稻麦叶片氮积累量与冠层反射光谱的定量关系

作物氮素积累动态是评价作物群体长势及估测产量和品质的重要指标,对于作物氮素的实时监测和精确管理具有重要意义。该文以5个小麦(Triticum aestivum)品种和3个水稻(Oryza sativa)品种在不同施氮水平下的3年田间试验为基础,综合研究了稻麦叶片氮积累量与冠层反射光谱的定量关系。结果表明,不同试验中拔节后叶片氮积累量均随施氮水平呈上升趋势;稻麦冠层光谱反射率在不同施氮水平下存在明显差异,可见光区(460~710 nm)反射率一般随施氮水平的增加逐渐降低,近红外波段(760~1 220 nm)反射率却随施氮水平的增加逐渐升高;就单波段而言,810和870 nm处的冠层光谱反射率均与稻麦叶片氮积累量具有相对较高的相关性;在光谱参数中,比值植被指数(Ratio vegetation index, RVI)(870,660)和RVI(810,660)均与稻麦叶片氮积累量具有高度的相关性,且相关系数明显高于单波段反射率,尤其是水稻作物;对于小麦和水稻,均可以利用统一的波段和光谱指数来监测其叶片氮积累量,并可以采用统一的回归方程来描述其叶片氮积累量随单波段反射率和反射光谱参数的变化模式,但若采用单独的回归系数则可以提高稻麦叶片氮积累量估测的准确性。     

利用高光谱参数反演水稻叶片类胡萝卜素含量

为了探讨快速、准确预测水稻(Oryza sativa)叶片类胡萝卜素(Car)含量的敏感光谱波段和光谱指数, 通过实施涉及不同年份、不同生态点、不同施氮水平和不同品种类型的4个田间试验, 于主要生育期同步测定了水稻顶部4张叶片的光谱反射率及Car含量, 系统分析了350-2 500 nm范围内任意两波段组合而成的比值(SR (λ1, λ2))、归一化(ND (λ1, λ2))及已报道的对Car敏感的光谱指数与水稻叶片Car含量间的定量关系。结果表明, 不同Car含量水平下水稻叶片光谱反射率存在着明显变化, 以绿光及红边波段对水稻叶片Car含量变化最为敏感。723 nm附近的波段与近红外波段的比值组合以及713 nm附近的波段与近红外波段的归一化组合可以较好地预测水稻叶片Car含量, 以SR (723, 770)和ND (770, 713)表现最好, 线性拟合R²分别达到0.897和0.898。基于独立的试验资料的检验表明, 预测值和实测值的拟合R²分别为0.856和0.858, 均方根差RMSE均为0.072, 平均相对误差RE分别为11.9%和12.0%, 表明SR (723,770)和ND (770, 713)可有效地估算水稻上部叶片的Car含量。     

不同水氮条件下水稻冠层反射光谱与植株含水率的定量关系

研究了不同土壤水氮条件下水稻 (Oryzasativa) 冠层光谱反射特征和植株水分状况的量化关系。结果表明, 水稻冠层近红外光谱反射率随土壤含水量的降低而降低, 短波红外光谱反射率随土壤含水量的降低而升高。相同土壤水分条件下, 高氮水稻的冠层含水率高于低氮水稻的冠层含水率 ;同一水分条件下, 高氮处理的可见光区和短波红外波段光谱反射率低于低氮处理, 近红外波段光谱反射率高于低氮处理。发现拔节后比值植被指数 (R810 /R460 ) 与水稻叶片含水率和植株含水率呈极显著的线性相关, 模型的检验误差 (RootmeansquareError, RMSE) 分别为 0.93和 1.5 0。表明比值植被指数R810 /R460 可以较好地监测不同生育期水稻叶片和植株含水率。     

Monitoring leaf photosynthesis with canopy spectral reflectance in rice

Non-destructive and rapid method for assessment of leaf photosynthetic characteristics is needed to support photosynthesis modelling and growth monitoring in crop plants. We determined the quantitative relationships between leaf photosynthetic characteristics and canopy spectral reflectance under different water supply and nitrogen application rates. The responses of reflectance at red radiation (wavelength 680 nm) to different water contents and nitrogen rates were parallel to those of leaf net photosynthetic rate (P _N). The relationships of reflectance at 680 nm and ratio index of R(810,680) (near infrared/red, NIR/R) to P _N of different leaf positions and leaf layers in rice indicated that the top two full leaves were the best leaf positions for quantitative monitoring of leaf P _N with remote sensing technique, and the ratio index R(810,680) was the best ratio index for evaluating leaf photosynthetic characteristics in rice. Testing of the models with independent data sets indicated that R(810,680) could well estimate P _N of top two leaves and canopy leaf photosynthetic potential in rice, with the root mean square error of 0.25, 0.16, and 4.38, respectively. Hence R(810,680) can be used to monitor leaf photosynthetic characteristics at different growth stages of rice under diverse growing conditions.     

