基于高光谱的不同生育期玉米花青素含量估测

花青素(Anthocyanin)是玉米体内的重要色素,对花青素含量的便捷、无损估测对监测玉米长势具有重要意义。利用关中地区拔节期、大喇叭口期、抽雄期以及乳熟期玉米冠层叶片Anth值及高光谱数据建立多个单因素模型和多因素模型。结果表明,不同生育期玉米叶片原始光谱特征总体一致、局部不同。变换光谱的特征波段与Anth值相关性优于原始光谱,其中一阶导数光谱特征波段最优。连续投影算法(SPA)降维能力较好,筛选出的建模参数在2～27个。最优单因素模型与多元性线性回归模型精度均为抽雄期最优,拔节期和大喇叭口期次之,乳熟期最差。所有模型中,抽雄期基于一阶导数光谱的麻雀搜索算法-极限学习机回归(SSA-ELMR)模型精度最佳,该模型建模与验证R²分别为0.847、0.895,相应nRMSE为6.44%和7.21%。本研究结果表明抽雄期是玉米叶片花青素含量反演的最佳时期,极限学习机能进一步提升传统模型精度。     

不同氮营养水平与夏玉米光谱特性关系初报

【目的】揭示关中地区夏玉米叶面光谱特性与施氮量间的相关性,探索不同施氮水平下夏玉米叶片含氮量与叶绿素等生化指标及其光谱反射率特征。【方法】在田间设置不同施氮水平(纯氮施用量分为0,120和240kg/hm2)的试验小区,分别于喇叭期、抽穗期、吐丝期和乳熟期,采用FieldSpec光谱仪于室内标准光源下测定夏玉米叶片的光谱反射率,采用H2SO4-H2O2消煮,连续流动注射分析仪测定叶片氮含量,采用叶绿素仪测定穗位叶片的叶绿素含量,并对所得数据进行相关性分析。【结果】夏玉米叶片含氮量与叶绿素含量之间呈显著相关性,作物施氮水平对叶片的叶绿素含量及含氮量有直接影响;不同施氮水平下夏玉米叶面的反射波谱曲线趋势大致相同,均明显在绿波段(550 nm左右)有1个反射峰,在近红外波段(760~1 070 nm)有1个较高的反射率平台,在近红外波段(760~1 070 nm)处的反射率随氮肥用量的增加而提高,在可见光波段(400~760 nm)处的反射率则正好相反;在可见光波段,不同生长期玉米的叶面光谱反射率表现为乳熟期>抽雄期>喇叭口期>吐丝期,而在近红外波段其光谱反射率表现为乳熟期>喇叭口期>抽雄期>吐丝期;在可见光(400~760 nm)波段处,夏玉米不同生育期叶片的反射率与叶片含氮量及叶绿素含量呈负相关,而在近红外(760~1070 nm)波段处,除抽雄期外,其余生育期叶片的反射率与叶片含氮量及叶绿素含量均呈正相关,且相关性较为显著;高光谱遥感监测显示,关中地区夏玉米氮素营养水平的敏感时期分别是喇叭口期、吐丝期及乳熟期,敏感波段为可见光波段的500~720 nm和近红外区的760~1 070 nm。【结论】夏玉米的氮营养水平与叶面光谱反射率存在显著的相关性,利用高光谱遥感数据监测关中地区夏玉米的营养状况是可行的。     

不同氮处理春玉米叶片光谱反射率与叶片全氮和叶绿素含量的相关研究

 采用盆栽试验研究了不同氮营养水平下的春玉米叶片叶绿素和全氮含量与叶片光谱反射率的相关性。结果表明，拔节期和喇叭口期是玉米氮素光谱营养诊断的敏感时期；利用绿峰处叶片最大光谱反射率反演玉米叶片氮素含量和叶绿素含量的精度为：喇叭口期＞拔节期＞开花吐丝期；不同生育时期诊断玉米叶片氮素含量和叶绿素含量时所采用的光谱波段也不同，拔节期和喇叭口期采用可见光波段的光谱反射率可靠性较高，而开花吐丝期采用近红外波段的光谱反射率可靠性较高；两波段组合光谱变量对叶片叶绿素和全氮含量的判别精度高于单一波段的判别精度。     

