温室番茄冠层和叶片光谱特征分析及营养诊断

通过温室基质栽培,利用ASD光谱仪和傅里叶光谱分析仪测量了四种营养水平下温室番茄冠层和叶片的光谱反射曲线,并检测了对应叶片的水分含量、叶绿素含量和氮含量,分析了不同营养水平下番茄冠层和叶片的反射光谱变化,并对番茄叶片含水量的敏感波长以及冠层反射光谱的红边波长进行了研究。结果表明:温室番茄冠层反射光谱曲线在可见光550nm左右均有叶绿素的强反射峰,近红外区反射率高于可见光区。在同一生长期,随基质营养水平的提高,番茄冠层反射率在可见光波段不断减小,在近红外波段不断增大,且红边波长位置出现"红移"现象。利用530和760nm特征波长得到的归一化颜色指标NDCI与叶片氮含量有较好相关性,R2为0.7511。     

不同施氮水平下玉米冠层光谱反射特征分析

通过田间试验研究了玉米不同生长期冠层光谱反射率的变化特征,分析了不同施氮水平下可见光区冠层光谱反射率的差异。研究结果表明:受作物群体光和能力的影响,玉米可见光区冠层反射光谱在拔节期达最高点,随后持续降低;近红外区,苗期反射率最低,在拔节期达最高点,喇叭口期有所降低而在开花吐丝期得到回升,进入灌浆期后又下降。不同施氮水平下,拔节期随施氮水平的增加,叶绿素的强吸收带(430~450和640~660 nm)玉米冠层反射曲线呈下降排列,但在550 nm附近反射率R正常R偏低R偏高;喇叭口期偏低施氮区的冠层反射率在可见光区明显高于其它施氮水平,且偏高和正常施氮区域内光谱反射强度基本相同,显示过量施肥并不会促进作物生长。分析玉米生长期间不同施氮水平下光谱反射率的差异,对监测玉米生长状况,指导田间施肥具有重要的现实意义。     

重金属污染水稻的冠层反射光谱特征研究

利用野外光谱仪获取矿区农田重金属污染水稻的冠层反射光谱,通过曲线模拟和统计分析提取了与水稻冠层叶片重金属含量变化极显著相关的光谱敏感波段(Pb,460 nm;Zn,560 nm;Cu,660 nm;As,1 100 nm)、归一化植被指数(Pb,NDVI(510,810);Zn,NDVI(510,870);Cu,NDVI(660,870);As,NDVI(510,810))和"红边"位置等水稻冠层反射光谱特征。表明水稻重金属污染可以被地面遥感传感器快速检测,其浓度变化与所提取的光谱特征之间存在极显著相关,归一化植被指数与"红边"位置对光谱信息的表达要优于敏感波段。归一化植被指数以及"红边"位置可以作为水稻重金属污染遥感监测模型的光谱特征参数选择参考。同时,文章提出了利用遥感技术监测水稻重金属污染的"光谱临界值"概念,并计算出研究中各重金属对应的"光谱临界值"。     

冬小麦生长期光谱变化特征与叶绿素含量监测研究

在分析冬小麦生长期冠层反射光谱和叶绿素含量变化特征的基础上,对二者之间的相关性进行了研究。表明从小麦拔节期开始,冠层反射光谱在可见光区(400～750 nm)的反射率先降低而后升高,以孕穗期反射率最低;在近红外区(750～1 000 nm)冠层反射率由拔节期至孕穗期反射率降低,然后开始上升。扬花期上升至最高点后又开始下降,直至乳熟期降至最低。冬小麦冠层反射率与叶绿素含量相关分析结果表明,冬小麦拔节期和孕穗期二者呈正相关,扬花期二者呈负相关;整个生长期中,孕穗期可见光区552 nm处反射率与叶绿素含量相关系数最大达0.89。依据冬小麦生长期冠层反射光谱红边拐点位置,分别建立了拔节期叶绿素含量线性检测模型(R~2=0.92)和孕穗期二项式模型(R~2=0.91),用于冬小麦叶绿素含量的无损检测是可行的。     

