橡胶树叶片高光谱特征分析

从光谱曲线特征和光谱变换特征分析橡胶树(Hevea brasiliensis)叶片反射曲线特征.结果表明,蓝边、红边、黄边位置特征分别出现于525 nm、725 nm、550 nm波段附近,红谷位置特征变化较大,并提取了红边积分面积等重要光谱变量特征.叶片氮含量与反射光谱的相关分析表明橡胶树叶片氮素敏感波段为700～1300 nm,其中730 nm处相关性最好,达到0.8422的极显著水平,以730 nm处的反射率与叶片氮含量建立线性模型,其复相关系数R2达到0.7094.     

高光谱植被指数与水稻叶面积指数的定量关系

基于不同水稻品种、施氮水平和不同生育期下的大田试验,确立了水稻叶面积指数（LAI）与冠层光谱特征参数的定量关系.结果表明：水稻叶面积指数与部分高光谱植被指数存在良好的相关性,其中原始光谱组成的2波段差值指数（DI）形式相关性最好,其次为比值（RI）和归一化（NI）植被指数.相关最好的原始光谱植被指数是由近红外波段组成的差值指数DI(854,760),相关最好的一阶导数光谱植被指数是红光和近红外光组成的导数差值指数DI(D₆₇₆, D₇₇₈),但总体上导数光谱指数不如原始光谱指数与LAI关系密切.独立试验数据检验结果表明,以差值指数DI(854,760)为变量建立的水稻LAI监测模型具有较好的表现,可用于水稻LAI的估测.     

陇中黄土高原春小麦光谱反射特征

通过田间小区试验,测定了3个春小麦品种(高原602、陇春8139和定西24)在不同生育期和不同种植密度的光谱反射率及对应叶面积指数(LAI)和地上生物量,分析了其光谱反射的一般特征和红边参数特征以及光谱变量与LAI和地上生物量的相关性.结果表明:在整个波段内,春小麦冠层光谱表现为高原602＞陇春8139＞定西24,其叶片光谱表现为定西24＞陇春8139＞高原602;春小麦冠层光谱在可见光波段和中红外波段成熟期明显大于孕穗期,而叶片光谱在近红外波段孕穗期明显大于成熟期;随着种植密度的提高,在近红外波段冠层和叶片的光谱反射率逐渐增加;冠层光谱的红边均具有"双峰"现象,从孕穗期到成熟期,冠层红边位置呈现"蓝移"现象;LAI和地上生物量与冠层光谱变量之间存在较好的相关性.     

帽儿山地区森林冠层叶面积指数的地面观测与遥感反演

叶面积指数(leaf area index,LAI)是陆地生态系统最重要的结构参数之一,遥感和基于冠层孔隙率模型的光学仪器观测是快速获取LAI的有效方法,但由于植被叶片的聚集效应,这些方法通常只能获取有效叶面积指数(effective LAI,LAIe).本文以东北林业大学帽儿山实验林场为研究区,利用LAI2000观测森林冠层LAIe,并结合TRAC观测的叶片聚集度系数估算了森林冠层LAI,并通过分析基于Landsat5-TM数据计算的不同植被指数与LAIe之间的关系,建立了该区森林LAI遥感估算模型.结果表明:研究区阔叶林的LAI和LAIe基本相当,而针叶林的LAI比LAIe大27%;减化比值植被指数(reduced simple ratio,RSR)与该区LAIe的相关性最好(R2=0.763,n=23),最适合该区LAI的遥感提取.当海拔<400 m时,LAI随海拔高度的上升而快速增大;当海拔在400～750 m时,LAI随海拔高度的上升缓慢增大;当海拔>750 m时,LAI呈下降趋势.研究区森林冠层LAI与森林地上生物量存在显著的正相关关系.     

干旱条件下春玉米高光谱特征及土壤含水量反演

通过辽宁锦州地区春玉米不同生育时期的土壤水分控制试验,利用ASD Field Spec Pro FR分光辐射计观测不同生长状况的玉米冠层高光谱反射率,分析光谱反射率变化特征,建立光谱参数对土壤水分的反演模型。结果表明:玉米在七叶-拔节期受到干旱胁迫后,750~1400 nm波段冠层光谱反射率、红边幅值、红边面积均出现降低,350~750、1400~2300 nm反射率出现升高趋势;750~1400 nm、红边幅值、红边面积对土壤干旱胁迫的响应时间较短,且存在异于正常灌溉处理的光谱特征;反演方法中,逐步回归方法利用高光谱反射率反演土壤含水量的误差小于一阶导数光谱,反演10 cm土壤含水量的效果好于30 cm。     

