西北地區(qū)冬小麥生長狀況高光譜遙感監(jiān)測(cè)研究.pdf

1、冬小麥?zhǔn)俏鞅钡貐^(qū)重要的糧食作物，該地區(qū)有限的自然資源和脆弱的生態(tài)環(huán)境迫使農(nóng)業(yè)必須向精細(xì)、高效的方向發(fā)展，以最小的資源投入獲取最高經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)兼顧生態(tài)環(huán)境的保護(hù)。使用定量遙感技術(shù)精確獲取農(nóng)田環(huán)境信息和農(nóng)作物長勢(shì)信息是實(shí)現(xiàn)這一目的的重要環(huán)節(jié)。本研究以西北地區(qū)冬小麥為研究對(duì)象，在2014-2016年進(jìn)行冬小麥的小區(qū)和大田實(shí)驗(yàn)，使用成像光譜儀和非成像光譜儀在葉片、近地冠層、低空大田等不同尺度獲取冬小麥高光譜影像和反射光譜數(shù)據(jù)，結(jié)合地面實(shí)測(cè)葉綠

2、素、花青素、葉面積指數(shù)和氮、磷、鉀含量等多項(xiàng)農(nóng)學(xué)參數(shù)，分析各項(xiàng)農(nóng)學(xué)參數(shù)的光譜特征，提取冬小麥各項(xiàng)農(nóng)學(xué)參數(shù)的特征光譜和敏感光譜參數(shù)，綜合使用最小二乘回歸、偏最小二乘回歸、支持向量機(jī)回歸等方法，建立各種農(nóng)學(xué)參數(shù)的估算模型，并應(yīng)用模型對(duì)高光譜影像進(jìn)行反演，得到冬小麥葉片、植株和冠層等不同尺度農(nóng)學(xué)參數(shù)的空間分布圖，取得了較高的精度，能夠?yàn)閰^(qū)域農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供科學(xué)決策的依據(jù)。研究得到的主要結(jié)論和取得的主要成果如下:
　　(1)冬小麥的農(nóng)學(xué)參數(shù)和

3、光譜特征隨著植株的生長發(fā)育推進(jìn)而發(fā)生變化。從返青期到蠟熟期期，葉綠素含量和LAI先升高后降低;花青素含量先降低后升高，氮、磷含量在持續(xù)降低;鉀含量在蠟熟期之前持續(xù)降低，到蠟熟期含量升高。在可見光區(qū)域，葉片和冠層光譜反射率在返青期和灌漿期較高，拔節(jié)期、抽穗期和開花期較低;在近紅外區(qū)域，葉片反射率從返青期到灌漿期變化不明顯，冠層反射率從返青期到灌漿期逐漸升高;蠟熟期冬小麥葉片和冠層光譜失去植被特征。
　　(2)冬小麥葉片和冠層對(duì)葉綠素

4、含量變化的響應(yīng)主要在350～800nm。在350～680nm范圍，隨著葉綠素含量的增加，反射率降低，光譜吸收程度加大，紅邊位置向長波方向移動(dòng)，紅邊幅值升高。葉片和冠層的SPAD值與光譜反射率在350～700nm范圍表現(xiàn)為顯著負(fù)相關(guān)，在750～1000nm范圍表現(xiàn)為弱的正相關(guān);與一階導(dǎo)數(shù)光譜在710～760nm范圍內(nèi)表現(xiàn)為顯著正相關(guān)，在670～690nm范圍表現(xiàn)為強(qiáng)負(fù)相關(guān);與連續(xù)統(tǒng)去除光譜在350～750nm范圍表現(xiàn)為顯著負(fù)相關(guān)，其他波段

5、基本不相關(guān)。冬小麥葉片和冠層SPAD值估算模型中，使用敏感光譜參數(shù)為自變量的SVR回歸模型精度最高。E_GNDVI、MRENDVI和(SDr-SDb)/(SDr+SDb)三個(gè)光譜參數(shù)是冬小麥葉片和冠層共有的葉綠素高度敏感光譜參數(shù)。
　　(3)冬小麥葉片和冠層對(duì)花青素含量變化的響應(yīng)主要在350～800nm。在350～680nm隨著花青素含量的增加，光譜反射率升高，光譜吸收程度減弱，紅邊位置向短波長方向移動(dòng)。葉片和冠層的Anth值與光