蒙古栎展叶盛期变化的光谱特征及其影响因素研究

植物生长状况是反映环境变化的重要指标,在全球环境变化格局下,研究多环境因子及交互作用对植物的影响尤为重要。为探究植物光谱特征响应环境变化,从而探究环境变化对植物生长状况的影响,同时实现遥感对植物的监测,该研究以东北地区优势树种蒙古栎为研究对象,分析研究了不同光周期、温度和氮沉降交互作用引起的蒙古栎展叶盛期冠层光谱反射特征变化。基于大型人工气候室模拟试验,设置3个温度,3个光周期和2个氮沉降交互处理,每个处理4个重复。当蒙古栎进入展叶盛期时,每个处理选择差异较小的三个重复,使用FieldSpec Pro FR 2500型背挂式野外高光谱辐射仪测量光谱反射率。对不同处理的蒙古栎冠层光谱反射率进行分析,选取NDVI（归一化植被指数）、Chl NDI（归一化叶绿素指数）和PRI（光化学反射指数）3个常用的光谱指数作为辅助分析,同时计算一阶导数光谱以得到红边斜率、红边位置、红边面积等参数。不同处理展叶盛期的蒙古栎光谱反射率趋势大体一致,均符合植物特有的光谱反射特征,在350~680 nm范围内有一个小的波峰,680~750 nm反射率显著上升,750 nm后进入反射平台。结果表明：(1）光周期对于蒙古栎冠层的光谱反射率没有明显的影响;(2）增温会减小蒙古栎冠层在350~750 nm波段处的光谱反射率;(3）施氮会导致蒙古栎展叶盛期350~750 nm波段和750~1 100 nm波段处的光谱反射率降低;(4）增温和施氮的交互作用会显著减小蒙古栎的光谱反射率;(5）通过一阶导数光谱可清晰地指示植物的红边特征。研究结果可为物候变化的监测与影响因素分析提供理论依据。     

不同碱化程度土壤对其上覆植被冠层光谱特征的影响

通过实地光谱测量,研究了不同碱化程度土壤上向日葵在不同生育期冠层光谱反射率、红边参数及与对应的土壤碱化度和pH之间的关系。结果表明,不同碱化程度土壤上向日葵生育期冠层反射光谱具有绿色植物的光谱反射特征,随着向日葵生育期的推进,向日葵冠层光谱反射率逐渐增大,到开花期在809nm处形成一个高的反射峰。在近红外短波范围,向日葵光谱反射率随碱化程度的减轻而增大。用红边一阶微分光谱特征参数分析,向日葵冠层反射光谱红边位置在整个生育期处于702~720nm之间,并随着碱化程度的加重,红边位置和红边斜率呈"蓝移"现象;而在同一碱化程度水平上,随向日葵生育期的推进,红边位置和红边斜率均出现先"红移"后"蓝移"的现象。相关分析和回归分析显示,土壤碱化度、pH与红边位置均呈极显著正相关和二次多项式关系,R2值分别为0.745 6和0.615 3。     

基于单叶反射光谱的转基因大麦光合特性分析

反射光谱分析可为植物叶片生理学过程、叶片表面及内部生化组分、结构特征等提供丰富信息。本文以转基因大麦及其原始栽培种为材料,基于单叶反射光谱检测研究了转基因大麦的反射光谱特征及指数的变化。研究结果表明,将不同大麦叶片反射率配对求得反射率比值曲线易于探查出不同大麦品系间反射光谱差异,且转基因大麦与传统对照差异较大的区域主要集中在650～700nm的红谷及红边位置附近,该波段的光谱反射率可能对外源基因的插入扰动反应敏感;而在550nm附近的绿峰及750nm以上近红外区的反射率基本无明显变化。反射光谱指数λRE,mND,SIPI,RRed/RGreen,PRI及NIRR800的差异性变化呈现出时间特性且取决于品系。如上述指数显著变化将意味着植物光合生理过程、功能及状态发生改变。     

基于反射率模拟模型的黑土有机质含量估测

定量分析了黑龙江省黑土室内高光谱反射率曲线特征,确定了影响反射光谱曲线的主要特征控制点,建立了黑土光谱反射率模拟模型并对其进行评价,分析比较反射率数据、模拟后的光谱数据与土壤有机质含量的关系,建立了土壤有机质含量光谱预测模型。结果如下:有机质是小于1000 nm范围黑土反射光谱特征的决定因素,随有机质含量变化,黑土光谱反射率在该范围呈现单/双吸收谷特征;黑土反射光谱曲线在450~930 nm范围内有5个主要特征控制点;黑土反射率模拟模型能较准确地描述黑土反射光谱曲线,直线模型的模拟效果更好;以反射率模拟模型系数为自变量的有机质含量预测模型优于基于反射率及其一阶微分的模型,说明反射率模拟模型的曲线控制点选择合理且有代表性,反射率曲线模拟方法能够准确描述黑土的实际光谱反射率。     