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。     

Simple and robust methods for remote sensing of canopy chlorophyll content: a comparative analysis of hyperspectral data for different types of vegetation

Canopy chlorophyll content (CCC) is an essential ecophysiological variable for photosynthetic functioning. Remote sensing of CCC is vital for a wide range of ecological and agricultural applications. The objectives of this study were to explore simple and robust algorithms for spectral assessment of CCC. Hyperspectral datasets for six vegetation types (rice, wheat, corn, soybean, sugar beet and natural grass) acquired in four locations (Japan, France, Italy and USA) were analysed. To explore the best predictive model, spectral index approaches using the entire wavebands and multivariable regression approaches were employed. The comprehensive analysis elucidated the accuracy, linearity, sensitivity and applicability of various spectral models. Multivariable regression models using many wavebands proved inferior in applicability to different datasets. A simple model using the ratio spectral index (RSI; R815, R704) with the reflectance at 815 and 704 nm showed the highest accuracy and applicability. Simulation analysis using a physically based reflectance model suggested the biophysical soundness of the results. The model would work as a robust algorithm for canopy‐chlorophyll‐metre and/or remote sensing of CCC in ecosystem and regional scales. The predictive‐ability maps using hyperspectral data allow not only evaluation of the relative significance of wavebands in various sensors but also selection of the optimal wavelengths and effective bandwidths.     

估测水稻叶层氮浓度的新型蓝光氮指数

基于不同氮素水平与品种类型的多个田间试验,综合分析了水稻冠层高光谱植被指数与叶层氮浓度的定量关系.结果表明：对氮反应最敏感的波段为红光665～675 nm、蓝光490～500 nm和红边区域波段680～760 nm.400～2500 nm波段范围内两波段植被指数与水稻叶层氮浓度相关性最好的是550～600 nm与500～550 nm,属绿光波段组合,决定系数（R²）最高的是比值指数SR(533,565).以3个蓝光波段构建的光谱参数R₄₃₄/(R₄₉₆+R₄₀₁)（蓝光氮指数）与水稻叶层氮浓度呈极显著的直线相关关系,与SR(533,565)相比,该参数显著提高了对叶层氮浓度的预测性.独立资料检验结果显示,R₄₃₄/(R₄₉₆+R₄₀₁)对水稻叶层氮浓度具有较好的预测性,检验根均方差（RMSE）和相对误差（RE）值分别为9.67%和8%,是一种适合于水稻叶层氮浓度估测的良好高光谱植被指数.     

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。     

水稻氮素营养高光谱遥感诊断模型

对水稻氮素含量与原始光谱反射率、一阶微分光谱以及高光谱特征参数间的相关性进行了分析,并构建和验证了以遥感参数为自变量的水稻氮素营养诊断模型.结果表明：氮素含量在水稻各器官中总的变化趋势为茎<鞘<穗<叶;各器官在可见光波段的光谱反射能力为叶<穗<鞘<茎,在近红外波段则与此相反.以波长796.7 nm处的光谱反射率和738.4 nm处的一阶微分光谱反射率为自变量的线性模型和指数模型的决定系数（R²）分别为0.7996和0.8606,二者均能较好地诊断水稻氮素营养,但最适合诊断水稻氮素含量的拟合模型是以植被指数的归一化变量（SD_r-SD_b）/（SD_r+SD_b）为自变量构建的水稻氮素营养高光谱遥感诊断模型［y=365871+639323（SD_r-SD_b）/（SD_r+SD_b）,R₂＝0.8755,RMSE＝0.2372,相对误差＝11.36％］,该模型可定量诊断水稻氮素营养.     

小麦叶面积指数与冠层反射光谱的定量关系

在分析不同氮素水平下小麦叶面积指数（LAI）和冠层光谱反射率随生育期变化模式的基础上,确立了LAI与冠层光谱反射率及光谱参数的相关关系,提出了小麦LAI的敏感光谱参数及预测方程.结果表明,小麦LAI和近红外短波段（760～1 220 nm）反射率都随施氮量的增加呈上升趋势,可见光波段反射率则相反;从拔节期到成熟期,LAI和近红外短波段反射率均表现为先上升后下降的趋势,而可见光波段（460～710 nm）反射率随生育期的推进先降低后升高,以孕穗期反射率最低,近红外长波段区域（1 480～1 650 nm）反射率的变化与可见光部分相同.LAI与可见光波段反射率呈负相关,与近红外短波段反射率呈极显著正相关,其中以810 nm相关性最好.可以选择RVI(810,510)和DVI(810,560)作为反演小麦LAI的光谱参数.另外,在证明垂直植被指数PVI和转换型土壤调整指数TSAVI对LAI预测能力的同时,发现利用RVI(810,510)、DVI(810,560)和PVI 3个植被指数共同推算小麦LAI的准确度更高.     

