作物冠层氮素的高光谱无损监测技术研究

氮素是作物生长发育和品质形成的重要指标。实时、快速、准确、无损地监测作物冠层氮素含量对于作物生长诊断、提高氮素利用率、减少过量施氮带来的环境污染具有重要的意义。从冠层氮素的高光谱无损监测的国内外研究现状出发,围绕作物冠层氮素无损监测的技术原理、作物冠层无损监测现状及存在的问题、作物冠层氮素无损监测技术的发展方向等问题进行阐述和探讨,以期为冠层氮素高光谱无损监测研究提供一定的参考。     

旱区糜子农田冠层高光谱反射特征研究初报

高光谱遥感监测技术能快速获取作物冠层相关参数信息,是实时监测作物长势的重要技术。为探索不同糜子品种的冠层光谱反射特征,试验研究了不同品种和不同栽培密度条件下糜子冠层光谱反射率,并分析了其红边特性。结果表明,不同品种糜子的光谱反射率在总体上呈现一致的变化趋势,在各波段存在不同的差异;不同密度梯度下,最大密度处理D3的光谱反射率在350~1 000 nm波段略大于其他处理,其余波段差异不显著;从开花期到灌浆后期,光谱的红边位置出现"蓝移"现象,红边幅值减小。     

叶片垂直分布对小麦冠层方向光谱响应研究

【目的】对不同株型小麦冠层叶片垂直分布的方向光谱响应进行研究,探索精确描述小麦冠层空间信息的途径,为农田作物快速、无损的光谱监测提供新的理论与技术。【方法】以2个株型不同的小麦品种为材料,采用自下向上分层切片方法,分析冠层不同部位叶片对冠层方向光谱的影响。【结果】去除不同叶位叶片后,小麦冠层光谱在300～700,800～1 300,1 400～1 800 nm波段差别明显;不同观测角度中,与传统90°视角获得反射信息比较,30°和60°视角反射光谱包含较多下部叶片信息,下部叶片对冠层光谱反射率贡献较大,0°视角反射光谱包含较多上部叶片信息,上部叶片对冠层光谱反射率贡献较大;小麦冠层的穗层和倒1叶对方向光谱产生很大影响。不同的2个小麦品种,ZY9844上部叶片对反射率的影响比P7弱。【结论】小麦冠层不同部位叶片,对冠层方向光谱影响不同,根据冠层特点,通过改变光谱观测角度,可以提高作物冠层光谱监测的精度。     

小麦冠层光谱获取及信息分析综述

高光谱技术可以快速、准确监测作物的生长信息,小麦冠层光谱与其叶片的叶绿素等生长信息密切相关,同时利用光谱信息可以监测作物的产量、籽粒信息等。介绍了高光谱数据的3种采集方式,综述了利用高光谱数据监测小麦的生长状况(叶绿素、叶面积指数、叶片氮素含量)以及小麦产量、籽粒及病害等相关应用领域研究,并提出了作物冠层光谱分析存在的问题以及下一步发展方向。     

作物冠层高光谱信息采集中光源的设计与优化

[目的]设计并优化光源以克服环境因素对光谱数据的影响,精确获取作物冠层的光谱信息。[方法]通过构建光谱检测系统,利用均匀光照箱的人工光源为光谱采集提供稳定的检测环境;利用卤素灯和D65标准光源组成可见光-近红外光源系统。[结果]通过三因子二次回归正交试验得到了光源系统的光距、物距和直径的最优结构参数。[结论]光谱检测系统能够克服外界环境因素对检测的影响,实现对作物冠层光谱信息的有效采集和光谱特征的准确提取。     

作物氮素高光谱遥感监测研究

高光谱遥感技术在作物氮素营养诊断与监测中表现出强大的优势,具有广阔的应用前景。本文在介绍高光谱遥感技术发展和作物氮素高光谱遥感监测机理的基础上,从作物叶片、冠层及多角度三个尺度对作物氮素含量高光谱监测研究进行梳理,对研究现状进行分析,并提出今后发展方向,以期为有效开展作物氮素高光谱遥感诊断研究提供借鉴。     

