小麥冠層和單葉氮素營養(yǎng)指標的高光譜監(jiān)測研究.pdf

1、定量監(jiān)測植物氮素狀況已成為國內外植被遙感的一個重要研究領域。利用快速、無損、準確的方法來估測作物氮素營養(yǎng)狀況是精確農業(yè)發(fā)展的關鍵技術之一。本研究的目的是以小麥為對象，基于不同年份、不同氮素水平和不同品種類型的田間試驗，在冠層和單葉兩個尺度上，運用精細光譜分析法，挖掘高光譜海量信息，探索指示小麥氮素營養(yǎng)狀況的核心波段和敏感參數，建立準確而適用的小麥冠層和單葉氮素營養(yǎng)指標監(jiān)測模型，從而為便攜式作物氮素營養(yǎng)監(jiān)測儀的研制開發(fā)及空間遙感信息的解析

2、利用提供核心波段選擇，為小麥氮素營養(yǎng)的實時監(jiān)測和精確診斷提供有效技術支撐。
　　 首先在明確小麥冠層葉片氮素狀況隨施氮水平和生育進程動態(tài)變化的基礎上，利用減量精細采樣法，系統(tǒng)分析了350-2500nm范圍內任意兩波段的原始光譜反射率及其一階導數組成的歸一化光譜指數(NDSI)、比值光譜指數(RSI)、土壤調節(jié)光譜指數(SASI)與冠層葉片氮素營養(yǎng)狀況的定量關系，進而構建了基于核心波段和敏感參數的小麥冠層氮素營養(yǎng)監(jiān)測方程。結果顯示

3、，對小麥氮素營養(yǎng)反應敏感的反射光譜主要位于可見光區(qū)和近紅外區(qū)，利用NDSI(R1350, R700)、NDSI(FD690, FD700)、RSI(FD691， FD711)估算小麥冠層葉片氮含量準確性較高；基于NDSI(R860， R720)、NDSI(FD736, FD526)、RSI(R990， R720)預測小麥冠層葉片氮積累量穩(wěn)定性較強。進一步分析了SASI中參數L的最佳取值，發(fā)現當L的取值為0.09和0.3時，SASI(R1

4、350, R700)和SASI(R860， R720)的表現最好。比較而言，冠層氮積累量監(jiān)測模型的表現好于氮含量監(jiān)測模型。
　　 基于小麥冠層氮素營養(yǎng)最佳光譜指數，進一步分析了核心波段的光譜分辨率變化對光譜指數及氮素估測精度的影響。結果顯示，光譜分辨率對不同光譜指數(NDSI和RSI)的影響有所差異。NDSI(R1350， R700)的核心波段1350nm＜20nm帶寬，700nm＜60nm帶寬，其值較穩(wěn)定；而NDSI(R860

5、， R720)的核心波段860nm＜96nm帶寬，720nm＜26nm帶寬，其值較穩(wěn)定。隨帶寬的變化，RSI(R697， R1155)在697nm方向緩慢降低，在1155nm方向逐漸升高；RSI(R990, R720)在990nm方向的60nm帶寬內變化速率較大，在720nm方向的變化速率較小。同時發(fā)現基于不同光譜分辨率的光譜指數對氮素營養(yǎng)指標的估測精度和穩(wěn)定性也表現不同。當NDSI(R1350, R700)中的兩波段的帶寬分別小于74

6、nm和46nm時，表現相對比較穩(wěn)定可靠；NDSI(R860， R720)中的兩波段的帶寬分別小于96nm和26nm時表現均較佳。而RSI(R697， R1155)中兩波段的帶寬分別小于4nm和6nm時表現效果較好；RSI(R990， R720)中兩波段的帶寬分別小于14nm和14nm時表現均優(yōu)秀。
　　 通過分析不同類型紅邊參數與小麥冠層葉片氮素營養(yǎng)狀況的定量關系及統(tǒng)計特征，比較了不同類型紅邊參數（紅邊位置、紅邊斜率和紅邊面積及

7、其他紅邊衍生參數）預測冠層葉片氮素營養(yǎng)指標的準確性和可靠性，進而確定了監(jiān)測小麥冠層氮素營養(yǎng)指標的最佳紅邊參數及預測方程。結果表明，小麥冠層紅邊一階導數光譜具有“雙峰”或“多峰”現象，紅邊位置位于690-730nm之間。隨施氮水平的提高，紅邊向長波方向移動，紅邊斜率增高，紅邊面積增大；隨生育期的推移，紅邊先向長波方向移動（紅移），后向短波方向移動（藍移），紅邊位置、紅邊斜率和紅邊面積均先逐漸增大，至孕穩(wěn)期后逐漸減小；不同品種間表現基本一致