基于高光谱植被指数的西北玉米不同时期叶绿素含量估测

以陕西省扶风县马席村、巨良农场和杨凌区揉谷乡种植的大田玉米为试验材料,分别测定玉米抽雄期、灌浆期和乳熟期的冠层光谱反射率和叶片叶绿素含量,分析冠层各光谱植被指数与叶片叶绿素含量之间的相关关系,建立玉米叶绿素含量估测模型。结果表明,以单变量光谱植被指数估算叶绿素含量,抽雄期的最佳模型由修正叶绿素吸收反射率指数(Modified chlorophyll absorption reflectivity index,MCARI)建立,灌浆期最佳模型由垂直植被指数(Perpendicular vegetation index,PVI)建立,乳熟期最佳模型由植被衰老反射率指数(Plant senescence reflectance index,PSRI)建立。随着玉米生长期的推进,叶片衰老,用PSRI所建立的模型来监测玉米叶绿素含量的效果较好,可为高光谱遥感在玉米长势监测提供理论依据和技术支持。     

基于优化光谱指数的夏玉米地上生物量估算

以夏玉米为研究对象，首先获取拔节期、大喇叭口期、抽雄期和灌浆期4个关键生育期的地面高光谱数据，并实测各生育期的地上生物量(AGB);其次基于任意波段组合的波段优化算法，分别构造6种不同波段组合形式的两波段和三波段光谱指数；然后将构造的12种光谱指数与地面实测的AGB进行相关性分析，从中筛选出相关性最好的光谱指数作为最优光谱指数构建夏玉米全生育期的AGB估算模型；最后对最优光谱指数估算夏玉米各关键生育期AGB的性能进行系统评价。结果表明：基于波段优化算法筛选的最优三波段光谱指数TBI6(760,925,895)与夏玉米各生育期和全生育期的AGB均具有良好的相关性，其构建的AGB估算模型具有较高的精度，可为夏玉米全生育期AGB的快速无损估算及AGB监测装置的集成与开发提供参考。     

不同施氮水平对晋单84不同叶位叶片含氮量及产量的影响

由于不同叶位叶片含氮量存在较大差异,确定各生育期最能代表植株氮营养状况的叶位,是利用叶片反射光谱进行玉米氮营养状况精确诊断的前提。采用不同施氮处理对晋单84在拔节期、大喇叭口期、抽雄期不同叶位叶片含氮量、植株含氮量、籽粒产量及其相关性进行研究。结果表明,拔节期以第6叶位(最上部完全展开叶)以及大喇叭口期、抽雄期以第12叶位(穗位叶)叶片含氮量与植株含氮量的相关性最好,这3个叶位分别作为3个生育期的植株含氮营养指示叶位。随着施氮水平的提高,各生育期相同叶位叶片含氮量也相应增加,而且氮营养指示叶位叶片的含氮量受增施氮肥的影响较低叶位更大,增施氮肥能够增大指示叶位与其他叶位叶片的含氮量差异,即叶位差距越大,含氮量差异越大。     

基于光谱分析的玉米追肥关键期叶片氮含量检测方法

在玉米追氮关键期对其氮含量进行准确检测,是玉米减量施肥的重要举措。传统的全波段光谱分析法数据量大,氮含量检测数学模型建立困难。选取能够反映玉米叶片氮含量水平的特征波长,能够极大减小建模难度。针对玉米生长对氮含量特征波长变化影响,提出玉米追肥关键期叶片氮含量检测方法。将标准归一化、卷积平滑处理算法与连续投影算法相结合,提取了玉米拔节期、大喇叭口期及抽雄期3个追氮关键期的叶片氮含量光谱特征波长,为玉米追氮光谱检测模型建立提供了依据,并通过多元线性回归建立玉米叶片氮含量光谱模型,极大降低了算法复杂度。通过对比分析表明,采用本文提取的方法得到的特征波长,具有准确性强,均方根误差小,运算复杂度低的优势。     

