不同施氮条件下小麦冠层的高光谱和多光谱反射特征

为了更好地利用冠层反射光谱特征监测小麦生长及氮素营养状况。以宁麦9号、淮麦20、徐麦26和扬麦10号四个小麦品种为材料,通过田间小区试验,研究了不同小麦品种在不同生育时期和不同氮素水平下冠层反射光谱的变化规律。结果表明,相同氮素水平下不同小麦品种冠层反射光谱的反射率有差异,且近红外部分差异较明显。小麦从拔节开始,随生育期的推进,冠层反射光谱在可见光波段的反射率先降低然后升高,以孕穗期反射率最低。随着叶片的逐渐变黄。反射率又增大,并且绿光波段的反射峰也逐渐消失。而近红外区反射率则表现出相反的趋势,以开花期为分界,先上升然后下降,直到成熟前降为最低。随着施氮水平的提高,冠层反射光谱在近红外反射平台（750-1300nm）的反射率呈上升趋势,而可见光部分反射率则下降,并且反射光谱的绿峰和红边位置也随着施氮水平的提高分别向蓝光方向（波长变短）和红光方向（波长变长）移动。     

基于模拟光谱数据的冬小麦播期遥感监测最佳时相研究

为利用高时空分辨率的航天数据对区域冬小麦播期实现尽早监测,对冬小麦播期的不同遥感监测时相精度进行了分析。首先利用耦合作物模型和辐射传输模型模拟不同播期冬小麦从播种至返青的冠层光谱反射率,分析不同播期的冠层光谱响应差异,选取对不同播种日期敏感的波段。然后,根据敏感波段的冠层光谱,选择训练样本并计算不同播期之间的J-M距离,初步判断出光谱可分性较好的时相。最后,对不同的播期进一步进行判别分析,判定未知类别样本的所属类别。根据正确分类的精度,在华北平原北部选择播期监测的最佳时相为12月中旬,精度达到89.5%。     

基于光谱指数的冬小麦冠层叶绿素含量估算模型研究

为探索对冬小麦冠层叶绿素含量反应敏感的高光谱波段组合,同时比较不同光谱指数对小麦冠层叶绿素含量的估测效果,通过分析350~2 500nm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交叉组合而成的主要高光谱指数与冬小麦冠层叶片叶绿素含量的定量关系,建立冬小麦冠层叶绿素含量估算模型。结果表明,选用归一化光谱指数(NDSI)、比值光谱指数(RSI)、差值光谱指数(DSI)和土壤调节光谱指数(SASI)建立的冬小麦冠层叶绿素含量监测模型决定系数均大于0.71,标准误差均小于1.842。利用独立试验资料进行检验,表现最好的是RSI(FD_(689),FD_(609))和SASI(R_(491),R_(666))L=0.01,预测精度高达98.2%,模型精确度和可靠性较高。     

基于倾斜遥感观测的小麦白粉病胁迫下叶绿素含量监测

为了探讨多角度遥感在白粉病胁迫下监测小麦叶绿素含量的适宜角度,以易感白粉病品种偃展4110和中感白粉病品种国麦301为试验材料,获取三种不同生长环境(病圃田、接种田和自然感病田)下抽穗至灌浆期小麦冠层多角度反射光谱及叶绿素含量,分析不同时期叶绿素含量变化及其与多角度反射率的关系,建立白粉病胁迫下小麦叶绿素含量监测模型。结果表明,由红边波段构建的光谱参数对白粉病胁迫下叶绿素含量变化反应敏感。优化筛选出的植被指数与叶绿素含量之间的相关性在前向角度观测时优于垂直角度观测,而垂直观测角度好于后向角度观测,整体上以前向20°最佳。植被指数中,光谱参数RES(红边对称度)表现较好,在前向20°下的监测精度达0.725。因此,在前向20℃观察条件下可用RES对白粉病危害后小麦冠层叶绿素含量变化进行有效监测。     

基于高光谱遥感的小麦黄花叶病害等级监测研究

为了构建小麦黄花叶病的遥感监测技术,在小麦返青期、拔节前期和拔节后期测定了不同黄花叶病等级下的冠层反射率,并同步调查与病害等级相关的小麦株高、含水量、氮含量、色素含量等农学参数,筛选出适宜监测小麦黄花叶病的植被指数,并构建病害等级监测模型。结果表明,小麦黄花叶病的反射光谱敏感波段在返青期和拔节前期集中于560～720 nm范围,而拔节后期则集中于800～900 nm区域。随病害等级的增加,光谱反射率在可见光波段逐渐增加,而在近红外波段区域降低。植被指数与病害等级相关性在不同生育时期间存在显著差异,整体上以拔节前期最好,决定系数(r²)为0.72～0.82,而拔节后期模型精度急剧下降(r²=0.26～0.72)。在植被指数中,整体上以表征色素变化的mND705模型预测精度最好,r²和RMSE分别为0.59～0.68和0.79～0.98。采用偏最小二乘回归(PLSR)建立黄花叶病害分级模型,三个时期的模型精度均高于植被指数模型,且整体上以返青期和拔节期前期估算效果较好,模型验证r²为0.93～0.97,...     