8、。在幾類紅邊參數中，基于線性外推法獲得的紅邊位置和紅邊最小值可以穩(wěn)定地指示小麥冠層葉片氮素含量；基于線性外推法獲得的紅邊位置和基于倒高斯模型的左右峰面積差能夠可靠地監(jiān)測小麥葉片氮積累量；且小麥冠層葉片氮積累量監(jiān)測模型的表現好于氮含量模型。
　　 對基于ASD的高光譜反射率數據進行重采樣，系統(tǒng)模擬了不同衛(wèi)星通道原始光譜反射率及其光譜指數與小麥冠層葉片氮素營養(yǎng)狀況的定量關系，比較了多種星載傳感器在小麥冠層葉片氮素營養(yǎng)估測中的敏感性和

9、穩(wěn)定性。發(fā)現可以利用NDVI(MSS7，MSS5)、 NDVI(RBV3， RBV2)、 TM4、 CH2、 MODIS1和MODIS2的遙感數據來預估小麥冠層葉片氮含量；應用NDVI(PB4, PB2)、NDVI(CH2， CH1)、NDVI(MSS7, MSS5)、RVI(MSS7， MSS5)、MODIS1和MODIS2預測小麥冠層葉片氮積累量。比較而言，NDVI(MSS7， MSS5)和NDVI(PB4, PB2)分別為預測小麥

10、冠層葉片氮含量和氮積累量的適宜星載通道植被指數，指出MSS7、MSS5、LANDSAT和IRS-P6的衛(wèi)星遙感影像數據在作物氮素監(jiān)測中具有廣泛應用前景。
　　 在闡明不同試驗條件下不同生育時期小麥單葉光譜反射率和氮含量變化模式的基礎上，分析確立了基于小麥單葉高光譜參數（新建的植被指數、紅邊參數及已報導的光譜參數）監(jiān)測冠層葉片氮含量的可行性。結果表明，頂二葉和頂三葉對冠層葉片氮素的預測能力較強.利用頂一葉的NDSI(R429, R

11、477)、RSI(R429, R498)，頂二葉的NDSI(R610， R480)、RSI(R610, R480)，頂三葉的NDSI(R1821, R571)、RSI(R1821, R571)和頂四葉的NDSI(R654, R663)、RSI(R663, R654)來預測冠層葉片氮含量時表現較好?；趩稳~紅邊參數預測冠層葉片氮含量時，紅邊最小值、基于倒高斯的紅邊位置、紅邊對稱度、紅谷對應波長分別為頂一、頂二、頂三和頂四葉上表現較好的參數

12、。采用已報道的光譜指數預測時，發(fā)現項一、頂二、頂三和頂四葉PRIa、RSI(R560, R450)、FD723、FD612可以有效預測冠層葉片的氮含量。另外，采用不同葉位組合的高光譜參數預測冠層葉片氮含量時，DVI[NDSI(R1821, R571)3， NDSI(R610， R480)2]， NDSI[RSI(R1821, R571)3,RSI(R610, R480)2]表現最好，且遠遠好于其他光譜參數?；趩稳~最佳光譜指數，進一步分

13、析了各單葉敏感波段的光譜分辨率變化對小麥冠層氮含量監(jiān)測方程的影響。結果顯示，利用頂部4張單葉的最佳光譜指數監(jiān)測小麥冠層氮含量時，其光譜分辨率存在一個適宜區(qū)域，在該區(qū)域內的冠層氮素估測精度沒有顯著差異。
　　 在單葉水平上系統(tǒng)分析了新構建的最佳光譜指數、紅邊相關參數及已有氮素相關光譜指數與頂部葉片氮含量的定量關系。結果顯示，隨施氮水平的提高，頂部4張葉片的氮含量均增加，光譜反射率在可見光區(qū)降低，在近紅外和中紅外區(qū)升高；近紅外波段的

14、光譜反射率顯著高于可見光波段。隨生育期的推移，頂部4張葉片的氮含量先升后降，光譜反射率先降后升。頂部4張單葉的光譜指數NDSI(R510， R430)、NDSI(R620， R480)、NDSI(R622, R426)和RSI(R421, R655)可以較準確地依次定量估算小麥植株頂部4張單葉的氮含量；且光譜指數NDSI(R613， R426)能綜合估算小麥植株頂部4張葉片的單葉氮含量。紅邊區(qū)域受施氮水平和品種影響較大，在703-742