不同氮素水平下超高产夏玉米冠层的高光谱特征

为明确超高产夏玉米冠层高光谱特性,对不同生育期、不同氮肥处理下普通玉米与超高产夏玉米冠层高光谱特性进行了比较;对超高产夏玉米冠层高光谱反射率及其衍生的植被指数与干物质积累、叶绿素含量间的相关性进行了分析。结果表明,不同生育期,超高产夏玉米近红外波段的高光谱反射率均大于普通玉米,且在生育后期变化缓慢。开花期与灌浆期之间,出现"红边平台"现象,生育后期红边位置"蓝移"变化量显著小于普通玉米。随着施氮量的增加,超高产夏玉米冠层高光谱反射率及红边位置变化不大,而红边幅值与红边面积呈逐步增大趋势。在相关性分析中,由950、760、810、870nm构成的各类植被指数及红边幅值、红边面积与超高产夏玉米干物质积累量间的相关性最好,红边位置λred可用于估算叶绿素总量、叶绿素a、叶绿素b及类胡萝卜素的含量。不同氮肥下,超高产夏玉米冠层高光谱特征与普通玉米相比具有较大差异,研究结果能为超高产夏玉米生理特性的研究提供支持。     

利用红边面积形状参数估测水稻叶层氮浓度

研究红边面积参数与叶层氮素状况的定量关系, 有助于水稻(Oryza sativa)生长信息的实时无损获取及精确追氮管理。该研究基于多年不同施氮水平和不同水稻品种的冠层高光谱数据, 系统分析了水稻的红边区域光谱、面积形状特征及其与叶层氮浓度的定量关系。结果表明, 水稻冠层红边区域微分光谱随不同氮素水平变化出现“三峰”现象, 峰值分别出现在700、720和730 nm附近, 且3个波段的峰值高低发生交替变化; 同时, 以3个峰值波段为中心与x坐标轴组成的微分光谱面积和形状相应发生变化。发现基于两两峰值波段划分所得红边子面积所构成的比值(双峰对称度)、归一化差值(归一化对称度)参数与叶层氮浓度具有密切的定量关系, 可作为估测水稻叶层氮浓度的红边面积形状参数。经曲线拟合和模型检验的结果显示, 双峰对称度DPS (A_675-700, A_675-755), 即由675~700 nm区域面积与675~755 nm区域面积的比值, 和DPS (A_730-755,A_675-700) (由730~755 nm区域面积和675~700 nm区域面积的比值)对水稻叶层氮浓度的估测效果最好, 可用于不同水稻品种和生长条件下的叶层氮浓度估测。     

MODIS植被指数与水稻叶面积指数及叶片叶绿素含量相关性研究

利用光谱分辨率为3nm的ASD FieldSpec UV／VNIR光谱仪获得了2002和2003年水稻整个生长期的高光谱数据,同时对水稻叶面积指数(LAI)和叶绿素含量(CHL．Ｃ)进行了测定,对中分辨率成像光谱仪(MODIS)的增强植被指数(EVI)、归一化植被指数(NＤVI)以及红边位置(REP)与LAI及CHL．C之间的关系进行了研究．结果表明。LAI与冠层光谱在可见光、近红外波段相关性较好,叶绿素含量与冠层光谱在红光波段相关性较好．EVI、REP和LAI之间的相关关系不受水稻覆盖率的影响;NDVI与LAI的相关关系在水稻低覆盖率情况下较好;在水稻高覆盖率情况下。EVI和REP比NDVI与LAI之间的相关关系要好．MODIS-NDVI、EVI及REP与叶片叶绿素含量相关性较好．由此可见,EVI和REP可以有效地监测水稻LAI和CHL．C．     