基于无人机多光谱遥感的小麦长势监测研究

高效、无损的监测作物长势是现代精准农业的核心环节,无人机平台因具有成本低、数据获取效率高、测试高度及测试时间可按需调节等优点,在监测作物长势中发挥着地面平台和高空平台无法比拟的优势。本研究以小麦为研究对象,应用无人机搭载RedEdge-M多光谱相机获取主要生育时期的小麦冠层多光谱影像,并同步取样测量小麦叶片SPAD、地上部鲜重和干重,进一步探索基于无人机平台获取多光谱影像的预处理方法,提取小麦冠层反射率并筛选出适合作物长势监测的植被指数,构建基于无人机平台的小麦长势监测模型,结果表明,基于NDVI、SAVI、CCCI构建的多元线性回归模型精度更高、稳定性更好。预测小麦SPAD值的最佳模型为y=19.765+7.522NDVI+18.362SAVI+25.629CCCI,R~2为0.965;预测小麦地上部干重的最佳模型为y=-0.508+0.603NDVI+0.325SAVI+0.032CCCI,R~2为0.951;预测小麦地上部鲜重的最佳模型为y=-2.217+2.923NDVI+2.213SAVI-1.417CCCI,R~2为0.766。本研究结果可为园区和农场尺度小麦长势的实时监测提供有效技术支撑。     

水稻、玉米、棉花的高光谱及其红边特征比较

 测定了水稻、玉米、棉花 3种作物共 6个品种的冠层和主茎叶片不同生育期高光谱反射率及其对应叶片中叶绿素、类胡萝卜素含量 ,分析了它们的高光谱及其红边特征和红边参数与叶面积指数、地上生物量、鲜叶重及叶片色素含量的相关性。结果表明 :(1) 3种作物冠层高光谱反射率大小与其生育期有关。冠层和叶片光谱反射率最大值比较结果是 ,冠层光谱 :棉花 >玉米 >水稻 ;叶片光谱 :水稻 >棉花 >玉米。 (2 ) 3种作物冠层光谱的红边都具有“双峰”现象。红边幅值Dλr 和红边面积Sr 均呈增大、减少的变化规律 ,但红边     

基于固定翼无人机多光谱影像的水稻长势关键指标无损监测

【背景】近年来随着遥感技术的快速发展，实时无损监测作物生长状况已成为当前研究热点，遥感获取的农情信息将为实现大面积作物精确管理提供指导。在众多遥感监测平台里，无人机因其操作简单、使用成本低等特点而受到广泛关注，无人机搭载多光谱相机可以快速获取作物的长势信息。【目的】尝试将固定翼无人机多光谱影像纹理信息与光谱信息结合，探究“图谱”信息对水稻长势指标的监测效果。【方法】通过开展两年涉及不同播期、品种、播栽方式、施氮水平的水稻田间试验，在水稻关键生育期使用固定翼无人机搭载Sequoia多光谱相机获取水稻冠层遥感影像，同步进行地上部破坏性取样以获取水稻叶面积指数(LAI)、地上部生物量(AGB)和植株氮含量(PNC)等农学指标，采用简单线性回归、偏最小二乘回归和人工神经网络回归算法，构建基于固定翼无人机多光谱影像的水稻长势指标监测模型，比较分析光谱纹理信息在不同模型中的监测效果。【结果】利用简单线性回归方法探究了植被指数(VI)、单波段纹理特征与水稻LAI、AGB和PNC间的定量关系，结果表明植被指数与LAI和AGB之间有较强的相关性，表现最好的植被指数为CIRE和NDRE,R 2分别为0.8...     

基于光谱角指数小麦冠层叶片特征差异估测研究

[目的]为利用高光谱技术实现作物氮素营养状况无损快速监测提供途径.[方法]通过不同品种小麦不同氮素水平试验,分析小麦不同氮素营养状况下,叶片叶绿素含量与叶面积指数、冠层光谱角的关系,定量分析光谱角指数,并建立相关模型对小麦氮素营养状况进行实时监测.[结果]冠层光谱角指数与差值叶绿素含量和差值叶面积指数的相关性最高为0.919 7,两者之间建立的模型决定系数为0.739 2,0.617 8,具有很好的拟合效果.[结论]利用光谱角可以监测小麦叶片叶绿素及叶面积差异,在此基础上进行小麦氮素营养监测是可行的.     

基于高光谱成像估测冬小麦不同生育时期水分状况

【目的】研究实时、快速估测冬小麦不同生育时期水分状况并构建模型,为冬小麦水分精准管理提供科学依据。【方法】以新疆典型滴灌冬小麦为研究对象,应用高光谱成像技术获取冬小麦冠层光谱信息,并对原始光谱反射率进行平滑和数据变换,利用一元线性回归(Simple linear regression,SLR)、主成分回归(Principal components regression,PCR)和偏最小二乘回归(Partial least squares regression,PLSR)3种建模方法,对冬小麦冠层原始光谱及变换光谱分别构建植株水分含量估测模型。【结果】冬小麦冠层原始光谱反射率与植株水分含量相关性不高,对原始光谱反射率进行数据变换可以显著增强与水分含量的相关性和相关波段数,其中倒数一阶微分变换与冬小麦植株水分含量的相关系数最大,为-0.893 0,但不同变换最优相关系数所对应的波段位置并不固定。PLSR方法的模型精度最高,对数变换的PLSR模型估测精度最高,模型$R_{p}^{2}$、RMSE_p、RPD值分别为0.880 8、3.251 2%、2.934 3;冬小麦不同生育时期估测模型精度存在差异,拔节期、抽穗期估测模型精度较低,灌浆中期最高,其估测模型$R_{p}^{2}$、RMSE_p、RPD值分别为0.904 8、1.381 1%、3.454 7。【结论】利用高光谱成像技术对估测冬小麦植株水分含量是可行的,在灌浆中期的估测效果最佳。     

