玉米苗期冠层多光谱反射率反演与叶绿素含量诊断

为了探索玉米苗期叶片叶绿素含量指标的快速、非破坏性估测方法,该文运用多光谱图像技术对大田玉米苗期叶绿素含量指标进行快速无损的诊断研究。大田试验中,采用2-CCD多光谱图像采集系统获取大田玉米苗期的冠层多光谱图像,并同步采集漫反射灰度板的多光谱图像。为消除光照对图像采集质量的影响,准确将不同光照条件下的玉米冠层图像数据转换为其叶面反射率数据,标定试验中采用一块4个不同灰度级的满足朗伯面条件漫反射灰度板,建立了叶片光谱反射率同图像灰度值之间的线性反演公式,并与大田试验中漫反射灰度板的多光谱图像建立了玉米冠层图像灰度值的校正公式。对玉米苗期冠层多光谱图像进行处理,提取出玉米冠层B、G、R、NIR(中心波长分别为470,550,620,800 nm)4个波段归一化平均灰度值。通过灰度值的校正公式得到校正后的归一化平均灰度值,由线性公式反演出R、G、B、NIR 4个波段的平均反射率值,并计算4种常见光谱植被指数(RNDVI、RNDGI、RRVI和RDVI),采用最小二乘-支持向量回归(LS-SVR)建立植被指数同叶绿素含量指标的拟合模型。结果表明:植被指数RNDVI、RRVI和RDVI和玉米冠层叶绿素含量指标拟合验证集决定系数R2为0.56,达到了较为理想的拟合结果。证明通过漫反射灰度板对玉米冠层多光谱图像建立反射率反演校正模型的方法是可行的,这一方法为快速无损检测玉米苗期叶绿素含量指标提供了支持。     

基于车载式冠层光谱传感器的玉米拔节期叶绿素含量诊断

CropspecTM是一种基于735 nm 和808 nm的车载式主动作物冠层光谱传感器,能够快速、无损地检测作物氮素营养状态。为了评价其检测精度,针对农大8号和京农科等2种玉米作物品种,使用该检测系统在拔节期采集作物冠层在808nm和735nm波段处的反射率。然后组合计算了DVI735, NDVI735, PVI735和 RDV735 等常规的植被指数,并基于RVI735构造了一种新的植被指数MRVI735。通过分析各植被指数与叶绿素含量指标SPAD值之间的相关关系得出 :对于农大8号,MRVI735、NDVI735和RVI735与叶绿素含量指标的相关性较好,相关系数分别是:-0.7482、-0.6763和-0.6786,达到强相关水平。对于京农科,NDVI735、MRVI735和RVI735与叶绿素含量指标的相关性较好,相关系数分别是:0.7270、0.7252和0.7245,达到强相关水平。对于2个玉米品种,都分别选取了相关系数最好的一个和两个植被指数为参数,分别建立了一元线性回归模型和二元线性回归模型。农大8号的一元模型和二元模型的R2     

玉米叶片纤维素含量与冠层光谱特征的研究

以株型相近的高赖氨酸玉米“中单9409”、粮饲兼用型玉米“中原单32”和高油玉米“高油115”为供试材料,研究了不同生育时期和冠层中不同高度叶片中纤维素、半纤维素含量的差异及其冠层水平的光谱响应。结果表明：在相同栽培密度和施肥水平下,不同品玉米品种叶片的纤维素、半纤维素含量存在差异,其中以中、上层叶片相差较大,不同品种间同层叶片纤维素含量相差可达34.9%,下层叶片相差较小。通过对同步获取的冠层近红外光谱与叶片中纤维素、半纤维素含量进行相关分析,分别筛选出1420、1450、1490、2100和2270 nm可作为反演纤维素含量的特征波长;而2270、2280和2340 nm可作为反演半纤维素含量的特征波长,达到了显著或极显著水平。     

