现1个波谷;近红外波段1 000 nm处出现1个较明显的波动,呈现2个波谷,1个波峰。同一倒伏级别下,倒伏时期不同,光谱反射率曲线存在差异,可见光波段乳熟末期冠层反射率高于开花期光谱反射率,而近红外波段恰好相反;在同一倒伏时期,倒伏级别越高,光谱反射率越大。倒伏级别与冠层光谱反射率的相关系数于760 nm处达最大(r=0.973 4**)。与NDVI、RVI、DVI相比,采用760 nm处冠层光谱反射率和DVI可有效评估春性冬小麦倒伏严重度。     

辣椒茶黄螨危害的冠层光谱特性与危害级别反演

为了辣椒茶黄螨大面积的遥感监测提供理论依据,测定了辣椒茶黄螨危害期间的冠层高光谱数据,并对冠层反射光谱与茶黄螨危害级别进行了相关分析.结果表明:近红外波段758、1569 nm及可见光波段537 nm为茶黄螨螨害的3个敏感波段;并基于敏感波段及由其组成的比值植被指数(RVI)和归一化植被指数(NDVI),建立了检测茶黄螨危害级别的5种单变量线性函数模型;3个敏感波段构建的模型方程在P=0.01条件下极显著相关,且758nm处的光谱反射率建立的模型为最优,预测相关系数达0.965.     

东北寒地水稻冠层氮素含量高光谱预测模型

为实现动态、无损监测寒地水稻氮素状况,利用高光谱成像技术,分析不同生育期水稻冠层光谱特征,借助波段自相关分析(Bands inter-correlation analysis,BICA)与主成分分析(Principal components analysis,PCA),选择特征波段构建多种植被指数.根据植被指数与氮素含量相关性,建立单变量预测模型.利用最大R2增量法(MAXR)分析全部植被指数与氮素含量定量关系,建立多变量预测模型.结果表明,从分蘖期到抽穗期,寒地水稻冠层光谱反射率在可见光波段内降低,在近红外波段内增加.基于BICA-PCA-MAXR预测模型预测精度和稳定性较基于BICA-PCA结合一元回归预测模型显著提升.研究结果可为水稻氮素含量快速检测提供地域参考,水稻精准施肥管理提供技术支持.     

山东典型污灌区冬小麦叶片重金属高光谱反演及空间分布特征

为了大面积、实时监测污水灌溉区冬小麦重金属胁迫状况,以冬小麦叶片重金属Cr、Ni、Pb、Zn、Hg、Cd为研究对象,利用冬小麦冠层光谱数据及金属含量数据,采用逐步多元线性回归(SMLR)和偏最小二乘回归(PLSR)的方法,建立基于原始光谱反射率(R)、反射率一阶微分(FDR)、反射率二阶微分(SDR)、光谱参数(SP)的8种冠层光谱反演模型,通过分析所建模型精度,选取最优反演模型,实现研究区内冬小麦叶片重金属的定量反演。结果表明,对于Pb、Zn、Cd,基于反射率一阶微分的偏最小二乘回归模型(FDR-PLSR)为最优模型[Pb:决定系数(R~2)=0.848,相对分析误差(RPD)=1.598;Zn:R~2=0.790,RPD=2.295;Cd:R~2=0.868,RPD=2.406];对于Cr,基于反射率二阶微分的偏最小二乘回归模型(SDR-PLSR)为最优模型(R~2=0.846,RPD=2.013);对于Ni、Hg,基于光谱参数的偏最小二乘回归模型(SP-PLSR)为最优模型(Ni:R~2=0.887,RPD=1.872;Hg:R~2=0.819,RPD=1.684)。从空间插值结果可以看出,冬小麦叶片中Cr、Ni含量在研究区东南部较高,北部及西北部较低;Pb、Zn含量在中部以及南部较高;Hg含量在西北部较低;Cd含量在中部、北部、西北部较低。     

稻纵卷叶螟危害孕穗期水稻的光谱诊断

【目的】阐明稻纵卷叶螟（Cnaphalocrocis medinalis）危害孕穗期水稻后,水稻冠层、未受害展开叶和受害已卷叶片的光谱特征,建立基于光谱参数的稻纵卷叶螟危害程度的诊断模型。【方法】利用便携式光谱仪测定不同卷叶率小区水稻的冠层光谱反射率,同时在不同卷叶率小区内采集未受害展开叶和已卷叶带回实验室进行室内单叶的光谱反射率测定,并采用相关分析与回归建模方法组建稻纵卷叶螟危害程度的光谱诊断模型。【结果】水稻冠层光谱反射率在近红外光区域内随卷叶率级别的升高而降低,738-1 000 nm处的反射率可较好地表征出水稻受稻纵卷叶螟危害的程度。不同卷叶率小区内的未受害叶的光谱反射率也可很好地表征水稻的受害级别,在512-606和699-1 000 nm处的反射率与小区卷叶率级别呈极显著的负相关。已受害卷叶的反射率在582-688 nm处与受害级别呈极显著正相关。水稻受稻纵卷叶螟危害后,在冠层、未受害叶及已受害卷叶光谱的红边幅值与红边面积有明显变化。利用水稻冠层光谱的红边幅值、未受害健康叶片550 nm处的反射率建立的稻纵卷叶螟危害程度的一元回归模型的诊断误差较小,而同时利用冠层、受害叶和未受害叶光谱组建的逐步回归模型的诊断误差最小,可用于小区稻纵卷叶螟危害的监测。【结论】受害区域内水稻冠层在738-1 000 nm处和未受害叶片在512-606和699-1 000 nm处的光谱反射率,以及红边幅值和红边面积均可较好地表征水稻受稻纵卷叶螟危害后的卷叶率级别,可利用这两层次的光谱指标分别对小区水稻的受害程度进行诊断。     