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.     

Identification of optimal hyperspectral bands for estimation of rice biophysical parameters

The present study aims to identify the narrow spectral bands that are most suitable for characterizing rice biophysical parameters. The data used for this study come from ground-level hyperspectral reflectance measurements for five rice species at three levels of nitrogen fertilization during the growing period. Reflectance was measured in discrete narrow bands between 350 and 2 500 nm. Observed rice biophysical parameters included leaf area index （LAI）, wet biomass and dry biomass. The stepwise regression method was applied to identify the optimal bands for rice biophysical parameter estimation. This research indicated that combinations of four narrow bands in stepwise regression models explained 69% to 83% variability for LAI, 56% to 73% for aboveground wet biomass and 70% to 83% for leaf wet biomass. An overwhelming proportion of rice information was in a particular portion of near infrared （NIR） （1 100-1 150 nm）, red-edge （700-750 nm）, and a longer portion of green （550-600 nm）. These were followed by the moisture-sensitive NIR （950-1 000 nm）, the intermediate portion of shortwave infrared （SWlR） （1 650-1 700 nm）, and another portion of NIR （1 000-1 050 nm）.     

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。     

水稻上部叶片叶绿素含量的高光谱估算模型

叶片叶绿素 (Chl) 状况是评价植株光合效率和营养胁迫的重要指标,实时无损监测Chl状况对作物生长诊断及氮素管理具有重要意义.以不同生态点、不同年份、不同施氮水平、不同类型水稻品种的4个田间试验为基础,于主要生育期同步测定了水稻主茎顶部4张叶片的高光谱反射率及Chl含量,并计算了350～2500 nm范围内任意两波段组合而成的比值(SR[λ1,λ2])和归一化(ND[λ1,λ2])光谱指数以及已报道的对Chl敏感的光谱指数,进一步系统分析了叶片Chl含量与上述光谱指数之间的定量关系.结果表明,红边波段的比值和归一化光谱指数可以较好地预测水稻上部4叶的Chl含量(R~2>0.9),但对于不同Chl指标其最佳组合波段有所差异.估算叶绿素a (Chla)、叶绿素总量(Chla+b)和叶绿素b (Chlb)的最佳比值光谱指数分别为SR(724,709)、SR(728,709)和SR(749,745),方程拟合决定系数R~2分别是0.947、0.946、0.905;最佳归一化光谱指数分别为ND(780,709)、ND(780,712)和ND(749,745),R~2分别是0.944、0.943、0.905.引入445 nm波段反射率对上述光谱指数进行修正,可以降低叶片表面反射差异的影响,提高模型的应用范围.利用不同年份独立的试验资料对所建模型进行了检验,结果表明,修正型比值光谱指数 mSR(724,709)、mSR(728,709) 和 mSR(749,745),以及修正型归一化光谱指数mND(780,709)、mND(780,712) 和 mND(749,745) 预测 Chla、Chla+b 和 Chlb 的效果更好,其测试的RMSE分别为 0.169、0.192、0.052、0.159、0.176、0.052,RE分别为8.18%、7.74%、13.01%、8.26%、7.59%、12.96%,均较修正前降低,说明修正后的光谱指数普适性更好.     

小麦叶片氮素状况与光谱特性的相关性研究

 系统分析了不同时相下两个小麦(Triticum aestivium)品种叶片含氮量及叶片氮积累量与冠层光谱反射特征的关系。结果表明,随施氮水平的增加,小麦冠层在可见光区的反射率逐渐降低,而近红外波段的反射率逐渐升高。小麦叶片氮素状况与比值指数或归一化指数显著相关,两个品种表现极为一致,可以用一个指数方程来拟合。分阶段建模并没有提高模型的精度,因此可以建立一个适用于整个生育时期的通用氮素诊断方程。叶片含氮量同光谱指数在整个生育期内的关系要优于叶片氮积累量的,其中,与叶片含氮量关系最佳的指数为红波段(660 nm)和蓝波段(460 nm)的组合(R2>0.80);与叶片氮积累量关系最佳的光谱指数为中红外波段(1 220 nm)与红波段(660 nm)的组合(R2>0.62)。     

Effects of pubescence and waxes on the reflectance of leaves in the ultraviolet and photosynthetic wavebands: a comparison of a range of species