不同施肥长期定位试验地夏玉米冠层光谱特征研究

以黄淮海地区典型冬小麦-夏玉米轮作区的长期定位施肥试验为研究对象,筛选对氮、磷、钾三种营养元素及产量最敏感的波段和生育期,为监测不同时期作物营养胁迫情况和估产提供依据。系统分析了氮、磷、钾单一养分缺乏和两种或两种以上营养元素同时缺乏时典型生育期夏玉米冠层反射光谱特征、收获后秸秆和子粒氮、磷、钾及产量的变化规律。结果表明,缺素使冠层光谱反射率在可见光波段增加,在近红外波段降低。作物秸秆、子粒含氮量和含钾量及产量与可见光波段反射率呈负相关,与近红外区域7601~300 nm反射率呈正相关;秸秆含磷量与各反射率的相关性不明显,子粒含磷量与冠层光谱之间无明显规律。整体上,560和810 nm分别为收获期作物含氮量在可见光和近红外两个区域的敏感波段,开花期为夏玉米氮素诊断的敏感时期;夏玉米钾素在可见光和近红外区域的敏感波段分别为680和810 nm,拔节期为诊断钾素的敏感时期。整个生育期各单波段反射率与产量均呈极显著相关关系,拔节期关系最密切。说明在明确主导养分限制的前提下,利用作物冠层光谱来监测氮素和钾素的丰缺以及准确估产是可行的。     

基于成像光谱技术的寒地玉米苗期冠层氮含量预测模型

为了探索寒地玉米冠层氮素含量,以不同氮素水平下玉米大田试验为基础,利用高光谱成像技术探讨苗期玉米冠层光谱,通过相关矩阵法选择植被指数的变量,并依据叶片氮素含量与植被指数的相关性,建立玉米冠层氮素含量预测模型。结果表明:根据玉米冠层高光谱图像,选择与各波段相关性较强的525、566、700、715、895 nm作为植被指数的变量,构建与氮素含量相关性强的植被指数归一化植被指数NDVI(normalized difference vegetation index)、归一化光谱植被指数NDSI(normalized difference spectral index)、比值光谱指数RSI(ratio spectral index)、差值光谱指数DSI(difference spectral index)。以与叶片氮素含量相关性较高的植被指数为自变量,建立单变量、多变量回归预测模型。采用单变量NDVI二次函数回归模型作为0、50 kg/hm~2施氮量下玉米冠层氮素含量预测模型,其R~2分别为0.719、0.803。在100 kg/hm~2施氮量下玉米冠层氮素含量的预测模型为3变量回归模型,其R~2达到0.657。用置信椭圆F检验法检验预测模型,其F值均小于F0.05,估测值与实测值间R2分别是0.724、0.798、0.655,标准误差RMSE分别为0.156、0.140、0.156 mg/g,表明实测值和估测值间的差异不明显,预测模型可用。     

不同条件下夏玉米冠层反射光谱响应特性的研究

通过对两个年份不同牛育阶段的田间夏玉米活体进行冠层反射光谱测定,该文分析了不同空间尺度、种植密度、观测角度、生育阶段、叶面积指数KAI、氮素胁迫、叶片含水量以及与杂草共生等8个条件下的冠层反射光谱响应特性,并探讨其发生机理,研究结果表明,夏玉米在不同条件下的冠层反射光谱响应均呈现出一定的规律性.在近红外波段,其反射率值随氮肥施用量的增加而增大,尤以750～1350 nm波段,但在可见光波段,反射率值降低;随着观测探头的逐步升高,反射率值降低:随杂草量的增多,反射率值逐渐增大.这些结果揭示了高光谱遥感田间夏玉米理化信息获取的巨大潜力,同时,为以后遥感反演建模提供了依据.     