小麦叠加叶片的叶绿素含量光谱反演研究

为了给田间冠层水平叶绿素含量高光谱反演研究提供参考,研究了小麦单层及叠加叶片不同波长光谱反射率及几种常用植被指数对叶绿素含量的响应特征。结果表明,可见光波段的绿光到红光波段范围内叶片光谱反射率与叶绿素含量存在良好的相关关系,其中在绿光反射峰550 nm附近和红边区域的705 nm附近反射率都可以用来预测叶绿素含量。红谷吸收表现为随叶绿素含量提高而蓝移的特征。常用植被指数NDVI在本研究中对小麦叶片的叶绿素含量的监测效果并不理想。SR705虽然与单层叶片叶绿素含量相关性较好,但是对叠加多层叶片的叶绿素含量反演效果不好。光谱参数中TCARI对单层叶片和不同叠加层数的叶片均有最好的预测能力,因此可以利用TCARI监测小麦叶绿素含量,进而用于评价其光合特性。     

基于近地高光谱与TM遥感影像的冬小麦冠层含水量反演

为探讨利用近地高光谱和TM遥感影像数据评估作物冠层水分状况的可行性,以北京顺义通州为研究区域,以冬小麦为研究对象,首先基于Landsat TM5的光谱响应函数,利用地面实测的冬小麦全生育期冠层高光谱窄波段反射率数据来模拟TM5卫星宽波段反射率,然后利用模拟的TM5数据的NIR波段(第4波段)和2个SWIR波段(第5和7波段)反射率分别构建水分指数(WI)和归一化差异水分指数(NDWI),并利用地面实测数据建立冠层叶片含水量(LWC)和等效水厚度(EWT)的遥感估算模型,最后选取最优的水分估算模型,利用TM5卫星遥感影像数据对研究区域小麦冠层水分含量进行反演与应用。结果表明,利用TM5数据中SWIR第5波段比第7波段构建的水分指数更有优势;WI对估算LWC的效果较好,而NDWI在EWT估算方面效果较好,应用TM5宽波段模拟数据模型验证的冬小麦冠层含水量的r2和RMSE分别为0.57和0.51、3.89%和0.024。同时从TM遥感影像的反演结果来看,开花期的冬小麦冠层水分高于拔节期。     

玉米LAI和FPAR的高光谱遥感预测模型研究

运用高光谱探测技术,获取不同密度下两个不同品种春玉米冠层不同时期的光谱特征反射参数,对高光谱原始反射率、反射率对数、反射率一阶导数、反射率二阶导数以及DVI、RVI、NDVI、SAVI 4种植被指数与玉米的LAI和FPAR进行相关分析,并建立两者之间的预测方程,通过对模型检验选出最佳预测模型。研究表明,一阶导数和4种植被指数都能很好地预测LAI和FPAR,其中,对LAI预测最好的是利用光谱一阶导数建立的指数函数模型,对FPAR预测最好的是利用NDVI建立的二次多项式模型。851 nm处的一阶导数对玉米的整个时期变化都比较敏感,LAI的最佳预测模型在玉米的整个时期都具有较好的预测性;855、758 nm波段组合的NDVI对FPAR的变化比较敏感,但当FPAR较大时,模型对其预测能力降低。     

不同土壤质地小麦叶片叶绿素的高光谱响应及估测模型

为给小麦生长过程中叶绿素的实时监测和氮肥调控提供参考,设置3种不同土壤质地(沙土、壤土和粘土)、5种不同施氮水平(0、120、225、330和435kg·hm-2)和3个河南省主栽小麦品种(矮抗58、周麦22和郑麦366),同步测定小麦主要生育时期冠层光谱反射率和叶绿素(Chla+b)含量,系统分析了3种土壤质地条件下小麦Chla+b含量与350~1 050nm波段范围内冠层光谱参数的相关关系。结果表明,3种土壤质地下小麦叶绿素的冠层光谱响应趋势基本一致。光谱指数REPIG和mND705对叶片Chla+b含量的监测效果较好,建模决定系数分别为0.76和0.75。利用独立样本数据对用于建模的此二光谱参数进行检验,其预测效果表现较为稳定,预测决定系数分别为0.87和0.85,均方根偏差分别为0.46和0.48。说明利用光谱指数REPIG和mND705为自变量建立的估测模型可以较好地预测当地生产条件下小麦叶片叶绿素,同时为氮肥施用及调控提供技术依据。     