不同滞尘量对城市植物冠层光谱的影响

为了探索不同滞尘量对植被冠层光谱的影响,以位于上海市中心城区的上海师范大学徐汇区校园为研究样区,选取并使用ASD FieldSpec 3地物光谱仪测定校园内龙爪槐、紫荆、红叶石楠及蔓长春等植物不同滞尘量等级下的冠层反射光谱,然后在实验室中使用万分之一电子分析天平测定相应植物的滞尘量并计算各植物的滞尘能力。在此基础上,分析不同滞尘量对植物冠层光谱特征变化的影响。结果表明:(1)植物在710~1 350nm之间光谱反射率会随着滞尘量的增减而减小而且三条曲线之间的差值较大;滞尘量的变化对各植物在350~710和1 450~1 750nm之间的光谱影响较复杂,三条曲线之间的差值虽小但差值比并不小。(2)滞尘对植物冠层光谱的影响不仅与滞尘量有关还与树种有关,不同植物或同种植物不同波长的光谱曲线对滞尘量的灵敏度不同。(3)各植物在"绿峰"和红边附近的光谱曲线的斜率会随着滞尘量的增加而减小。(4)滞尘不会引起红边位移现象,但会消弱红边一阶导数的"双峰"现象,表现为"主峰"值与"次峰"值之间的差随着滞尘量的增加而减小,红边位于719nm处。找到滞尘或不同滞尘量对植被冠层光谱的影响关系,对高光谱遥感在这一领域的应用具有重大意义。     

干旱胁迫下春玉米拔节-吐丝期高光谱特征

通过监测辽宁锦州地区不同干旱胁迫条件下春玉米拔节-吐丝期冠层高光谱分布,研究其可见光、红边区和近红外光的光谱分布特征,分析不同波长光谱反射率与各深度土壤湿度的相关关系,结果表明:拔节-吐丝期,0～20cm层土壤湿度与350～710nm区间光谱反射率存在显著的负相关关系,各层土壤湿度(0～60cm)与710～1 300nm区间光谱反射呈正相关关系,其中40cm深度土壤湿度与光谱反射率正相关性较好;红边区(680～760nm)光谱反射率较好的反映了植株的生长状况,该区间单位波长光谱反射率变化由增加-减小,为相对较稳定的光谱区间。各层土壤湿度与红边参数的多项式回归趋势相似,表层0和20cm土壤湿度与红边参数关系曲线呈先增加后减小趋势,40和60cm土壤湿度则先减小后增加。     

基于光谱波段自相关的水稻信息提取波段选择

通过大田试验,使用ASD光谱仪测量水稻不同生育期的冠层光谱,将光谱以10 nm为步长进行合并,再将不同日期光谱的所有波段组合计算相关系数平方(R2),生成R2矩阵,并绘制R2分布图。根据R2越大,光谱波段之间冗余信息越多,R2越小,水稻光谱波段信息含量越多的原则,在所有测量日期中选择出前100个R2最小值对应的波段,将这些波段进行统计分析。结果表明,可见光区域各个波段之间和红外(近红外和短波红外)区域各个波段之间都含有大量冗余信息。水稻信息量丰富的波段主要集中在可见光的长波波段,红边波段,近红外第一和第二峰值波段,以及短波近红外第一峰前区(1 530 nm附近)和第二峰值区(2 215 nm附近)。比较水稻与其他植被对于最优波段的选择,400~410,630~650和1 520~1 540 nm三个波段区间表现为水稻信息提取较为独特的波段。     