夏玉米冠层叶片表观自由空间的差异研究

叶片自由空间在环境与冠层养分交换间具有重要作用,是目前植物营养学研究的重要领域之一。通过盆栽试验,以不同株型夏玉米为试材,研究了不同施氮水平（N 0、0.15和0.30 g /kg）下玉米冠层叶片表观自由空间（AFS）的差异。结果表明,不同生育期叶片AFS差异极显著（P0.01）,表现为随生育期推进,叶片AFS、生物量和全氮含量均逐渐降低;除成熟期,其它各生育期品种与施氮水平对叶片AFS的影响均存在显著的交互作用。施氮对叶片生物量的影响不显著,但施氮后叶片全氮含量显著增加。不同施氮水平下,植株冠层叶片AFS也存在显著差异,中量施氮处理（即N 0.15 g /kg）植株叶片AFS值（9.49 %）明显高于与不施氮处理（9.03 %）,但随施氮量进一步增加,叶片AFS下降,施氮量为N 0.30 g /kg时,叶片AFS为8.62 %;不同施氮水平各生育期不同叶层间叶片AFS、生物量和全氮含量差异显著（P0.05）。不同品种间叶片全氮含量和AFS存在显著差异（P0.05）,以紧凑型品种陕单902叶片AFS最大,平均为9.24 %,显著高于其它品种;中间型品种农大108与平展型品种陕单9号间差异不显著,二者平均分别为9.06 %和8.85 %;不同株型品种各生育期不同叶层间叶片全氮含量和AFS缺乏规律性。相关分析表明,叶片全氮与叶片AFS存在极显著正相关（R=0.9481）,说明植物冠层叶片AFS大小除受遗传特性影响外,植物体和介质氮素营养水平不同,AFS也存在差异,且这些差异随生育期变化而不同。     

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。     

玉米冠层对喷灌水量空间分布的影响

作物冠层对喷灌水量分布的明显影响，为了弄清楚作物冠层对喷灌水量分布的影响作用，该文以春玉米为研究对象，进行了多组试验，初步探讨了在不同生育期玉米冠层上部与下部水量的分布情况。田间试验结果表明，玉米冠层对喷灌水量近地表附近分布均匀度有很大影响。喷灌水量到达玉米冠层后，通过4种途径落向地面，即：秆径流水量、叶尖水量、叶下水量和行间水量。这4部分水量在其分布点上的均匀程度很高，但作为一个整体，其水量的连续分布均匀性则很差。可见冠层对喷灌水量分布的影响不容忽视，有必要进一步弄清它们之间的影响机理，这将为喷灌制度的设计提供重要依据。     

苹果花期冠层反射光谱特征

苹果花期是果树生产与管理的关键阶段,对冠层反射光谱特征研究具有重要的理论和现实意义。该文以山东省栖霞市为研究区,通过实测的120棵苹果花期冠层反射光谱数据,在分析不同累计样本容量冠层反射光谱特征的基础上,用方差分析和相关分析的方法,系统地研究了苹果树有花与无花、不同花量、花期不同阶段、不同树龄及不同品种的冠层反射光谱特征。研究结果表明,随着累计样本容量的增加,冠层反射光谱曲线趋于稳定、平滑。有花与无花冠层光谱反射率在431～500、591～680、761～1 300 nm波段方差分析结果极显著（α=0.01）;不同花量的冠层与391～513、598～687、711～1 193 nm波段的反射率显著相关（p＜0.05）;在670 nm“红谷”附近,反射率随花量的增加而增大,在近红外761～1 300 nm波段,反射率随花量的增加而减小;不同品种之间,除嘎啦外,红富士、金帅和新红星之间不易区分。研究结果揭示了高光谱遥感在苹果花期信息获取方面的巨大潜力,为今后遥感反演模型的构建提供了依据。     

不同施氮量及基追比例对玉米冠层生理性状和产量的影响

以加拿大魁北克地区推广的玉米品种Pioneer 38B84为材料,研究不同施氮量和基追比例对玉米最上一片全展开叶SPAD值、Dualex值、净光合速率(PN)、叶面积指数(LAI)、地上部生物量、冠层叶绿素密度(SPAD×LAI)、冠层光合能力(PN×LAI)以及产量的影响。试验设5个处理:N0(基0+追0)、N20+93(基20 kg/hm2+追93 kg/hm2)、N45+68(基45 kg/hm2+追68 kg/hm2)、N113(基113 kg/hm2+追0)和SAT225[基225(播种时施氮45 kg/hm2,播种后10 d再沟施180 kg/hm2)+追0],完全随机区组设计,重复4次,基本苗为79000株/hm2。结果表明,追肥前,叶片SPAD值、PN、LAI、地上部生物量、SPAD×LAI及PN×LAI均随基肥氮量的增加而增加,Dualex值则降低。同等施氮量下,基肥配合追肥显著提高叶片SPAD值,而追肥对叶片Dualex值和PN无显著影响。虽然基肥配合追肥处理的LAI、地上部生物量、SPAD×LAI、PN×LAI在追肥后均显著低于氮肥一次性基施,但显著提高了玉米产量。基施氮肥20 kg/hm2与45 kg/hm2处理之间玉米产量无差异,但前者过早地表现出缺氮。总施氮量为113 kg/hm2时,其SPAD值、Dualex值、PN、LAI、地上部生物量、SPAD×LAI以及PN×LAI等指标在出苗后256~0 d与SAT225处理差异不显著,但产量却显著低于SAT225处理。本试验条件下,基肥量45 kg/hm2能较好地满足玉米前期生长,但总施氮量113 kg/hm2不能满足玉米全生育期的需求,需要进一步地评估适宜的施氮量。同等施氮量下,基肥配合追肥显著提高玉米产量;SPAD值和Dualex值均与玉米植株氮含量显著相关,SPAD和Dualex可以作为实时快速指导玉米追肥的有效工具。     