缺素对小麦冠层反射光谱的影响

为给小麦缺素症早期诊断提供依据,以太湖地区典型稻麦轮作区的长期定位施肥实验为研究对象,分析了氮磷钾单一营养元素缺乏和两种或两种以上元素同时缺乏时的小麦叶绿素含量（SPAD值）及冠层反射光谱特性的变化规律。结果表明,缺素造成了叶片叶绿素含量的下降。缺氮使小麦冠层光谱反射率在可见光波段（460～710nm）和1480～1650nm波段增加,在近红外波段（760～1220nm）下降,红光波段对胁迫表现最为敏感．其次为黄光波段和1480nm左右的水分吸收波段;缺磷降低了近红外波段反射率,对可见光波段反射率的影响则受生育阶段和其他肥料互作的影响;缺钾处理对冠层反射光谱的影响较小,差异不显著。氮胁迫对可见光波段的影响程度显著高于磷胁迫,近红外波段两者持平。光谱对养分胁迫的响应程度随生育进程的推进而逐渐减小。缺素均使冠层光谱的红边位置向短波方向移动即发生蓝移,位移大小依元素缺乏种类及数量而定,最大位移可达10nm左右。     

小波特征与传统光谱特征估测冬小麦条锈病病情严重度的对比研究

为探讨通过小波特征监测小麦条锈病发病程度的可行性,利用连续小波变换提取的小麦冠层光谱350~1 300 nm范围内的9个小波特征和传统光谱特征（植被指数、一阶微分变换特征和连续统特征）,借助偏最小二乘回归（PLSR）建立反演模型,分别将传统光谱特征（SFs）、小波特征（WFs）及传统光谱特征与小波特征结合(SFs & WFs）作为模型的输入,对小麦条锈病病情进行反演。结果表明：（1）小波特征与条锈病严重度的相关性比传统光谱特征强;（2）基于小波特征的模型估测精度（R为0.837）优于基于传统光谱特征的模型估测精度（R为0.824）;（3）传统光谱特征与小波特征结合的模型精度最高,R为0.876,RMSE仅为0.096,因而传统光谱特征与小波特征相结合能够更好地对小麦条锈病病情严重度进行估测。     

基于多核支持向量机的小麦条锈病遥感监测研究

为提高小麦条锈病的遥感探测精度,依据日光诱导叶绿素荧光和冠层反射光谱数据在小麦条锈病遥感探测中的优势及其与病情严重度之间的映射关系,在运用独立分量分析法对光谱数据降维的基础上,利用核学习算法分别确定冠层光谱特征和日光诱导叶绿素荧光特征反映小麦条锈病病情严重度的最优核,同时针对冠层光谱与叶绿素荧光特征组,建立基于不同特征最优核映射的多核学习支持向量机模型,并与基于特征直接拼接的模型结果进行对比。结果表明,对于冠层光谱而言,采用高斯核构建的支持向量机模型可较好估测小麦条锈病病情指数,而日光诱导叶绿素荧光指数则是采用多项式核的效果更优;采用直接拼接法融合叶绿素荧光指数和冠层光谱特征能够在一定程度上改善小麦条锈病病情指数估测精度,决定系数(r~2)最高为0.847,而单独利用冠层光谱信息或者叶绿素荧光信息时,r~2最高仅为0.802;对日光诱导叶绿素荧光和反射光谱特征分别利用其最优核进行映射构建的多核学习支持向量机模型精度最高,r~2为0.915,RMSE为0.090,优于基于特征直接拼接构建的支持向量机模型精度。     