高光谱成像的水稻螟虫蛀入检测方法

为了控制水稻螟虫预警和喷洒农药用量,实现对水稻螟虫虫害的无损检测,提出了基于主成分分析特征波段检测方法和基于迭代阈值的最优波段检测方法,确定了水稻茎秆螟虫检测的特征波段和最优波段,提取出单波段和组合波段的图像来分割虫孔,从而实现水稻螟虫的精准的无损检测。首先通过高光谱得到的120个样品反射率信息分析确定了光谱区域为450～1 000 nm。基于主成分分析特征波段检测方法,对高光谱图像进行主成分分析,通过前五个主成分图像比较确定第三主成分图像为最佳,然后根据第三主成分图像中各个波段的贡献率来选取特征波长（668.8和750 nm）,最后结合全局阈值分割和图像掩膜等图像处理方法实现对虫孔区域的判别。而利用基于迭代阈值的最优波段检测方法,在可见光波段450～750 nm范围和近红外波段750～1 000 nm范围内应用混合距离挑选最佳的单波段,通过单波段来确定组合波段,对单波段和组合波段进行迭代阈值分割,其中753.5 nm波长分割效果最好,故确定753.5 nm为最优波长,然后提取该波长的图像采用一种基于迭代阈值虫孔提取方法和形态学处理,最后能对水稻茎秆虫孔区域进行判别来实现水稻茎秆虫害是否存在。对60个虫害水稻茎秆和60个正常水稻茎秆进行检测,应用基于主成分分析特征波段检测方法在668.8和750 nm波长处检测率分别为95.8%和93.3%,而应用基于迭代阈值的最优波长检测方法在753.5 nm波长处检测率高达96.7%。说明利用基于迭代阈值的最优波长检测方法对水稻螟虫的检测更加精确,也说明所获取的特征波段和最优波段为以后水稻螟虫虫害的多光谱成像技术提供了理论参考。     

土壤表层湿度影响下冬小麦晚霜冻害及冠层光谱检测

为探究土壤表层湿度影响下冬小麦冠层光谱反射率响应晚霜冻害的特征,并检验敏感光谱波段预测小麦产量变化的能力,于2013和2014年小麦拔节期,分别设置了表层土壤含水量为10%(干)、10%~20%(中)和20%(湿)的三个湿度处理的冻前试验,并在低温室内进行降温处理。分析了不同土壤表层湿度下受冻冬小麦的穗数、穗粒数、千粒重、单株产量、冠层光谱反射率及其一阶微分值的差异,对冬小麦冻害产量变化率和高光谱特征参量进行了相关分析和一元线性拟合。结果表明:冬小麦穗粒数和单株产量总体上均随土壤表层湿度的降低而呈减少态势,在土壤表层干处理条件下冻害对冬小麦产量造成的影响最为显著(p0.05);在绿峰(523nm附近)、黄边(571nm附近)、红边(732nm附近)和近红外台的两个水分吸收带(952和1 145nm附近),干+冻害处理冬小麦冠层反射率的一阶微分值与中+冻害、湿+冻害处理的差值明显;剥离了土壤表层湿度对光谱的影响后,冬小麦冠层反射率一阶微分差值在以570nm为中心的黄边区域和以710nm为中心的红边区域对干、中和湿梯度处理下晚霜冻害响应的差异明显;两年试验中的黄边面积(SDy)和570nm处一阶微分值(d570)均与冻害产量变化率达到显著正相关(p0.05),说明黄边区域的高光谱特征参量可用于检测土壤表层湿度影响下的冬小麦晚霜冻害程度。本研究可为土壤表层湿度和晚霜冻害叠加影响下冬小麦产量变化预测方法的探讨提供参考。     