重金属铜和锌胁迫下的小麦冠层反射光谱特征

目前关于土壤重金属污染对作物的光谱影响仍然处于探索阶段,受植物种类和环境等因素的影响,植物重金属胁迫机理的诊断仍存在不明确的问题,作物不同生长阶段对不同重金属的耐受程度存在差异。为了探究快速监测作物受重金属污染胁迫状况,采用田间小区试验,利用光谱分析方法研究了土壤重金属不同质量分数铜(0、100、300、600、900 mg/kg)和锌(0、250、500、750、1 000 mg/kg)处理下小麦分蘖期、拔节期和抽穗期冠层光谱特征。结果表明,小麦在分蘖期和拔节期冠层光谱在可见光(350~760 nm)波段内反射率总体随着铜、锌污染浓度的增加而升高,而在近红外(760~900 nm)波段内反射率随铜、锌处理浓度的增加而降低;分蘖期不同浓度铜、锌处理下,小麦冠层光谱出现红边蓝移和红谷蓝移现象;分蘖期铜处理在600、900 mg/kg和拔节期铜处理在900 mg/kg下小麦红边归一化指数值(NDVI705)均低于0.2;分蘖期锌处理在750和1 000 mg/kg下小麦红边归一化指数值(NDVI705)均低于0.2;该试验中引起小麦受到胁迫作用冠层光谱响应的铜临界浓度介于300与600 mg/kg之间,而锌临界浓度介于500与700 mg/kg之间。     

基于冠层光谱特性的水稻叶片含水率模型

基于水稻叶片含水状况与冠层光谱反射率存在关联,尝试构建水稻叶片含水率模型。在水稻生长的孕穗期,同时测量室外水稻冠层光谱反射率和叶片含水率,依据水稻叶片含水率与各光谱波段反射率之间的相关性系数,选取高相关性系数对应的光谱特征波段。采用遗传算法对BP神经网络的初始权值进行优化处理。分别应用BP神经网络和GA-BP-Network、传统多元线性回归方法建立预测模型。试验表明,GA-BP-Network模型的预测含水率值与真实值平均误差率为3.9%,最大误差率为6.1%,均比BP神经网络、传统多元线性回归预测模型有了很大的改善,提高了预测水稻叶片含水率的准确性。     

太阳辐射强度与观测角度对冬小麦冠层反射高光谱的影响

掌握冠层反射光谱二向性反射特征,对提高遥感应用精度有重要意义。该文利用地面自动遥感平台对冬小麦冠层进行了连续观测,获取了大量的多角度高光谱遥感数据,分析了多种因素对冠层反射光谱的影响,并进行了NDVI与EVI的对比分析。结果表明:冠层反射光谱对天气有响应,随着太阳辐射增加冠层反射光谱增高,晴天变化更明显;观测角度的改变导致冠层反射光谱的差异,可用"热点效应"加"镜面反射"解释;与上述条件相适应,NDVI与EVI也表现出与冠层反射光谱相似变化;受红光和近红外波段的变化影响,NDVI与EVI之间的变化趋势较一致,两者相关系数R20.72,且P0.01,呈极显著相关。该研究结果可为遥感观测角度的选择设计和植被指数的应用提供理论参考。     