基于变换光谱与光谱指数的夏玉米叶片含水率高光谱估算

为实现陕西关中地区夏玉米叶片含水率遥感估算,本研究通过夏玉米叶片高光谱反射率和含水率的测定,利用原始光谱及转换光谱,构建任意两波段的光谱指数,分析光谱指数与叶片含水率之间的关系,构建玉米叶片含水率估算的单因素回归模型和基于支持向量回归算法(SVR)、反向传播神经网络回归算法(BPNN)和麻雀搜索随机森林回归算法(SSA-RFR)的多因素模型,并根据模型精度筛选玉米叶片含水率估算的优化模型。结果表明,随叶片含水率的增加,短波红外波段的光谱反射率降低,最优光谱指数的构成波段主要位于短波红外波段,其中基于一阶导数光谱的比值光谱指数(R_{1 563}/R_{1 406})和归一化光谱指数[(R_{1 563}-R_{1 406})/(R_{1 563}+R_{1 406})]与叶片含水率相关性最佳,其相关系数绝对值均达0.83;多因素回归模型的模拟效果优于单因素回归模型,基于麻雀搜索随机森林回归模型的精度最高,验证集决定系数(R²)为0.78,均方根误差(RMSE)和相对误差...     

猕猴桃叶片叶绿素含量高光谱估算模型研究

【目的】研究猕猴桃叶片叶绿素含量的高光谱估算方法,为猕猴桃长势的遥感监测提供理论依据。【方法】以陕西杨凌蒋家寨村2018年不同生育期(初花期、幼果期、膨果期、壮果期、果实成熟期)的猕猴桃叶片为研究对象,分别测定其高光谱反射率和叶绿素含量(SPAD值),分析原始光谱和5个常见的植被指数(归一化植被指数、归一化叶绿素指数、改进的叶绿素吸收反射率指数、MERIS地面叶绿素指数、土壤调整指数)与叶绿素含量之间的相关关系,提取各生育期的特征波段,分别建立基于特征波段和植被指数的单波段叶绿素含量一元线性估算模型。利用主成分分析对原始光谱数据进行降维,将得到的主成分得分作为随机森林模型的输入变量,建立基于多波段信息的叶绿素含量多元估算模型,并对模型进行精度验证和分析。【结果】不同生育期猕猴桃叶片光谱反射率变化趋势基本一致,整体趋势为可见光波段反射率低,近红外波段反射率高;在可见光波段,光谱反射率随着叶绿素含量的升高而降低;在近红外波段,光谱反射率则随着叶绿素含量的增加而升高。通过相关性分析可知,初花期、幼果期、膨果期、壮果期、果实成熟期原始光谱的特征波段分别为729,548,707,707和712 nm,估算模型决定系数(R~2)分别为0.18,0.85,0.54,0.85和0.82,其中初花期估算模型未通过显著性检验,其余生育期均通过极显著性检验。在5个常用植被指数中,初花期与叶绿素含量相关性最高的是归一化叶绿素指数(NPCI),但是估算模型决定系数R~2只有0.1,未通过显著性检验;其他生育期与叶绿素含量相关性最高的是MERIS地面叶绿素指数(MTCI),所建立的估算模型拟合效果好,预测精度高。基于主成分分析和随机森林回归建立的不同生育期猕猴桃叶片叶绿素含量估算模型的R~2在0.91～0.98,均通过极显著性检验,其拟合效果和预测精度远高于单波段一元线性回归和基于植被指数的一元线性回归模型,是估算猕猴桃叶片叶绿素含量的最优模型。【结论】基于主成分分析的随机森林模型包含了更完整的波段信息,对不同生育期猕猴桃叶片叶绿素含量具有较好的预测能力。     

库尔勒香梨不同生育期叶片氮素光谱诊断研究

利用光谱仪(SVC HR-768)对树龄22年的库尔勒香梨叶片进行光谱反射率测定,采集并分析叶片全氮含量。采用逐步回归法分析库尔勒香梨叶片全氮含量与叶片原始光谱反射率、一阶微分光谱反射率的相关性,并建立叶片全氮含量估测模型。结果表明:不同生育期库尔勒香梨叶片光谱的敏感波段和敏感波长均有差异,依据敏感波长建立库尔勒香梨叶片全氮含量估测模型,并对其进行检验。确定基于光谱一阶微分模型Y=50.535X703-40.586可作为坐果期库尔勒香梨叶片全氮含量的最佳估测模型;基于原始光谱模型Y=0.856X769-29.233可作为膨大期库尔勒香梨叶片全氮含量的最佳估测模型;基于原始光谱模型Y=0.728X761-14.142可作为成熟期库尔勒香梨叶片全氮含量的最佳估测模型。不同生育期库尔勒香梨叶片全氮含量估测模型进行比较,坐果期估测模型的拟合效果更好,预测精度更高。     