6、譜反射率在525～700nm范圍表現(xiàn)為顯著正相關(guān)，在730～1000nm范圍表現(xiàn)為弱負(fù)相關(guān);與一階導(dǎo)數(shù)光譜在480～550nm、670～690nm兩處表現(xiàn)為顯著正相關(guān)，在710～760nm表現(xiàn)為顯著負(fù)相關(guān);與連續(xù)統(tǒng)去除光譜在500～650nm、680～750nm兩處表現(xiàn)為顯著正相關(guān)，在750～1000nm葉片和冠層的Anth值與連續(xù)統(tǒng)去除光譜基本不相關(guān)。冬小麥葉片和冠層Anth值估算模型中，使用敏感光譜參數(shù)為自變量的SVR回歸模型精度最

7、高。E_GNDVI、SDr/SDb、MRENDVI和(SDr-SDb)/(SDr+SDb)是冬小麥葉片和冠層共有的花青素高度敏感光譜參數(shù)。
　　(4)隨著冬小麥LAI增大，冠層光譜在350～680nm反射率降低，在680～750nm紅邊范圍表現(xiàn)紅邊幅值升高、紅外位置“紅移”，在750～1150nm反射率升高。冬小麥LAI與冠層光譜反射率在350～750nm和1400～2500nm范圍顯著負(fù)相關(guān)，在760～1300nm范圍顯著正相關(guān)

8、;與一階導(dǎo)數(shù)光譜在多個(gè)較窄的波段范圍內(nèi)顯著相關(guān);與連續(xù)統(tǒng)去除光譜在250～750nm和950～2450nm顯著負(fù)相關(guān)。冬小麥LAI估算模型中，使用敏感光譜參數(shù)為自變量的SVR回歸模型精度最高，任意波段光譜反射率兩兩組合構(gòu)建的光譜指數(shù)DSI(776，801)、RSI(776，801)和NDSI(776，801)是冬小麥LAI的最優(yōu)敏感光譜指數(shù)。
　　(5)冬小麥N、P、K含量與各類型光譜相關(guān)性變化規(guī)律一致:與光譜反射率在350～72

9、0nm和1350～2500nm顯著負(fù)相關(guān)，在750～1150nm顯著正相關(guān);與一階導(dǎo)數(shù)光譜相關(guān)性隨波段變化較大，但相關(guān)系數(shù)較高;與連續(xù)統(tǒng)去除光譜在350～750nm、1300～1850nm和1950～2250nm顯著負(fù)相關(guān)。冬小麥N、P、K含量與多種光譜參數(shù)之間極顯著相關(guān)。通過波段組合尋優(yōu)得到三個(gè)分別與N、P、K含量高度敏感的光譜指數(shù):DSI(819，776)、DSI(918，790)和DSI(900，796)，相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.75以上

10、。以多個(gè)光譜參數(shù)為自變量的SVR模型估算N、P、K含量精度最高。
　　(6)SOC與SVC獲取的同種目標(biāo)物的光譜反射率基本一致;SOC影像光譜在750～1000nm與SVC光譜相比噪聲較大;在900～1000nm兩種儀器差異明顯，SOC光譜波動(dòng)劇烈，反射率隨波長的增加明顯降低。SOC高光譜影像在400～900nm可以準(zhǔn)確反映地物光譜信息。冬小麥葉片不同部位的光譜特征不同，在400～700nm葉片中間部分反射率較低，底部和頂端反射率

11、較高;在750～900nm葉片中間部分反射率較高，底部和頂端反射率較低。冬小麥植株不同組分和不同層位葉片光譜特征不同，在400～700nm穗部和莖稈反射率較高，葉片反射率較低;而對(duì)于不同層位的葉片，下層葉片反射率高于中、上兩層葉片;在750～900nm范圍，莖稈反射率較低，其他部位反射率差異不明顯。使用模型對(duì)SOC高光譜影像進(jìn)行反演得到的葉片和植株SPAD值和Anth值分布圖上，經(jīng)檢驗(yàn)預(yù)測(cè)值范圍及其分布與實(shí)測(cè)情況一致。
　　(7)

12、UHD與SVC獲取的相同地物的光譜在450～850nm范圍具有高度的一致性，從光譜反射率提取的綠峰、紅谷、紅邊等特征光譜信息沒有顯著差異;在850～1000nm范圍UHD影像光譜噪聲急劇增大，信噪比降低。UHD高光譜影像上地物光譜信息在450～850nm范圍是準(zhǔn)確可靠的。從UHD影像上根據(jù)樣點(diǎn)對(duì)應(yīng)的位置提取冬小麥各農(nóng)學(xué)參數(shù)的敏感光譜參數(shù)，使用PLSR建立基于UHD影像的冬小麥各類農(nóng)學(xué)參數(shù)估算模型，并使用模型對(duì)UHD高光譜影像進(jìn)行反演，得