玉米冠层平行多目图像匹配方法

针对一种四通道矩形排列的多光谱相机,开发了一种平行多目成像匹配模型。利用相机拍摄了田间玉米冠层图像,相机的4个通道分别为R（红）、G（绿）、B（蓝）和NIR（近红外）,拍摄距离为0.5 m左右。分析了玉米冠层图像的特点,提出了一种图像匹配方法。该方法首先选择某一通道图像作为源图像,其他通道图像作为目标图像,源图像中叶片边缘作为源特征点,由该点18个方向的导数作分量构成特征向量。其次在目标图像中搜索相应的目标特征点,若在其中某一区域内的点与源特征点所在边缘方向夹角小于某阈值,将特征向量与源特征向量的距离为最     

Leaf and canopy optical characteristics as crop‐N‐status indicators for field nitrogen management in corn

The primary constraint of predicting the economic optimum nitrogen rate (EONR) for corn (Zea mays L.) is the high variability of soil nitrogen (N) supply due to environments, soil types, manure, and cropping histories. Portable instruments have been developed to measure leaf and canopy optical characteristics for determining plant N status. The objectives of this field study were to: (1) evaluate leaf and canopy optical properties including transmittance, reflectance, and fluorescence as indicators of corn N status with soil types, developmental stages, and N‐application rates, (2) compare the efficiency of two commercial radiometers that are designed to measure canopy reflectance, and (3) assess the constraints of these crop‐based indicators as a possible guide for real‐time N sidedressing in corn. Field experiments with different levels of N, soil types, and corn hybrids were conducted at three sites in Ottawa, ON, Canada, in 2004 and 2005. Leaf chlorophyll concentrations (SPAD chlorophyll meter), chlorophyll fluorescence (OS‐30), leaf area, and canopy reflectance (NDVI measured by CropScan and GreenSeeker radiometers) were simultaneously measured at several growth stages, while grain yield was determined at harvest. Our results show that canopy reflectance (NDVI) displayed similar efficiency as an indicator of N status on both soil types and corn hybrids in the two consecutive years. The chlorophyll readings often differentiated N‐deficient from N‐sufficient plots and therefore were a promising indicator for predicting corn N requirements. The fluorometer device evaluated in this study was unable to characterize corn N status.     

江西鹰潭早稻关键生育期的NDVI诊断指标

确定水稻不同生育期的适宜和临界光谱诊断指标,是进行水稻生长光谱诊断从而判断施肥量的关键。该研究采取主动式的Greenseeker光谱仪,测定了不同氮肥处理下水稻早稻关键生育期的NDVI,并以水稻产量为判断依据,结合判别式分析计算了江西鹰潭早稻关键施肥期适宜的和临界NDVI诊断指标。结果表明,早稻中选181分蘖期、拔节期（穗分化期）和抽穗期的适宜NDVI值分别为0.37～0.55,0.76～0.80和0.72～0.75,其临界值分别为0.346、0.703和0.654。同品种不同新型肥料共27个小区的试验数据对NDVI临界值的检验表明,分蘖期、拔节期和抽穗期光谱诊断的正确率分别为63%（17个）、81.5%（22个）和96.3%（26个）。表明根据关键生育期的冠层NDVI 能够预测水稻的预期产量水平并用来指导施肥。但还需要开展相关试验来确定不同冠层NDVI下的适宜施肥量,建立基于NDVI的追肥模型。     

用冠层高光谱反射估测玉米植株色素时的采样点和指标选择

初步分析了11个玉米品种在7个生育期的植株叶绿素含量、类胡萝卜素含量和叶绿素/类胡萝卜素比值在不同层位(上层、中层和下层)的变化特点及其与15个高光谱参量间的关系,结果发现1)玉米叶片叶绿素/类胡萝卜素比值较明显表现出随形态学高度的下降而升高;2)绝大多数的高光谱参量与叶绿素含量(mg·g^-1FW)间达到了显著或极显著相关,但相关性不强(最大r=0.56,n=77);3)高光谱参量与叶绿素/类胡萝卜素比值间相关性,明显强于与叶绿素含量或类胡萝卜素含量间的相关性(最大r=0.75,n=77),并表现出明显的层间差异,下层明显强于中层和上层。研究表明,在用高光谱反射分析玉米的色素状况时,用叶绿素/类胡萝卜素比值代替叶绿素含量作为色素指标可提高分析精度。