基于随机森林算法的冬小麦叶面积指数遥感反演研究

【目的】通过利用随机森林算法（random forest,RF）反演冬小麦叶面积指数（leaf area index, LAI）,及时、准确地监测冬小麦长势状况,为作物田间管理和产量估测等提供科学依据。【方法】本研究依据冬小麦拔节期、挑旗期、开花期及灌浆期地面观测数据,将相关系数分析（correlation coefficient,r）和袋外数据（out-of-bag data,OOB）重要性分析与随机森林算法（random forest,RF）相结合,在优选光谱指数和确定最佳自变量个数的基础上,构建了两种冬小麦LAI反演模型|r|-RF和OOB-RF,并利用独立数据集对两种模型进行验证;然后,将所建LAI反演模型用于无人机高光谱影像,进一步检验所建模型对无人机低空遥感平台的适用性和可靠性。【结果】|r|-RF和OOB-RF反演模型分别采用相关性前5强、重要性前2强的光谱指数作为输入因子时精度最优,验证决定系数（R²）分别为0.805、0.899,均方根误差（RMSE）分别为0.431、0.307,表明这两个模型均能对作物LAI进行精确反演,其中OOB-RF模型的反演效果更好。利用无人机高光谱影像数据结合OOB-RF估算模型反演得到冬小麦LAI与地面实测值的拟合方程的决定系数R²为0.761,RMSE为0.320,数值范围（1.02-6.41）与地面实测（1.29-6.81）亦比较吻合。【结论】本文基于地面数据构建的OOB-RF模型不仅具有较高的反演精度,而且适用性强,可用于无人机高光谱遥感平台提取高精度的冬小麦LAI信息。     

基于高光谱的油菜叶面积指数估计

以冬油菜为研究对象,2014-2015年度设计了不同施氮水平直播油菜小区试验,在不同生育时期测量冠层光谱、土壤背景光谱以及叶面积指数(leaf area index,LAI),通过相关分析选取了12个光谱特征参数和11个植被指数,建立6叶期至角果期LAI的5种线性和非线性定量反演模型。结果表明:二次多项式反演模型比较适合估算油菜LAI苗期时以红边参数为代表的光谱特征参数,可准确估算出LAI;6叶期时红边幅值预测模型R~2为0.81,RMSEP为0.39,RPD为1.62;8叶期时红蓝边面积比归一化预测模型R~2为0.79,RMSEP为0.60,RPD为2.30;10叶期时红边幅值预测模型R~2为0.92,RMSEP为0.47,RPD为2.36;盛花期时蓝边面积预测模型R~2为0.87,RMSEP为0.34,RPD为2.57;角果期时以RDVI为代表的植被指数也可准确估算出LAI,预测模型R~2为0.74,RMSEP为0.57,RPD为1.36。油菜全生育期采用相同光谱特征参数、植被指数建模估计LAI精度明显降低,预测R~2远小于0.75,RMSEP大于0.65,RPD值均小于1.40,表明难以采用统一参数建模准确估计油菜全生育期LAI,不同生长时期需选择合适的光谱参数、植被指数分段建模估计LAI。     

不同发育阶段干旱胁迫对玉米株高、果穗性状及产量的影响

摘要：为研究同一品种不同发育阶段干旱胁迫对玉米植株高度、果穗性状以及产量的影响程度,设置全生育期供水充足、大田自然干旱、拔节期控水、抽雄期控水、拔节期控水-复水、抽雄期控水-复水6种处理的对比试验,用对比分析的方法比较不同处理下玉米的株高、果穗性状以及产量之间的差异。结果表明：干旱胁迫使玉米植株矮小,果穗长减小7.88%~54.55%,果穗粗减小14.58%~52.08%,秃尖长度增大66.67%~258.33%,百粒重减小0.99%~41.36%,单株产量减少15.03%~94.41%,最终导致减产23.57%~90.03%。不同发育阶段干旱胁迫对产量的影响差异显著,全生育期干旱最为严重,几乎无产量,拔节期次之,抽雄期干旱胁迫影响最小,复水后由于部分补偿了前期干旱胁迫所减少的生物量,果穗性状、百粒重均有好转,减产幅度减轻。     