棉花黄萎病叶片氮素含量与高光谱数据相关性分析

[目的]探讨棉花黄萎病叶片全氮含量(LTNC)与高光谱数据间相关性,为遥感监测黄萎病冠层全氮含量提供理论依据.[方法]在棉花黄萎病发生的不同时期,获取黄萎病叶片光谱及氮素含量数据,对其光谱反射率进行一阶微分处理和光谱特征参数提取,并与氮素含量进行相关分析.[结果](1)棉花黄萎病LTNC与反射光谱在404～728 nm,880 ～2 500 nm呈极显著负相关(平均r=-0.71,-0.68),748 ～ 768 nm呈极显著正相关(平均r=0.31),且在694、758、2 247 nm处的相关系数最大,|r(=0.87,0.32,0.73;(2)黄萎病LTNC与一阶微分光谱在700 ～753 nm处呈极显著正相关(平均r=0.89),在452 ～ 632 nm处呈极显著负相关(平均r=-0.64),与单波段554 nm处相关系最大(|r(=0.90);(3)黄萎病LINC与24个光谱特征参数均达极显著相关,组合波段参数相关性最好,植被指数和吸收参数的相关性较好,单波段相关性一般,与PVI[FD554,FD731]的相关性最好,r值最大,为0.91;与PPR[550,450]的相关性最差,|r(仅为0.48.[结论]黄萎病棉叶LTNC与高光谱数据间有高的相关性,可利用高光谱数据对黄萎病LTNC进行遥感监测.     

棉花冠层反射光谱特征研究

研究了棉花品种、氮素用量及种植密度对棉花冠层光谱反射特性的影响.结果表明:棉花冠层光谱反射率在不同生育期间存在明显差异,花铃期前,随着棉花的生长,光谱反射率逐渐增加,花铃期后,光谱反射率逐渐降低;不同棉花品种冠层光谱反射率存在一定差异,缺氮和氮过量处理的冠层光谱反射率在近红外波段差异显著;随着种植密度的提高,光谱反射率在可见光波段降低,近红外波段增加.     

基于分数阶微分的葡萄叶片SPAD值高光谱遥感反演研究

【目的】探明高光谱遥感技术反演葡萄叶片叶绿素含量的可能性,构建葡萄叶片叶绿素含量反演模型,为快速且无损估测葡萄长势提供技术参考。【方法】以西南山区成熟期葡萄叶片为研究对象,同步获取冠层叶片高光谱数据和SPAD值,研究不同分数阶(0.0～1.4阶,步长0.2阶)微分光谱反演葡萄叶片SPAD值的能力,构建多个基于特征波段和光谱指数的单因素模型及基于连续投影算法的多因素模型。【结果】不同SPAD值葡萄叶片原始光谱曲线整体一致,在可见光区域反射率较低而在近红外区域反射率高;可见光、近红外区域反射率与SPAD值分别呈反比和正比;随着分数阶上升,特征波段由近红外向红边靠近,光谱指数由近红外与蓝光组合变更为近红外与绿光组合,单因素模型建模变量相关性呈先升后降趋势,在0.6阶达峰值;除0.6与0.8阶外,其余分数阶微分光谱单因素模型建模变量均为DSI;多因素模型优于单因素模型,机器学习算法可提升传统回归模型精度,所有模型以0.6阶下SPA-GA-XGBoost回归模型精度最优,其建模与验证R²分别为0.79和0.75,相应均方根误差(nRMSE)分别为15.54%和14.45%。...     

夏玉米光谱特征对其不同色素含量的响应差异

在不同施氮水平夏玉米的6个典型生育期,采用化学方法测定冠层叶绿素含量,利用叶绿素计测定的叶绿素读数以及光谱反射率,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归一化植被指数(NDVI)、比值植被指数(RVI)等8种常见植被指数与相应时期2种方法测定的叶绿素含量的相关性。结果表明,随着施氮量的增加,叶绿素含量和冠层近红外波段反射率都随之增加;整个生育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;6个生育期单波段510~1 100 nm反射率、NDVI、RVI等植被指数与叶绿素含量的2种测定结果显著相关或极显著相关,植被指数的表现较单波段更好,且从苗期到乳熟期,各波段反射率与叶绿素的相关性逐渐增强。整体来讲,可见光中560、660 nm和近红外760、810、590和1 300 nm组合的NDVI在各生育期与2个农学指标的相关性较好,选择NDVI(560,760)可以准确拟合夏玉米叶片叶绿素含量,其对化学方法测定的叶绿素含量拟合效果较佳。