干旱胁迫下冬小麦(Triticum aestivum)高光谱特征和生理生态响应

2006年于冬小麦(Triticum aestivum)孕穗期、开花期和灌浆期,采用ASD Fieldspec HH光谱仪测定了不同水分胁迫下冬小麦高光谱反射率、红边参数和对应的冬小麦生理生态参数叶绿素a(Chla)、叶绿素b(Chlb)、叶绿素a b(Chla b),叶片水分含量(LWC),叶面积指数(LAI).结果表明,冬小麦生理生态参数随生长发育呈现先上升后下降趋势,Chla、Chlb和Chla b开花期达最大值;LWC和LAI孕穗期达最大值.随干旱胁迫程度增加,Chla、Chlb和Chla b、LWC和LAI减少.不同水分处理下冬小麦高光谱反射率具有绿色植物特征.用红边一阶微分光谱特征参数分析,冬小麦孕穗期和开花期红边(λred)位于728～730nm,灌浆期红边(λred)移到734nm.Chla、Chlb和Chla b与Dλ730:Dλ702、Dλ730:Dλ718,LWC与Dλred、Dλ718以及LAI与Dλ718、Dλred、Sred均呈正相关,相关系数大于0.5(p<0.05).经回归分析,Chl与Dλ730:Dλ702、LWC与Dλred呈线性关系(R2=0.87),LAI与Sred呈二次关系(R2=0.68).因此,用冬小麦高光谱特征及红边参数能判断冬小麦生育后期长势和农田水分胁迫程度.     

夏玉米叶片全氮、叶绿素及叶面积指数的光谱响应研究

在夏玉米的不同生长阶段,测定冠层光谱,结合农学参数(LTN、CHL．C、CHL．D、LAI),研究了农学参数的光谱响应规律及其与冠层光谱参量(反射率R、一阶微分光谱R′和红边位置REP)的相关性,并建立预测数学模型,结果表明,拔节一抽雄期,伴随着植株生长和群体壮大,红边斜率缓慢增加,红边位置呈逐渐偏向长波方向的“红移”,至抽雄期群体稳定后而停止;开花-乳熟期,随着个体衰老和群体减弱,红边斜率减小,红边位置又呈偏向短波方向的“蓝移”。利用一阶微分光谱和红边位置推算夏玉米冠层CHL．D不仅是可行的,而且反演精度较高,最适模型分别为指数(R^2=0．9487)和抛物线(R^2=0．9392)。     

干旱胁迫下雷竹叶片叶绿素的高光谱响应特征及含量估算

植物叶片的反射光谱特征与叶绿素含量密切相关。以重要的笋用竹种雷竹(Phyllostachys violascens)为研究对象,采用盆栽及控水试验方法研究了2年生雷竹在干旱胁迫条件下冠层叶片反射光谱的响应特征,分析了叶片叶绿素含量与不同波段光谱反射率一阶微分值以及光谱特征参数之间的相关关系,并以雷竹叶绿素含量敏感波段及构建的植被指数与叶绿素含量进行了拟合。结果表明,重度缺水处理后雷竹叶片叶绿素含量显著降低,在可见光区叶片光谱反射率随叶绿素含量的降低而增加,以波长493、639、693、756 nm等处的光谱反射率一阶微分值与叶绿素含量的相关性较高。雷竹叶片叶绿素含量与光谱特征参数如绿峰反射率、红谷反射率、蓝边面积、绿峰面积之间的相关性较高。与已有的植被指数相比基于雷竹叶绿素含量敏感波段修正后的植被指数与叶绿素含量相关性优于原植被指数。基于反射率一阶微分值构建的多元回归方程以及修正的绿色归一化植被指数(m GNDVI)构建的回归方程拟合效果较好,为雷竹叶绿素含量的较优估算方程。研究结果可以为雷竹叶绿素含量的快速无损测定以及季节性干旱条件下雷竹林的科学经营及灾后评估提供依据。     

冠层水平互花米草叶片光合色素含量的高光谱遥感估算模型

以闽江河口鳝鱼滩湿地互花米草(Spartina alterniflora)的实测冠层高光谱反射率和叶片光合色素含量(LPPC)为数据源,在分析LPPC与原始光谱反射率、一阶导数光谱反射率、22种已报道光谱指数和14种新构建的植被指数相关性的基础上,利用直线回归、指数回归、对数回归以及乘幂回归方法,系统地比较了36种植被指数在估算互花米草LPPC中的表现。研究表明:(1)一阶导数光谱反射率组合的植被指数用于估算互花米草的LPPC优于原始光谱反射率;(2)红边区域一阶导数光谱是估测互花米草LPPC的最佳波段;(3)对于单一色素含量的估算,叶绿素a(Chla)的最佳估算指数为FDNDVI[723,703];叶绿素b(Chlb)的最佳估算指数为FDRVI[723,525];类胡萝卜素(Cars)的最佳估算指数为FDNDVI[723,703];(4)对于使用统一参量同时估算Chla、Chlb、Cars,由FDRVI[723,703]建立的对数估算模型效果最佳。研究成果可为湿地植物生化参量反演提供参考,也可为闽江河口湿地入侵种互花米草的动态监测和生态评估管理提供有力的科学依据。     

