水稻冠层光谱反射特征及其与叶面积指数关系研究

在水稻试验小区,通过人为控制的方法造成施N水平的差异,对水稻整个生长期内冠层光谱进行了比较系统、密集的测定,并测定了水稻几个重要生育期的叶面积指数。结果表明:随着施N水平的提高,水稻冠层光谱在各生育期呈现出一定的规律性,在近红外部分(760 ~ 1220 nm),冠层光谱反射率随着施N水平的提高而升高,而在可见光部分(460 ~ 710 nm),水稻冠层的光谱反射率反而逐渐降低。冠层光谱经差异显著性检验发现:水稻灌浆期以前,对施N水平最为敏感的波段是绿光(560 ~ 610 nm)和近红外(710 ~ 760 nm)部分;转换为归一化植被指数(NDVI)以后,差异最显著的是 (R760 - R560) / (R760 R560)。对叶面积指数与冠层光谱反射率的相关分析结果表明:在水稻抽穗期以前,叶面积与冠层光谱反射率相关性较差;而抽穗期以后,二者有较好的相关性。     

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.     

冠层反射光谱与小麦产量及产量构成因素的定量关系

基于4个小麦品种、5个施氮水平的田间试验,在比较小麦冠层多光谱和高光谱反射特征的基础上,讨论了不同生育期冠层反射光谱参数与小麦产量及产量构成因素的定量关系。结果表明,拔节期冠层多光谱参数与理论产量和实际产量的相关性较高,可用于预测小麦产量,而冠层高光谱反射参数与小麦产量间的相关性较差,难以直接利用预测小麦产量;冠层的多光谱和高光谱参数对亩穗数的预测效果均较好,小麦拔节期、灌浆中期和成熟期的冠层多光谱参数、高光谱参数均与亩穗数间具有极显著正相关关系（P〈0.01）,从而分别建立了各时期利用高光谱参数A（760,850）/R550、多光谱比值植被指数RVI（810,560）的小麦估产方程。研究结果对选择合适的光谱参数建立估产模型、保证高光谱遥感信息反演精度具有重要价值。     

不同筋力冬小麦冠层反射光谱的差异分析

为了利用冠反射光谱特征监不同筋力小麦品种的生理特征差异,利用不同筋力小麦冠层反射光谱的差异,可对不同小麦品种进行遥感识别与监测。试验以低筋小麦品种扬麦13和高筋小麦品种徐麦31为材料,结合不同生育时期两品种叶面积指数(LAI)、叶绿素含量和叶片氮含量的变化,以及相应的光谱参数,分析不同筋力小麦冠层反射光谱的变化特征。结果表明,在近红外和可见光波段,从拔节期到蜡熟期,扬麦13的冠层光谱反射率均高于徐麦31,在孕穗期两品种的差异最显著;LAI、叶片叶绿素和氮含量均在开花时达最大值,扬麦13的叶绿素含量明显高于徐麦31,而LAI和叶片氮含量则低于徐麦31。比值植被指数(RVI)、归一化植被指数(NDVI)与LAI;红边位置(λr)、红边幅值(Dr)与叶绿素含量,氮素反射指数(NRI)、抗大气植被指数(VARIgreen)与叶片氮含量极显著相关,表明RVI、NDVI可以反演LAI;λr、Dr可以反演叶绿素;NRI、VARIgreen可以反演叶片氮含量的变化。以上光谱参数能反映小麦相关指标的变化情况,不同时期可运用小麦冠层反射光谱进行不同筋力小麦品种识别,孕穗期为最佳识别时期。通过本研究,以期为不同筋力小麦品种的遥感识别提供依据。     

干旱区棉花冠层高光谱反射特征研究

为揭示棉花冠层高光谱特征,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的应用。基于新疆棉花生长发育规律,对棉花各生育期冠层进行高光谱反射率的测定,研究不同灌水量、氮素营养条件及品种对棉花冠层光谱反射特性的影响。结果表明:在可见光区(400-700nm),适度缺氮(N1)条件下的棉花冠层光谱反射率相对较高,而氮过量(N3)条件下的冠层光谱反射率相对较低;随着灌水量的增加,在近红外波段(700-800nm),棉花冠层光谱反射率呈上升趋势,在盛蕾期和盛花期不同灌水量处理的光谱反射率差异明显;不同棉花品种冠层光谱反射率存在一定差异,在近红外区新陆早13与新陆早10只在吐絮后期光谱反射率差异不明显,在前3个生育期差异较明显。     