基于高光谱技术的覆膜旱作水稻植株氮含量及籽粒产量估算

为建立利用光谱技术快速诊断覆膜旱作水稻植株氮营养和产量的估算模型,应用高光谱技术分析了长江中下游覆膜旱作区水稻拔节期和抽穗期内5种不同施氮水平(0、60、120、180和240kg/hm~2(N))下植株冠层光谱特征及其与植株氮素含量和产量的关系,并分别构建了植株含氮量和产量的估算模型。结果表明:拔节期和抽穗期内不同供氮水平下冠层光谱的变化规律基本一致,均随着供氮水平的增加,反射率在可见光区降低、在近红外区增大。覆膜旱作水稻植株氮含量与552和890nm 2个敏感波段构成的比值(RVI)和绿色归一化植被指数(GNDVI)的关系最佳。构建的水稻关键生育期植株全氮含量及水稻产量的估算模型预测效果均较好,其中植株全氮含量拟合方程的决定系数为0.730~0.808,采用拔节期的RVI对覆膜旱作水稻进行估产的决定系数达到0.724。本研究构建的模型可以用来估计该地区覆膜旱作水稻的氮素营养状况和作物产量。     

东北水稻叶片SPAD遥感光谱估算模型

为通过构建高精度SPAD遥感估算模型,实现对水稻叶片叶绿素含量进行实时无损的监测,以东北地区多时期不同施氮水平下水稻叶片光谱反射率为研究对象,采用回归模型与BP神经网络算法构建不同输入量的SPAD高光谱估算模型,通过模型精度评价指标决定系数R~2、均方根误差RMSE,确定最优输入量和最优模型。结果表明:1)不同品种水稻成熟时期不同导致在孕穗期和抽穗期之间光谱反射率出现差异;2)回归模型中以DVI(D755,D930)为变量建立多项式模型估算精度最高;3)与回归模型相比,不同波长处单波段反射率作为输入量的BP神经网络模型估算精度显著提高,R~2为0.98。BP神经网络模型在隐藏节点数为7时估算精度达到稳定,在可见光和近红外处经过不同波段反射率作为输入量的尝试说明神经网络模型较为稳定,可以用来反演叶绿素相对含量。     

江淮中部夏玉米品种产量性状及光能利用率差异研究

以19个夏玉米品种为试验材料,通过田间小区试验对各品种产量、光能利用率及抗倒性进行比较分析,研究适宜江淮中部的夏玉米品种类型。结果表明:(1)供试玉米在苗期、抽雄期的生长期相差4 d,到拔节期、灌浆期扩至7 d,而全生育期则相差8 d。(2)穗长、穗粒数和穗粗与产量呈显著正相关,秃尖长、株高和百粒重则与产量相关性不显著,其中秋乐368等4品种产量显著高于其他品种。(3)夏玉米在各生育阶段的光能利用率呈单峰趋势,最大光能利用率出现在拔节期,且拔节期、抽雄期、全生育期光能利用率与籽粒光能利用率呈极显著正相关。(4)拔节期出现中度倒伏,3 d后得到恢复,而抽雄吐丝期遭受重度倒伏后难以恢复;新单88等5个品种抗倒伏能力强。(5)综合产量、光能利用率和抗倒伏等因素,适宜江淮中部的夏玉米产量目标可达9 000 kg·hm-2的水平、籽粒光能利用率为1.2%、且在全生育中期抗倒伏能力强,19个品种中的较为适宜品种为秋乐368和裕丰303。     