基于Dualex植物多酚-叶绿素仪的冬小麦叶绿素含量高光谱估算

为探讨基于Dualex植物多酚-叶绿素仪和高光谱遥感技术反演小麦叶绿素含量的可行性,利用Dualex植物多酚-叶绿素仪,测定不同生育时期冬小麦叶片叶绿素含量(Chl),同时进行叶片光谱测定,以对Chl敏感的1个一阶导数波段、3个三边参数和3个植被指数作为自变量,利用偏最小二乘法(PLS)和支持向量回归(SVR)构建估测模型,并利用验证样本对各生育时期估测模型进行精度检验,同时与传统的单因素模型进行了比较。结果表明,冬小麦反射光谱曲线在不同生育时期有所不同,且随着叶绿素含量的增加,可见光波段的光谱反射率不断降低;在以一阶导数光谱敏感波段、三边参数以及植被指数构建的冬小麦Chl单因素估算模型中,基于各生育时期显著相关的植被指数构建的模型精度最优;以7个参数作为自变量,利用偏最小二乘法(PLS)和支持向量回归(SVR)构建的模型在各生育时期均表现出较好的拟合性及预测精度,尤其利用SVR建立的模型建模决定系数在0.8以上,预测决定系数在0.7以上,是进行冬小麦叶片Chl估测的最优模型。     

冬小麦叶面积指数的品种差异性与高光谱估算研究

为给小麦叶面积指数（LAI）的高光谱估算提供技术支持,基于2年大田试验,以4个河南主推品种为材料,对小麦LAI和冠层光谱变化特点、估算模型及其品种间的差异等进行了系统分析。结果表明,在生育期内不同冬小麦品种冠层光谱反射率的变化与LAI变化有差异;在相同LAI下,不同冬小麦品种的光谱曲线存在差异。利用400~900 nm范围内冠层光谱反射率的任意两波段组合的比值光谱指数（RSI）、归一化差值光谱指数（NDSI）和差值光谱指数（DSI）所建立的单品种模型以及不同品种综合模型的决定系数（r）均达到0.84以上,单品种模型的r和调整r分别较综合模型高出3.1%~4.8%和2.0%~4.2%。利用独立于建模样本以外的数据对上述模型进行检验,单品种模型预测的r较综合模型提高了0.6%~11.0%,而均方根误差降低了10.0%~37.0%。因此,在利用高光谱遥感技术估算冬小麦LAI时,可以通过建立单品种模型来提高估算精度。     

关中冬小麦叶片氮素含量高光谱遥感监测模型

为给黄土高原大范围的冬小麦氮素营养遥感监测提供理论依据,通过田间试验,研究了冬小麦叶片氮素含量遥感监测的最佳生育时期、最敏感波段及其他最优光谱参量。结果表明,灌浆期是利用高光谱遥感监测冬小麦叶片氮素营养状况的最佳生育时期;在拔节、抽穗和灌浆期680nm波段光谱反射率R680均能较好地反映冬小麦叶片氮素含量,基于光谱位置以及叶面积指数的光谱参量也能较好地反映冬小麦叶片氮素含量。拔节期、抽穗期和灌浆期分别以680nm波段光谱反射率R680、绿峰反射率Rg和植被指数(SDr-SDb)/(SDr+SDb)对小麦叶片氮素含量的拟合效果最佳,其回归方程分别为Y=27.54-280.247 X+1456.245 X2、Y=8.632 X-0.24和Y=25.83 X1.012。     

基于高光谱遥感的小麦籽粒产量预测模型研究

为了确立能够准确预测小麦籽粒产量的敏感光谱参数和定量模型,于2003～2006年连续3个生长季,通过不同小麦品种和不同施氮水平的4个大田试验,在小麦不同生育期采集田间冠层高光谱数据并测定植株氮含量、重量和叶面积指数及成熟期籽粒产量,定量分析小麦籽粒产量与冠层高光谱参数的相互关系.结果显示,小麦籽粒产量随施氮水平的提高而增加,不同地力水平间存在显著差异.灌浆前期叶片氮积累量和叶面积氮指数均能够较好地反映成熟期籽粒产量状况,而叶片氮含量和氮积累量及叶面积氮指数在拔节～成熟期的累积值与成熟期籽粒产量的回归拟合效果更好.对叶片氮含量和氮积累量及叶面积氮指数的光谱反演,在不同品种、氮素水平和年度间可以使用统一的光谱参数.根据"特征光谱参数-叶片氮素营养-籽粒产量"这一技术路径,以叶片氮素营养为交接点将模型链接,建立了基于灌浆前期高光谱参数及拔节期～成熟期特征光谱指数累积值的小麦籽粒产量预测模型.经两年独立试验数据检验表明,利用灌浆前期关键特征光谱指数可以有效地评价小麦成熟期籽粒产量状况,拔节～成熟期特征光谱指数的累积值能够稳定预报不同条件下小麦成熟期籽粒产量的变化.因此,利用冠层特征光谱指数可以快速无损地预报小麦成熟期籽粒产量.