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。     

UV-B辐射增强和免耕对冬小麦冠层反射光谱特性的影响

通过田间模拟UV-B辐射增强,并采用FieldSpec Pro FR光谱仪进行田间观测,对UV-B辐射增强20％(U)条件下免耕(Z)和深耕(C)两种耕作方式对冬小麦冠层反射光谱和一阶导数光谱的影响进行研究,试验以无UV-B辐射增强(N)为对照,共设4个处理,分别为ZU、ZN、CN、CU.结果表明,冬小麦冠层光谱能有效监测UV-B辐射增强和两种耕作方式的复合作用.各处理间小麦冠层反射光谱的差异主要体现在近红外高台,灌浆期是最佳监测生育期.在灌浆期,U处理导致小麦冠层光谱近红外高台反射率明显降低,Z处理的近红外高台反射率明显低于C处理,且其受U处理的影响小于C处理,表明免耕具有延缓叶片衰老的作用.进一步采用一阶导数光谱分析发现,各处理在开花期和灌浆期均有显著差异.U处理导致红峰高度在灌浆期显著降低.Z处理的红峰高度明显低于C处理,红边位置比C处理偏红,并出现多峰情况.在未来UV-B辐射增强情景下,研究结果可为不同耕作方式下冬小麦采用冠层光谱进行无损检测的可行性提供理论参考.     

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。     

冬小麦冠层光谱红边特征分析

通过对不同N素营养水平冬小麦冠层光谱特性的田间试验研究,发现红边位移现象:在孕穗期前,红边随施N量增加向长波方向"红移";孕穗期后"红移"现象基本消失,继而发生"蓝移"。红边参数中红边斜率(dλred)与叶片N累积量(TN.D)、叶绿素含量(CHL.T)、叶绿素密度(CHL.D)的相关关系通过显著性检验,红边面积(∑dλ680~760)和叶片全N含量(N%)的相关关系通过显著性检验,红边位置(λred)、红边斜率、红边面积与叶面积指数有着密切关系,均通过极显著性检验,一些红边参数可作为小麦农学参数估测的简便方法。     

玉米冠层叶片光谱反射率与玉米长势空间变异的关系

为了寻找一种快捷获取玉米叶绿素空间分布信息的方法,研究了玉米苗期冠层叶片光谱反射率的变化特征,分析了不同生长阶段冠层叶片光谱反射率的空间分布和叶绿素质量浓度的空间分布.研究结果表明:玉米苗期冠层叶片叶绿素的质量浓度空间分布不均匀.冠层叶片的叶绿素质量浓度与光谱指数RVI的相关性较低,与归一化差异植被指数NDV1值和550 nm波段的反射率均有较高的相关性.分析550nm波段的反射率值与冠层叶片叶绿素质量浓度值的相关关系,显示二者成负相关变化趋势,相关系数绝对值在0.69～0.88范围随着生长期的变化而逐渐增大,五叶期前期的相关性系数绝对值达到苗期最大值,表明550 nm波段反射率值能够较好的反映玉米苗期叶绿素质量浓度的水平,分析和掌握550 nm波段反射率值的变化及其空间分布特性对快速监测玉米苗期生长状况,对指导田间施肥具有重要意义.     

图像拼接重建苹果树冠层器官三维形态

为重建苹果树年生长期冠层器官三维形态,以休眠期、疏花期、成熟期苹果树冠层为研究对象,分别针对基于光合混合探测技术(photonic mixer detector,PMD)的摄像机与彩色摄像机获取的强度图像与彩色图像开展冠层图像拼接技术研究。利用Scale invariant feature transform算法的尺度不变特征,并结合Random sample consensus算法精确确定图像映射模型,避免了果园非结构光及图像尺度变换的影响。以此为基础,应用拉普拉斯金字塔分解与重构算法、分层确定融合规则,实现了不同生长期的冠层图像拼接,有效克服了传统融合算法反映细节信息能力差、拼接痕迹明显等缺点。果园不同环境下(晴天顺光、晴天逆光、阴天)的试验表明:提出的拼接方法适合于苹果树年生长期的冠层器官图像拼接,且算法的鲁棒性、速度及拼接精度均能满足冠层三维重建工作的要求,研究成果对提升剪枝、疏花、测产、采摘等果园管理的信息化水平具有重要意义。     

基于苹果树冠层计盒维数的光照分布预测

果园精细管理中,苹果树冠层结构决定了叶幕期光照分布情况,而叶幕期光照分布又是关系到果实产量和质量的重要因素之一。该文以纺锤体苹果树为研究对象,提出了基于苹果树冠层计盒维数的光照分布预测方法。在冠层尺度内,按照网格法划分休眠期苹果树冠层三维点云数据,通过分析该数据构成的果树冠层空间结构,提出用计盒维数量化果树冠层结构的方法;通过分析休眠期冠层结构特征和叶幕期冠层相对光照分布特点,研究了休眠期苹果树三维冠层网格空间计盒维数与叶幕期冠层光照空间分布之间的关系,预测了叶幕成形期苹果树冠层光照分布。通过连续3 a的数据分析,叶幕期苹果树冠层阳面光照分布平均预测精度为76.11%,阴面平均光照分布预测精度为74.10%,该方法可为苹果树自动化修剪合理性评判提供技术支持。     