短期CO2加富对凤梨光合作用及生长发育的影响

 研究了CO₂加富对丹尼斯凤梨（Guzmania`Denise’）和吉利凤梨（Guzmania `Cherry’）叶片光合速率、植株生长、开花和光合相关酶活性的 影响。结果表明,处理30 d期间,处理(600±40)、(900±40) μmol CO₂&;#8226;mol^-1的净光合速率分别比同期对照增加了6.24%～31.91%和11.92%～ 41.48%;CO₂加富下促进了叶片中可溶性糖和淀粉的积累, 蒸腾速率和气孔导度下降,Rubisco活性增加,乙醇酸氧化酶活性则明显下降。(600 ±40)μmol CO₂&;#8226;mol^-1处理下的株高、叶面积分别比同期对照下增加了6.94%～14.63%和1.66%～7. 06%,而处理(900±40) μmol CO₂&;#8226;mol^-1下 分别增加了9.71%～20.85%和2.87%～11.62%;CO₂加富下促进了干重和鲜重的积累。此外,CO₂加富提前了吉利凤梨的花期。     

基于小波分析的大豆叶绿素a含量高光谱反演模型

 2003和2004年分别在长春市良种场和中国科学院海伦黑土生态实验站实测了大田耕作与水肥耦合作用下大豆（Glycine max）冠层高光谱反射率 与叶绿素a含量数据,对光谱反射率、微分光谱与叶绿素a含量进行了相关分析;采用归一化植被指数(Normalized diffe rence vegetation index, NDVI)、土壤调和植被指数(Soil-adjusted vegetation index, SAVI)、再归一植被指数(Renormalized difference vegetation index, RDVI)、第二修正比值植被指数(Modified second ratio index, MSRI)等建立了大豆叶绿素a反演模型;应用小波分析对采集的光谱反 射率数据进行了能量系数提取,并以小波能量系数作为自变量进行了单变量与多变量回归分析,对大豆叶绿素a进行了估算。研究结果表明,大 豆叶绿素a 与可见光光谱反射率相关性较好,并在红光波段取得最大值(R²>0.70),但在红边处,微分光谱与大豆叶绿素a的相关性较反射率好 得多,在其它波段则相反;由NDVI、SAVI、RDVI、MSRI等植被指数建立的估算模型可以提高大豆叶绿素a的估算精度（R²>0.75）;小波能量系 数回归模型可以进一步提高大豆叶绿素a含量的估算水平,以一个特定小波能量系数作为自变量的回归模型,大豆叶绿素a回归决定系数R²高达 0.78;多变量回归分析结果表明,大豆叶绿素a实测值与预测值的线性回归决定系数R²均高达0.85。以上结果表明, 小波分析可以对高光谱进 行特征变量提取,并可在一定程度上提高大豆生理参数反演精度。     

苹果密植园与间伐园树冠层内叶片光合潜力比较

通过对成龄苹果密植园和间伐园树冠不同层次和部位叶片光合潜力及辐射通量密度、叶片N含量和比叶重等指标的比较分析,研究了苹果园改造前后辐射能和氮素利用效率差异及其与产量品质的关系.结果表明：间伐显著改善了冠层内的辐射环境,间伐园冠层内的辐射分布明显比密植园均匀,相对辐射通量密度小于30%的无效光区接近0,而密植园冠层内的最低相对辐射通量密度为17%,在相对高度03以下均为无效光区;间伐园内冠层叶片的光合效率显著提高,间伐园树冠中、下部叶片的光合速率比密植园分别提高了78%和102%;叶片的最大羧化速率和最大电子传递速率也有较大幅度的提升.苹果园冠层叶片的光合效率与叶片N含量存在显著的相关关系,而叶片N含量又与辐射通量密度存在显著的相关关系,因此,可根据冠层叶片相对N含量的垂直分布间接和定量地判断叶片的光合效率或相对辐射通量密度的空间分布.     

Optical properties of juniper and lentisk canopies in a coastal Mediterranean macchia shrubland

Light absorbance and reflectance were measured on representative shrubs of two dominant shrub species (Pistacia lentiscus and Juniperus phoenicea) of coastal Mediterranean macchia ecosystems in Sardinia (Italy). An array of 64 calibrated photodiodes was adopted for both calculations of leaf area index (LAI) and canopy transmittance of photosynthetic active radiation (PAR). PAR and NIR reflectance of canopies having similar LAI allowed us to establish the particular optical properties of each species. Lentisk reflected twice as much as juniper in the 700-1,100 spectral region. Water indexes of the two species were also different in relation to leaf water content and red edge amplitude appeared to be related to chlorophyll content. Epidermis and mesophyll structures of both species are shown.     