Total reflectance of ultraviolet and photosynthetically effective wavelengths was measured for a range of different leaf types. Two approaches were employed. Firstly, reflectance of monochromatic wavebands at 330 and 680 nm was measured for a total of 45 different species covering a wide range of genera. In the second, specific leaf types that displayed different degrees of reflectance were treated to remove hairs and waxes that contributed to their reflectance. Selected waxy and non‐waxy leaves were also studied in more detail over the spectral range 270–500 nm. It was found that both pubescence (presence of hairs) and glaucousness (presence of a thick epicuticular wax layer) had marked effects on total reflectance. Pubescent leaves tended to be more effective in reflecting longer wavelengths than ultraviolet radiation. The extent of this effect depended on hair type. Glaucous leaves demonstrated that surface waxes were very effective reflectors of both UV and longer wavelength radiation.     

棉花冠层高光谱参数与叶片氮含量的定量关系

建立棉花(Gossypium hirsutum)氮素状况的光谱监测技术对于棉花营养诊断和长势估测具有重要意义。该研究利用冠层高光谱反射率及演变的多种高光谱参数,分析了不同施氮水平下不同棉花品种叶片氮含量与冠层反射光谱的定量关系,建立了棉花叶片氮含量的敏感光谱参数及预测方程。结果显示,棉花叶片氮含量和冠层高光谱反射率随不同施氮水平呈显著变化。棉花叶片氮含量的敏感光谱波段为600~700 nm的可见光波段和750~900 nm的近红外波段,且叶片氮含量与比值植被指数RVI [average (760~850), 700]有密切的定量关系,4个品种的平均决定系数在0.70左右。进一步分析表明,可以用统一的回归方程来描述不同品种、不同生育时期和不同氮素水平下棉花叶片氮含量随反射光谱参数的变化模式,从而为棉花氮素营养的监测诊断与精确施肥提供技术依据。     

水稻高光谱变化特征与叶绿素含量监测研究

叶绿素含量是评价水稻光合效率的重要指标,实时无损监测叶绿素含量对水稻生长诊断具有重要意义。以水稻P88S(绿叶)和黄1S(黄叶)为试验材料,分析高光谱指数与水稻叶绿素含量的关系,并构建冠层反射光谱与水稻叶绿素含量监测模型。研究结果表明:水稻不同叶色的冠层光谱反射率随着植株生长而不断变化,在绿叶材料P88S的502-711 nm和黄叶材料黄1S的487-716 nm可见光波长范围内,叶绿素含量与一阶微分光谱的相关系数呈极显著正相关。以P88S RVI(363,675)和黄1S DVI'(639,680)作为光谱参数,与叶绿素含量建立估算模型拟合效果最佳,说明利用高光谱技术结合一阶微分光谱的方法可以监测水稻叶绿素含量。     

小麦冠层反射光谱与植株水分状况的关系

研究了不同土壤水、氮条件下小麦冠层光谱反射特征与叶片和植株水分状况的相关性．结果表明,在小麦主要生育期,冠层叶片含水率与460～510、610～680和1480～1500nm波段范围内的光谱反射率有较高的相关性,植株含水率与810～870nm波段范围内的光谱反射率密切相关．在整个生长期内,小麦冠层叶片含水率与460～1500nm波段范围内的光谱反射率均有良好相关性,植株含水率与560～1480nm波段范围内光谱反射率的相关性均达到极显著水平．冠层叶片(CL)、上层叶(UL)和下层叶片(LL)含水率与光谱指数的相关程度为CL>LL>UL．冠层叶片和植株含水率与比值指(R(610,560))和光谱指数(R(610,560)／ND(810,610))呈极显著线性负相关,与归一化指数((R810-R610)／(R810+R610))呈极显著线性正相关．其中,用光谱指数(R(610,560)／ND(810,610))监测不同生育期小麦冠层叶片和植株含水率的效果最好。     

Monitoring leaf nitrogen accumulation in wheat with hyper-spectral remote sensing

The water-retaining capacity, percolation and evaporation of stony soil in Liupan Mountains, China, were measured in order to understand the effect of rock fragments on soil hydrological processes. The results indicated that the effective water-retaining capacity of soil is positively related with the volumetric content of rock fragments, but there is no relation between saturated water-retaining capacity and rock fragment content. For the soil layers within 0–40 cm, the steady infiltration rate increases with increasing volumetric content of rock fragments until it reaches the range of 15%–20%, and then it decreases when the rock fragment content further increases. For the soil layers below 40 cm, the steady infiltration rate always increases with increasing rock fragment content. The soil evaporation rate decreases with increasing volumetric content of rock fragments when it varies in the range of 0–20%, while the soil evaporation rate keeps basically stable when the rock fragment content is higher than 20%. The soil evaporation rate shows a rising tendency with increasing size of rock fragments.