龟裂碱土对植被冠层光谱特征及长势预测的影响

为了通过统一土壤背景来量化龟裂碱土对其上覆植被冠层光谱的影响,通过野外原位测定,系统分析了龟裂碱土上覆植被在自然和覆盖条件下5个典型生育期冠层光谱特征、光谱反射率与叶片叶绿素值和叶面积指数（leaf area index,LAI）之间的关系,进而建立了不同条件下2个生理指标的预测模型。结果表明：覆盖条件下向日葵三对叶期冠层光谱反射率较自然条件下在400～520和1 027～1 130 nm平均降低了0.10,在521～1 026 nm平均降低了0.18;其他生育期覆盖条件下冠层光谱反射率较自然条件下在可见光波段下降,在近红外区域增加（其中七对叶期在720～1 050 nm平均增幅为11.29%）。自然条件下三对叶期冠层光谱反射率与叶绿素值和LAI平均相关系数分别为0.68和0.47,开花期、乳熟期光谱反射率与叶绿素值和LAI与三对叶期相关性相似;其他2个生育期冠层光谱反射率自然条件下在可见光波段与2个生理指标平均相关系数分别为-0.27和-0.52,在近红外区域分别为0.53和0.69,覆盖条件下相关系数明显高于自然条件。三对叶期建立的叶片叶绿素值和LAI预测方程决定系数最小,现蕾期最大。除三对叶期外,其他时期对2个生理指标的预测模型的拟合度都较高（RSPAD为0.61～0.88,RLAI为0.72～0.92）,预测能力也较强;引入土壤pH值可以增强模型的稳定性和预测能力。研究结果可为该地区龟裂碱土上覆植被长势估测提供理论依据。     

数学形态学辅助下基于光谱指数的作物冠层组分分类

近地遥感常被用于获取作物冠层组分信息,但在提取叶片反射率时常受到土壤背景、穗和阴影效应的影响。为准确分类并提取作物冠层组分信息,该研究通过分析小麦冠层各组分（光照/阴影叶片、土壤、穗）的光谱及纹理差异,提出了一种光谱指数与数学形态学结合的作物冠层组分分类方法,探讨不同生育时期的最佳冠层组分分类方法,并定量分析不同组分的归一化光谱指数与小麦叶片氮含量的关系。结果表明：光谱指数法能较好地区分小麦抽穗前的不同冠层组分,而抽穗期的分类效果易受麦穗影响;光谱指数与数学形态学结合的分类方法能较好地消除麦穗对光照/阴影叶片提取的干扰（总体分类精度为97.80%,Kappa系数为0.97,运行时间3.87 min）,该方法的分类精度及运行效率均优于传统分类方法（迭代自组织数据分析算法（Iterative Selforganizing Data Analysis Techniques Algorithm, ISODATA）和最大似然估计（Maximum Likelihood Estimation, MLE））;而且,基于光照和阴影叶片的归一化光谱指数对叶片氮含量最敏感。研究结果可为其他作物冠层组分分类和精准农业中农学参数的定量反演提供技术参考。     

荔枝花芽分化期叶片的光谱特征及其养分预测

为实现荔枝营养状况的快速监测,提高荔枝的精细施肥管理水平,服务华南荔枝的高产优质安全生产,研究了广州白云区荔枝花芽分化期冠层高光谱4 种变化形式的特性,结果表明荔枝秋梢冠层叶片光谱具有植物光谱共性。结合试验测得的冠层叶片生化养分数据（全氮、全磷、叶绿素、有机碳）分别与光谱反射率这4种形式作相关性分析。选择最显著相关的波段进行曲线拟合,结果表明：叶绿素、有机碳含量的最佳光谱诊断敏感波段分别是反射率一阶导数的 1 562 nm (r=0.8944)、1 720 nm (r=0.7827),全氮、全磷的最佳光谱诊断敏感波段分别是倒数对数一阶导数的2 059 nm (r=0.8073),1 347 nm (r=0.7575);全氮、叶绿素、有机碳指数函数拟合最优（RMSE分别为0.002730, 0.008138和0.000416）,全磷线性模型最优（RMSE=0.000336）。研究结果对华南精细荔枝果业的实施和果业环境保护都具有一定的指导意义。     

