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。     

利用近红外光谱测定玉米非淀粉组分中纤维素及半纤维素含量

玉米非淀粉组分是可再生的生物质资源,为实现玉米皮渣中纤维素及半纤维含量的快速检测,该研究以偏最小二乘法(PLS)建立数学模型,探讨一阶导数及二阶导数平滑等预处理对建模的影响,建立玉米皮渣中纤维素及半纤维素近红外分析模型.研究结果表明,纤维素模型的定标集和验证集相关系数为0.9806和0.9799,定标集标准偏差(SEE...     

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。     

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.     

基于高光谱的夏玉米冠层SPAD值监测研究

开展夏玉米冠层SPAD值监测技术研究,建立叶绿素含量与敏感波段、光谱指数间的定量关系模型,以促进高光谱技术在玉米快速、无损长势监测及水肥精准管理的应用。以小型蒸渗仪夏玉米光谱反射率与植株冠层SPAD值的监测为基础,研究了夏玉米植株冠层光谱信息与SPAD值的响应关系,并优选出监测夏玉米冠层SPAD值的敏感波段与最优光谱指数。结果表明:夏玉米冠层光谱反射率在可见光波段随玉米冠层SPAD值增加而下降,在近红外波段却与之相反;采用原始光谱反射率、一阶微分光谱监测夏玉米冠层SPAD值的最敏感波段分别为700,690nm,与SPAD值的相关性分别为-0.498(p<0.05)和-0.538(p<0.01);而根据多元逐步回归分析获得的最优波段组合由405,408,700nm波段构成;从已报道的73个光谱指数中筛选出与夏玉米冠层SPAD值相关性较高的(SDr-SDb)/(SDr+SDb)、MCARI∥OSAVI、TCARI/OSAVI、SDr/SDb和MTCI等5个光谱指数,光谱指数(SDr-SDb)/(SDr+SDb)与SPAD值的相关性在各生育期均达极显著正相关,且在全生育期相关系数高达0.697(p<0.01),进一步优选出监测夏玉米冠层SPAD值最适宜的光谱指数为(SDr-SDb)/(SDr+SDb);在基于敏感波段、光谱指数和最优波段组合建立的夏玉米SPAD值的回归模型中,按照模拟效果由高到低排序依次为最优波段组合、光谱指数、原始光谱反射率、一阶微分光谱,其决定系数分别为0.777,0.539,0.351,0.282;推荐以(SDr-SDb)/(SDr+SDb)指数构建的二次多项式模型与基于405,408,700nm波段组合建立的线性回归监测模型作为夏玉米植株冠层SPAD值光谱监测适宜模型,且R2大于0.539,RMSE及MAE分别小于6.194和4.702。     

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.     

基于冠层光谱的锦橙叶片磷素营养监测研究

以盆栽蓬安100号锦橙施肥调控试验为基础,利用田间冠层光谱信息探索建立植株磷素营养监测技术与方法。通过采集蓬安100号锦橙95个单株样本的冠层光谱信息和室内检测分析叶片磷含量,随机选取76个作为建模样本,19个为检验样本,运用多种光谱预处理方法和偏最小二乘法(Partial least square method,PLS)及内部交叉验证方法建立校正模型与模型检验。结果表明,经多种光谱预处理方法的建模结果比较,冠层原始反射光谱经二阶求导和SNV处理后建立的蓬安100号锦橙叶片磷含量冠层光谱监测模型预测能力和稳健性最佳,其主成分数4个,能表达全波段63%的信息;校正模型相关系数为0.90,偏差Bias=2.45E-10,且RMSEC和RMSEP均最小。模型检验预测的决定系数R2=0.85。因此,利用二阶导数及标准归一化(Standard normal variate transformation,SNV)预处理的田间冠层光谱信息快速无损监测蓬安100号锦橙叶片磷含量具有一定的可行性。     