植物占位立体营养调控研究

目的:分析研究植物占位立体空间营养及其调控。方法:以4种不同玉米田间种植型式为素材,采用系统分析的方法。结果:群体作物密植过程中,植物占位立体空间与光、热、水、气(CO2)、肥(矿质元素)同是影响植物生长发育和群体产量的要素;是植物存活和生长发育冠层营养和土体营养的承载依托;可以用植物单株内切圆面积或单株内切圆冠层圆柱体和根系土体的圆柱体体积大小对群体作物的营养状况进行量化比较。结论:人类可通过植物田间株、行距调节和采用不同田间配置型式对植物占位立体空间营养进行调控。     

基于LiDAR的温室番茄冠层几何参数提取

【目的】准确获取温室番茄作物行中单株冠层数据,为分析作物生长状态和为对靶喷药提供冠层数据支持。【方法】采用三维激光雷达(LiDAR)搭建番茄植株冠层检测平台,使用导轨以0.05 m/s的速度移动三维激光雷达,利用雷达上位机软件Ctrlview保存双侧扫描的A、B 2组共40株番茄植株点云。双侧点云使用ICP(迭代最近点)算法进行配准,利用基于特征值的平面拟合法去除地面,使用均值漂移算法(Meanshift)分割番茄行中的单株点云,获取冠层参数,与人工测量值比较验证精度,将单株点云在MATLAB中使用alpha shape算法进行重建并进行体积的获取,使用凸包算法作物参考值对比。【结果】该检测平台在激光雷达前进方向与垂直前进方向的测量误差分别为-2.65%、-3.95%;获取到的单株番茄植株高度与人工测量值相比,平均绝对误差分别为0.025和0.031 m;重建后求取的体积与凸包算法相比平均误差下降了约15.3%,与人工获取相比相差不大,各指标良好。【结论】番茄行点云分割结果与人工测量相比A、B 2组的均方根误差RMSE分别为0.039和0.043,冠层体积获取与参考值对比V_RMSE为0.011 3,激光雷达在获取作物外形轮廓信息中具有一定的准确性和可靠性,该方法用于温室环境下单株作物冠层数据的获取。     

不同打顶时期对杂交棉冠层结构影响的研究

应用CI-110作物冠层结构分析仪,采集杂交棉兆丰1号和新陆中31号不同打顶时间的群体冠层结构数字图像,通过信息提取专用软件获得不同打顶处理群体冠层的结构特征并进行分析表明:打顶时期显著影响杂交棉冠层结构,在7月13-22日打顶处理的群体最大叶面积指数(LAI)适宜,平均叶簇倾角(MFIA)较低,散射辐射透过系数(TCDP)和直射辐射透过系数(TCRP)较高,平均叶分布(LD)值在盛花期各层次分布均匀、铃絮期中上部分布较高;消光系数(K)由上而下均匀增加,群体结构优化,单株结铃多,产量最高;打顶过早或过晚均不利于群体冠层结构的优化。不同株型品种的冠层结构特征对打顶时期反应不同,生产中应根据品种特性合理安排打顶时期。提出了南疆杂交棉较理想的冠层结构指标。     

优化水肥与传统水肥对冬小麦叶片生长、群体光分布及产量的影响

与传统水肥相比 ,优化水肥、秸秆还田优化水肥处理冬小麦主茎上第四叶叶面积和厚度略微减少 ,叶倾角、消光系数、各层透光率与传统水肥处理差异很小 ,株形尚好。优化水肥和秸秆还田优化水肥处理冬小麦籽粒产量略高于传统水肥处理。与优化水肥处理相比 ,秸秆还田优化水肥处理有利于增加光合面积 ,提高叶片质量 ,改善冠层结构和光分布状况 ,增加单位面积籽粒产量。     

Spectrum Characteristics of Cotton Canopy Infected with Verticillium Wilt and Applications