最优权重组合模型和高光谱估算苹果叶片全磷含量

为了估算苹果叶片全磷含量,该文使用2012年和2013年在山东省肥城市潮泉镇下寨村的2个苹果示范园获取的整个生育期苹果叶片全磷含量和对应的叶片光谱数据,建立了预测苹果叶片全磷含量的最优权重组合模型。首先分析了苹果叶片全磷含量和原始光谱的相关关系,确定了以553和722 nm为苹果叶片全磷含量的诊断波段;根据叶片全磷含量与400~2 500 nm范围两两组合的决定系数等值线图,确立了对苹果叶片全磷含量敏感的546和521 nm、553和518 nm组合的归一化差值指数和543和525 nm、1 394和718 nm组合的比值指数;最后以553和722 nm的反射率以及546和521 nm、553和518 nm组合的归一化差值指数和543和525 nm、1 394和718 nm组合的比值指数为自变量,构建了基于苹果叶片全磷含量的最优权重组合模型,实现了对苹果叶片全磷含量的高光谱估算。结果表明,最优权重组合模型无论是建模集还是验证集,其预测能力(R2=0.94)要优于该文中的6种统计方法(平均R2=0.82),研究结果为快速无损诊断苹果叶片的磷素状况提供新的技术途径。     

利用大豆光谱特征判定地下封存CO2泄漏

碳捕捉与储存（carbon capture and storage,CCS）技术可以减少CO2气体排放,从而减缓全球气候变暖。但把CO2液化后进行地质封存具有泄漏的风险,如何大面积、快速、高效地监测CO2泄漏点是一个技术难题。该文通过野外模拟试验,以大豆为试验对象,研究了地下储存的CO2轻微泄漏对地表植被及其遥感特征的影响。大豆在2008年6月4日播种,自7月4日开始CO2气体以1 L/min的速度持续注入土壤中,每天测量土壤中CO2体积分数（土壤中CO2气体占土壤中总气体体积含量的百分比）、每周测量1次大豆叶片的SPAD值、光谱数据。试验结果表明,当土壤中 CO2体积分数小于15%时,对照（CK）与 CO2泄漏胁迫大豆 SPAD值无显著性差异（P＞0.1）,当土壤中CO2体积分数大于等于15%时,CK与CO2泄漏胁迫大豆SPAD值具有极显著性差异（P＜0.001）,随着胁迫进行大豆会早熟、落叶,甚至枯死。利用连续统去除法对大豆的光谱数据进行处理,发现随着土壤中CO2体积分数的增大,在绿光区的光谱反射率逐渐增大,而其他波段则无明显变化规律。根据CO2泄漏胁迫下大豆的光谱变化特征,设计采用面积植被指数Area(510～590 nm)（510～590 nm光谱曲线所包围的面积）识别遭受CO2泄漏胁迫的大豆。结果表明,当土壤中CO2体积分数大于等于15%时,Area(510～590 nm)指数可以较好地识别出遭受胁迫的大豆,且具有较高的可区分性及稳定性,但当土壤中CO2体积分数小于15%时,该指数在整个生育期内无法准确识别出遭受胁迫的大豆。该研究结果对未来地表生态评估、高光谱遥感监测CO2泄漏点具有重要意义与应用价值。     

玉米抽穗期雄穗对冠层反射率辐射传输特征的影响

为分析玉米雄穗对冠层可见光、近红外波段辐射传输特征的影响,运用四维轨道塔吊系统获取连续2 a玉米抽穗期的冠层光谱,并在抽穗初期和末期分别进行了3个梯度的剪穗试验,分析玉米抽穗期冠层二向反射率特征以及雄穗干物质含量特征。结果表明：1）比较抽穗期不同时间冠层反射率的模拟值和实测值得出,在抽穗初期实测值高于模拟值,随着生育期的推进,模拟值逐渐高于实测值。但在可见光波段整个抽穗期实测值均高于模拟值,在近红外波段模拟值总体高于实测值。2）分析不同穗梯度冠层二向反射率特征发现,在可见光波段,太阳主平面和垂直太阳主平面方向上,2个散射方向的无穗反射率值在所有观测角度上均最高,1/2穗次之,全穗最低;近红外波段,在太阳主平面方向,3个穗梯度反射率差异不大,但在垂直太阳主平面方向,后向散射方向反射率值总体高于前向散射方向反射率值,且无穗反射率值依然总体高于1/2穗和全穗;在垂直观测条件下得到相同的结果。3）分析PROSAIL模型模拟值和农学参数相关性,得出模拟值与叶绿素含量、叶面积指数在全波段呈显著负相关,无穗实测值和模拟值分别与叶面积指数和叶绿素含量相关性表现一致。4）在玉米整个抽穗期雄穗鲜质量变化差异较大,而干质量变化差异不大。研究可为修正辐射传输模型、提高模拟精度,使之更好地应用于植被理化参数反演提供科学依据。