玉米冠层内外风速变化周期特征的研究

应用Morlet连续小波变换对玉米冠层内外 4个高度风速数据的变化分析结果表明 ,1h平均风速的连续小波变换提供了不同高度风速数据所包含的多种周期分量的清晰图像 ,1d和 18d周期是 4组风速数据包含的主要周期分量。连续小波变换的平均谱显示了风速数据的时间变异性和能量在不同周期分量中的分布     

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。     

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。     

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。     

采用叶片光谱反射率预测寒地水稻稻米蛋白质含量

为实现利用水稻叶片光谱指数实时预测稻米蛋白质含量,该研究采集了不同年份中氮素、品种差异下寒地水稻主要生育期（T1拔节期、T2齐穗期、T3结实期）顶部3片叶（L1、L2、L3）的叶片光谱反射率,探究其变化规律以及光谱指数与稻米蛋白质含量的关系,并用P-k、均方根误差（Root Mean Square Error,RMSE）和对称平均绝对百分比误差（Symmetric Mean Absolute Percentage Error,SMAPE）对模型精度进行验证。结果显示：施氮量多则稻米蛋白质含量高,蛋白质含量高的稻米食味值评分低。提高氮肥投入量,叶片反射率在可见光区域内呈降低趋势,而在近红外平台叶片反射率上升。随着生育期的推进,可见光区域内的叶片反射率逐渐上升,叶片反射率在近红外平台表现出先增加后降低的趋势,其变化规律与蛋白质营养转运有着密切联系。对光谱指标和稻米蛋白质含量进行相关分析,T2时期的L2的光谱指数与蛋白质含量的相关性优于其他时期的叶片,其中T2时期L1叶ARI1指标（(1/R550)-(1/R700)）、L2叶CTR1指标（(R695/R420)）以及T3时期L3 叶Rg指标（绿光范围510～560 nm内的最大波段反射率）显示出与蛋白质含量良好的拟合关系,指标验证的P-k分别为0.01、0.01、0.03,RMSE分别为0.19、0.11、0.14,SMAPE分别为1.56%、1.24%、1.44%,其中以T2时期L2叶CTR1指标表现最优,蛋白质含量拟合方程R2为0.75。综上,借助CTR1指标能够实现快捷、无损和实时预测稻米蛋白质含量的目的,达到按质收获以及品质实时监测的要求,促进优质寒地水稻的可持续发展。     

长期定位施肥条件下作物光谱特征及养分吸收量预测

为了明确不同施肥条件下典型生育期冬小麦和夏玉米冠层光谱特征差异,该研究以长期定位施肥试验为研究对象,在确定典型生育期作物冠层光谱反射率与收获期作物地上部分主要养分吸收量相关性的基础上,建立收获期作物主要养分吸收量预测模型。结果表明,可见光波段相似生育期夏玉米冠层光谱反射率与冬小麦相近,但在近红外区域平均高于冬小麦8.42%。生育中期2种作物秸秆、籽粒及地上部分氮(N)、磷(P)、钾(K)吸收量与冠层光谱反射率在可见光波段普遍呈极显著负相关关系,在近红外波段呈极显著正相关关系。全生育期夏玉米冠层光谱反射率与作物吸氮量的相关系数在可见光波段基本持平,但在近红外波段平均高于冬小麦0.4152。全生育期夏玉米冠层反射率与地上部分吸磷量的相关系数在可见光波段和近红外区域较冬小麦平均分别低0.3621和0.2072。全生育期夏玉米冠层光谱反射率与地上部分吸钾量相关系数在可见光波段平均低于冬小麦0.1270,在近红外波段高于冬小麦0.0341。除夏玉米吸磷量外,基于冬小麦和夏玉米典型生育期冠层光谱反射率建立的模型均可准确预测收获期作物主要养分吸收量,且对冬小麦养分吸收量的预测精度略高于夏玉米,该结论可以为黄淮海地区冬小麦和夏玉米的长势监测和肥料管理提供科学依据。     