Hyper spectrum remote sensing with fine spectrum information is an efficient method to estimate the verticillium wilt of cotton. The research was conducted in Xinjiang, the largest cotton plant region of China, by using the data which were collected both by canopy spectrum infected with verticillium wilt and severity level （SL） in the year 2005-2006. The quantitative correlation was analyzed between SL and canopy of reflectance spectrum or derivative spectrum reflectance. The results indicated that spectrum characteristics of cotton canopy infected with verticillium wilt changed regularly with the increase of SL in different periods and varieties, Spectrum reflectance increased in the visible light region （620-700 nm） with the increase of the SL, which inverted in near-infrared region and was extremely significant in the region of （780-1 300 nm）. When SL attained b2 （DI = 25）, cotton canopy infected with verticillium wilt was used as a watershed and diagnosed index in the beginning stages of the disease. The results also indicated that there were marked different characteristics of the first derivative spectrum in these SL, it changed significantly in the red edge ranges （680-760 nm） with different SL, i.e., red edge swing decreased, and red edge position equally moved to the blue. In this study 1 001-1 110 nm and 1 205- 1 320 nm were selected out as sensitive bands for SL of canopy. Inversion models established for estimating cotton canopy infected with verticillium wilt reached the most significant level. Finally, the different spectrum characteristics of cotton canopy infected with verticillium wilt were marked, some inversion models were established, which could estimate SL of canopy infected with verticillium wilt. The best recognized model was the first derivative spectra at （FD 731 nm- FD 1317 nm）, and it might be used to forecast the position of cotton canopy infected with verticillium wilt quantitatively.     

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.     

Estimating Aboveground Fresh Biomass of Different Cotton Canopy Types with Homogeneity Models Based on Hyper Spectrum Parameters

AGB （aboveground fresh biomass） is one of the most important parameters of the crop condition monitored with remote sensing. Hyper spectrum remote sensing with the fine spectrum information becomes the efficient method estimating the vegetation AGB. The research was conducted in Xinjiang, the largest cotton planting region of China. The paper analyzed the correlation between the cotton AGB and reflective spectrum and the first derivative spectrum, and the variation coefficient of the waveband reflectance. According to the analysis above, all of 23 parameters, including the hyper spectrum reflectance, the first derivative spectrum parameters and normalization vegetation indexes, were established. And then the estimation models on cotton AGB of relaxing and compact canopy type were established and tested respectively. The tested results showed that Fgo1, [901,502], [901,629], [901,672] among the reflective spectral parameters and D525, D956, D1019, D1751 among the first derivative spectral parameters had the homogenous effect on different cotton canopy types, and the determination coefficients of the models above all arrive at the significant level of 0.99 confidence interval. At last, the tested results of the homogeneity models for different canopy types indicated the parameters of [901, 502], [901,629], [901,672] have more satisfying veracity than others, and the relative errors are as low as 17.0, 16.3 and 16.7% correspondingly; in contrast, the estimation veracity of the first derivative spectrum parameters of single waveband is low.     

小麦植株遮挡对微喷灌均匀度的影响

针对小麦等密植作物不同生育期株高和冠层覆盖度对微喷带灌溉均匀度产生影响的问题,采用试验方法,根据小麦生长规律设计不同的株高和种植密度,研究植株遮挡对于微喷带灌溉均匀度的影响。结果表明:1)使用微喷带进行田间灌溉时,其灌溉均匀度的影响因素包括微喷带水力性能影响和作物生长状况影响2部分;2)微喷带的水力性能是保证小麦微喷带灌溉均匀度的基础;3)作物生长状况对微喷带灌溉均匀度影响显著,在田间灌溉中可根据作物生长阶段的密度及覆盖度,调整微喷带的运行压力,提高灌溉均匀度。     

基于光谱指数的冬小麦变量施肥冠层光谱特征研究及产量分析

 【目的】由适时获得的高光谱数据代替传统繁琐的实验室土壤养分测定数据来进行变量施肥，实现冬小麦高产优质的目标。【方法】本研究利用冬小麦起身期和拔节期冠层光谱数据，选用反映冬小麦长势信息的优化土壤调节植被指数（OSAVI，optimization of soil-adjusted vegetation index）和变量施肥模型进行变量施肥管理（变量区），以相邻地块常规非变量（均一）施肥区（对照区）为对照，研究了不同氮肥处理冬小麦冠层光谱特征及其施肥效应。【结果】变量施肥之后两种氮肥处理在敏感波段670 nm和760～900 nm处反射率差异明显，而670nm和760～900nm是氮素和冠层的敏感波段，说明进行变量施肥时，利用基于这两个波段组合的光谱指数OSAVI优于其它波段组合的光谱指数；SAVI不同生育时期的变化情况，反映了变量施肥在调控作物长势及群体结构上的优势；与对照区相比变量区提高产量达378.72 kg•ha-1，并降低了各小区产量之间的变异,变量区土壤硝态氮浓度降低，氮肥利用率提高，生态效益较为明显。【结论】该技术通过改善冬小麦群体质量，延缓了植株衰老，促进干物质和氮积累，增加冬小麦产量和氮肥利用率。