基于高光谱遥感的冬小麦叶水势估算模型

【目的】采用高光谱技术,建立快速、无损与准确获取冬小麦叶水势的估算模型,为小麦灌溉的精确管理提供科学依据。【方法】利用不同水分处理的大田试验,于小麦主要生育期同步测定冠层光谱反射率、叶水势、土壤水分等信息,并探讨高光谱植被指数与冬小麦叶水势之间的定量关系。通过相关性分析、回归分析等方法,基于不同水分处理,构建4种植被指数与冬小麦叶水势的估算模型。【结果】不同水分处理和不同生育期的冬小麦,其冠层光谱反射率具有显著的变化特征。在可见光波段,冬小麦冠层反射率随着水分含量的增加而逐渐降低,而在近红外波段,其冠层反射率则随着土壤水分含量的增加而升高。随着小麦生育期的推进,在近红外波段,抽穗期的冠层反射率比拔节期的高,在灌浆期之后,红波段(670 nm)、蓝波段(450 nm)的反射率上升加快;4种植被指数与叶水势显著相关(P0.05),相关系数|r|均在0.711以上,四者均可用于冬小麦叶片水势的定量监测。在充分供水条件下(70%FC),植被指数OSAVI和EVI2与叶水势的相关系数|r|(分别为0.75和0.771)均低于植被指数NDVI和RVI与叶水势的相关系数|r|(分别为0.808和0.896),而在重度水分亏缺条件下(50%FC),植被指数OSAVI和EVI2与叶水势的相关系数|r|(分别为0.857和0.853)均高于植被指数NDVI和RVI与叶水势的相关系数|r|(分别为0.711和0.792);所建模型对45个未知样的预测结果与实测值相似度较高,其回归模型R~2、验证模型MRE、RMSE的范围分别为0.616—0.922、-17.50%—-12.52%、0.102—0.133。在70%FC水分处理下,基于EVI2(enhanced vegetation index)所得叶水势估算模型的R~2最高,为0.922,而在60%FC和50%FC水分处理下,由于考虑了土壤背景的影响,基于OSAVI所建模型的R~2最高,分别为0.922和0.856。【结论】4种植被指数均可用于冬小麦叶水势的定量监测。但是,在构建不同水分处理的叶水势估算模型时,应考虑土壤背景对冠层光谱的影响。研究结果可以为小麦精准灌溉管理提供技术依据,为星载数据的参数反演提供模型支持。     

调亏灌溉下春玉米水氮耦合效应试验研究

为探讨寒地黑土区节水型高产玉米生产技术,以玉米品种九龙12为试验材料,采用正交试验方法,通过春玉米筒测试验,在3种施氮水平条件下,研究了苗期、拔节期、抽雄期3个水分亏缺水平对玉米生长发育指标和产量影响的耦合效应。结果表明:在不同调亏时期,植株经复水灌溉后有不同程度的补偿性生长。施氮量决定不同调亏时期的水分亏缺程度,苗期供应水分过高、氮肥过大会减少植株茎粗;拔节期水分亏缺时,植株茎粗受施氮量的影响较大,水分亏缺程度越重,氮肥施用量就应随之增高。当目标产量大于13 500kg·hm-2时,在95%的置信区间,苗期、拔节期和抽雄期的水分亏缺阈值分别为田间持水量的48%~66%、72%~84%和66%~81%,施纯氮肥160kg·hm-2。     

黄土坡耕地玉米作物的防蚀作用研究

【目的】研究10°坡耕地上玉米的防蚀作用,为评价农作物的水土保持功能提供参考。【方法】采用人工模拟降雨的方法,以裸地为对照,分析了10°坡耕地上不同生育期（幼苗期、拔节初期、拔节中期、抽雄前期和抽雄后期）玉米完整植株及其根系对坡面产流产沙量和过程的影响。【结果】在幼苗期、拔节初期、拔节中期、抽雄前期和抽雄后期,整株玉米和仅保留根系玉米的径流模数和侵蚀模数均呈逐渐降低的趋势;在玉米的同一生育阶段,径流模数和侵蚀模数均表现为裸地最高,只保留根系玉米次之,整株玉米最小。在产流产沙过程中,与裸地相比,整株玉米和只保留根系玉米均可有效地延迟产流产沙时刻、峰值出现的时刻以及平和产流和产沙过程,但只保留根系玉米平和产流产沙过程的作用较弱。【结论】只保留根系玉米与整株玉米的防蚀作用相似,都可有效地减少土壤侵蚀,但其对产流产沙过程的调控作用相对较弱。