基于比值导数法的棉花蚜害无人机成像光谱监测模型研究

蚜虫是棉花的主要害虫之一,我国棉花产量每年因蚜虫危害造成的损失高达5%～10%。田块尺度的棉花蚜害空间分布监测可以辅助精准定量施药,减少环境污染。利用无人机搭载成像光谱仪获取的“图谱合一”的遥感数据因其具有分辨率高、时效性高、成本低等优势,可为作物病虫害监测提供了重要数据源。比值导数法模型简洁,运行效率高,结果精确,可以有效的应用于遥感反射率光谱解混处理,提取对目标信息较为敏感的波段,为构建虫害监测模型提供了有效的手段。因此本研究选择棉花典型生产区新疆库尔勒地区为实验区,开展以下工作: （1）以低空无人机搭载成像光谱仪获取棉花蕾期冠层成像光谱影像,结合地面调查数据,获取76个样点光谱数据及蚜害严重度(包含健康植株16个,蚜害严重度1～4级每级选取15个);(2)分析不同蚜害严重度棉花冠层光谱的特征,并利用比值导数法筛选出对蚜害胁迫敏感的光谱波段,分别为514,566和698 nm波段; (3)构建基于三个敏感波段的光谱反射率、比值导数光谱值的一元线性回归和偏最小二乘法的蚜害严重度估测模型。结果表明：(1)蚜害对棉花冠层的光谱反射率有显著影响。棉株受蚜害胁迫越严重,其在可见光区域的反射率越高,近红外波段反射率越低,发生红边区域“蓝移”;（2）比值导数法可有效提取蚜害棉花冠层光谱敏感波段,所筛选的514,566和698 nm三个波段与相关系数法所筛选的敏感波段一致;(3)利用敏感波段比值导数光谱值所构建的蚜害严重度估测模型精度优于敏感波段光谱反射率所构建的模型, 其中698 nm波段构建的模型精度最佳（R2=0.597, RMSE=0.91）; (4)三个敏感波段的比值导数光谱值所构建的偏最小二乘多元回归模型精度优于单个波段比值导数光谱值所构建的模型（R2=0.612, RMSE=0.89）;(5)基于比值导数法的棉花蚜害无人机成像光谱监测模型可以获取田块尺度的不同严重度蚜害空间分布图,对于精准定量施药有重要的指示意义。     

落叶松受雅氏落叶松尺蠖危害程度光谱检测

近年来蒙古国雅氏落叶松尺蠖灾害不断加剧，逐渐逼近大兴安岭地区，将威胁我国北方森林生态系统安全。以现代遥感监测方法替代传统检测方法，及早掌握该虫害发生发展规律对防控有重要意义。为快速、大范围遥感监测雅氏落叶松尺蠖灾害，利用光谱分析技术研究了该害虫危害下落叶松受害程度检测模型。通过实测健康和轻度、中度、重度受害落叶松光谱，计算与比较不同受害程度落叶松原始光谱和去除包络线光谱的敏感度，揭示光谱敏感波段及去除包络线光谱敏感性。然后对去除包络线光谱进行一阶导数变换获得光谱特征参数并分析其随受害程度的变化特征，构建基于CART(分类与回归树)算法的落叶松受害程度光谱检测模型。研究表明：去除包络线光谱敏感性比原始光谱更显著，尤其在480～520 nm(蓝边)、640～720 nm(红谷、红边)、1 416～1 500 nm(短波红外谷)等波段内光谱敏感度介于0.1～2.0，而且出现了敏感峰现象。随受害程度增加，去除包络线光谱敏感性增强趋势比原始光谱更明显；在蓝边波段上去除包络线光谱敏感峰位置向短波方向移动，即502 nm→490 nm，而在红谷及红边、短波红外谷等波段上光谱敏感峰位置向长波方向移动，即664 nm→672 nm和1 436 nm→1 448 nm；红谷位置和短波红外谷位置归一化反射率以及红谷和短波红外谷面积呈上升趋势。在蓝边与红边波段内去除包络线光谱一阶导数对受害程度有明显响应，出现了波峰现象。随害虫危害程度加剧红边位置蓝移(718 nm→700 nm)，红边斜率及面积和蓝边斜率及面积呈下降趋势。基于此，利用红边斜率、红谷位置和短波红外谷位置归一化反射率、红谷和短波红外谷面积、蓝边斜率及面积等去除包络线光谱特征参数构建的CART模型对落叶松受害程度有很好的检测能力。与多元线性回归模型相比，CART模型检测精度更高，其Kappa系数达0.875。研究结果对雅氏落叶松尺蠖灾害的防治有参考价值。     

作物植被覆盖度的高光谱遥感估算模型

通过大田试验,使用ASD光谱仪测量了油菜、玉米、水稻三种作物不同覆盖度水平下的冠层光谱,同时拍照获取植被图片并用计算机求算了植被覆盖度.利用三种作物光谱求算"红边"变量,并对波段两两组合求算归一化植被指数(NDVI),建立这些光谱变量与覆盖度之间的估算模型,得到适用于三种作物的最优估算模型和最佳的NDVI波段组合.另外,利用响应函数模拟了TM归一化植被指数,同植被覆盖度进行了相关分析,回归方程的R2达到0.80,并通过了预留数据的检验,为TM数据植被覆盖度估算进行了探索性的研究.