不同品种玉米氮含量与叶片光谱反射率及SPAD值的相关性

为明确不同玉米品种SPAD值及光谱反射率进行氮素营养诊断的可行性,以华北地区的6个主要玉米杂交品种中单909、隆平206、郑单958、金赛06-9、农华101与登海605为材料,设置0.04、0.4、2.0和4.0 mmol/L 4个氮水平的砂培试验,研究了玉米拔节期氮含量、叶片光谱反射率及SPAD值的处理间差异,及其不同氮水平下玉米氮含量与叶片550 nm处的光谱反射率及SPAD值的相关性。结果表明:来源于氮水平的变异远高于品种及二者交互作用引起的变异,植株氮含量与叶片550 nm处的光谱反射率呈显著负相关关系(R=-0.808 8),氮含量与SPAD值存在极显著的正相关性(R=0.895 6)。因此,通过SPAD值及光谱反射率对华北地区玉米杂交种进行氮素营养诊断是可行的,且用SPAD值来诊断氮素营养状况要比光谱反射率的精确度高。     

斑潜蝇虫害叶片受害程度对其近红外反射光谱的影响

为探索实现作物虫害自动监测的方法，采用图像处理和光谱分析技术，测定了斑潜蝇虫害叶片的近红外反射光谱，计算了虫害叶片的破损率，对其破损率和干鲜比与近红外分光反射率的关系分别进行了回归分析。结果表明：在某些波段，叶片的破损率和干鲜比均与近红外分光反射率有较好的相关性。叶片的干鲜比与近红外分光反射率关系的决定系数：黄瓜为R²=0.79(在1452 nm)，番茄为R²=0.70(在1450 nm)。叶片的破损率与近红外分光反射率关系的决定系数，黄瓜为R²>0.81(在1436～1468 nm)，番茄为R²>0.69(在1436～1466 nm)。试验和分析结果证明斑潜蝇虫害叶片的虫害程度能很好地被近红外光谱信息反映。     

玉米叶片SPAD值、全氮及硝态氮含量的品种间变异

研究比较两种土壤肥力条件下,4个春玉米品种在喇叭口期至成熟期间叶片SPAD值、全氮及硝态氮含量的变异程度、及其与氮素积累和产量形成的关系,以期为不同品种植株的氮素营养测试指标的优化提供依据。结果表明,叶片SPAD值与产量、吸氮量及生物量呈显著相关,该值主要受氮肥水平影响,并因土壤肥力而变异。从喇叭口期至灌浆期间平均变异幅度为17.7%,但品种间变异很小,平均仅为4.3%。说明利用SPAD值诊断玉米氮素营养时,其诊断指标不需要因品种而调整,但需要因不同肥力而调整。在新立城低肥力条件下,喇叭口期(V12)和抽雄期(VT)的SPAD临界值指标分别为46.1和57.8;在德惠高肥力条件下,两个时期的SPAD值临界值较为接近,分别为59.9和60.3。植株叶片硝态氮含量在土壤肥力间及品种间变异均较大,变异幅度分别为43.1%和29.3%,且与产量、吸氮量及生物量的相关性均较差,不适于在大面积范围内单独作为玉米氮素营养状况的评价指标。     

基于深度学习的玉米拔节期冠层识别

为了满足田间玉米植株快速识别与检测的需求,针对玉米拔节期提出了基于深度学习的冠层识别方法,比较并选取了适于玉米植株精准识别和定位的网络模型,并研制了玉米植株快速识别和定位检测装置。首先拍摄玉米苗期和拔节期图像共计3 000张用于训练深度学习模型,针对拔节期玉米叶片交叉严重的问题,提出了以玉米株心取代玉米整株对象的标记策略。其次在Google Colab云平台训练SSDLite-MobileDet网络模型。为了实现田间快速检测,开发了基于树莓派4B+Coral USB的玉米冠层快速检测装置。结果表明,田间玉米冠层识别模型精度达到91%,检测视频的帧率达到89帧/s以上。研究成果可为田间玉米高精度诊断和精细化作业管理奠定基础。