盖度与冠层水深对沉水植物水盾草光谱特性的影响

遥感技术可应用于大尺度实时监测沉水植物的分布与生长状况。然而沉水植物的光谱特征受其冠层在水下深度的影响,从而影响湖泊和河流中沉水植物的遥感影像解译与信息提取。应用地物光谱仪,通过野外原位测定和室外控制试验,实测了沉水植物水盾草(Cabomba caroliniana)群落冠层在水下不同深度的反射光谱,分析了冠层水深对水盾草反射光谱的影响,并建立了基于光谱反射率和冠层水深的水盾草群落盖度反演模型。研究结果表明(1)不同盖度的水盾草群落光谱反射率的基本特征主要体现在绿光和近红外波段;(2)水盾草群落的光谱反射率与冠层水深基本呈负相关,相同盖度水盾草群落的光谱反射率随冠层水深的增加而减小,在近红外波段尤其明显;(3)水盾草群落冠层水深越小,其盖度与光谱反射率的相关性越强,且水盾草群落盖度越大,其光谱反射率与冠层水深的相关性越显著;(4)水盾草光谱反射率与盖度相关的最佳波段在692—898 nm,与冠层水深相关最佳的波段在710 nm和806 nm附近;(5)在710 nm和806 nm处建立的结合冠层水深的修正模型,无论是回归方程决定系数(R2),还是水盾草群落盖度的反演精度都明显高于仅用光谱反射率反演盖度的简单模型,因此可有效减除冠层水深对反演精度的影响。本研究的结果可为遥感监测沉水植物的分布和动态变化,以及沉水植物生物物理参量反演提供科学依据。     

Analysis of the relationship between the spectral characteristics of maize canopy and leaf area index under drought stress

Maize is one of the most widespread grain crops in the world; however, more than 70% of corn in China suffers some degree of drought disaster every year. Leaf area index (LAI) is an important biophysical parameter of the vegetation canopy and has important significance for crop yield estimation. Using the data of canopy spectral reflectance and leaf area index (LAI) for maize plants experiencing different levels of soil moisture from 2011 to 2012, the characteristics of the canopy reflective spectrum and its first derivative, and their relationships to leaf area index, were analyzed. Soil moisture of the control group was about 75% while that of the drought stress treatment was about 45%. In addition, LAI retrieval models for maize were established using vegetation indices (VIs) and principal component analysis (PCA) and the models were tested using independent datasets representing different soil water contents and different developmental stages of maize. The results showed that canopy spectral reflectances were in accordance with the characteristics of green plants, under both drought stress and at different developmental stages. In the visible band, canopy reflectance for both healthy and damaged vegetation had a green-wavelength peak and a red-wavelength valley; reflectance under drought stress, especially in the green peak (about 550 nm) and the red valley (about 676 nm) was higher than in the control group. In the near-infrared band, the canopy spectral reflectance decreased substantially between 780 and 1350 nm under drought stress. Moreover, the red edge of the spectrum was shifted toward blue wavelengths. The first derivative spectrum showed a double peak phenomenon at the edge of the red band at different developmental stages: the main peak appeared between 728 and 732 nm and the minor peak at about 718 nm. The double peaks become more obvious through the growth and development of the maize, with the most notable effect during the silking and milk stages, after which it gradually decreased. During maize growth, the LAI of all plants, regardless of soil moisture conditions, increased, and the largest LAI also occurred during the silking and milk stages. During those stages, the LAI of plants under different drought stress levels was significantly lower (by 20% or more) than in normal plants with sufficient water supplies. The LAI was highly significantly correlated with canopy spectral reflectance in the bands from 350 nm to 510 nm, from 571 nm to 716 nm, and from 1450 nm to 1575 nm. Also, the LAI was significantly correlated with red edge parameters and several VIs. The Perpendicular Vegetation Index (PVI) had the best correlation with LAI, with a coefficient of determination (R²) of 0.726 for the exponential correlation. Using dependent data, a LAI monitoring model for the maize canopy was constructed using PCA and VI methods. The test results showed that both the VI and PCA methods of monitoring maize LAI could provide robust estimates, with the predicted values of LAI being significantly correlated with the measured values. The model based on PVI showed higher precision under the drought stresses, with a correlation coefficient of 0.893 (n = 27), while the model based on PCA was more precise under conditions of adequate soil moisture, with a correlation coefficient of 0.877 (n = 32). Therefore, a synthesis of the models based on both VI and PCA could be more reliable for precisely predicting LAI under different levels of drought stresses in maize.