平稳小波变换在冬小麦SPAD高光谱监测中的应用

在2010与2011年度冬小麦生长季通过大田小区试验,利用ASD便携式野外光谱仪和SPAD 502叶绿素计实测冬小麦冠层的高光谱反射率与SPAD值.分析不同SPAD值下的冬小麦冠层光谱特征,建立了基于归一化植被指数（NDVI）与比值植被指数（RVI）、小波能量系数的不同生育期冬小麦SPAD估算模型.结果表明： 随着SPAD值的增大,“绿峰”与“红谷”特征愈加明显.在冬小麦返青期、拔节期、抽穗期、灌浆期NDVI估算SPAD的效果较好,估算模型的R²分别为0.7957、0.8096、0.7557、0.5033.小波能量系数回归模型可以提高冬小麦SPAD的估算精度,在返青期、拔节期、抽穗期、灌浆期以高频、低频小波能量系数为自变量的冬小麦SPAD估算模型的R²分别达到0.9168、0.9154、0.8802、0.9087.     

臭氧胁迫冬小麦叶片高光谱特征和叶绿素含量估算

为无损、快速监测臭氧胁迫下冬小麦叶片叶绿素含量,建立叶绿素含量与光谱指标的定量关系,基于自由式臭氧浓度增加系统平台观测了臭氧浓度升高下拔节期、开花期及灌浆期冬小麦叶片的叶绿素含量和光谱特征。通过线性回归、人工神经网络(ANN)以及偏最小二乘回归(PLSR)模型对臭氧胁迫下叶片高光谱特征进行了叶绿素含量的估算。结果表明：臭氧胁迫冬小麦叶片的光谱曲线特征出现绿峰“红移”和红边位置“蓝移”现象。相比于拔节期和开花期,小麦叶片在灌浆期受到臭氧的影响更大。臭氧胁迫下叶绿素含量与部分光谱特征参数及遥感植被指数存在显著相关关系,所有模型均取得了较高的估算精度(R²>0.8),其中以光谱特征参数为建模参量的偏最小二乘回归模型精度最高。该方法可用于臭氧胁迫下冬小麦叶片叶绿素含量的估测,动态监测作物的臭氧胁迫。     

基于高光谱遥感的小麦冠层叶片色素密度监测

作物叶片色素状况是评价植株光合效率和营养胁迫的重要指标,冠层叶片色素密度（单位土地面积叶片色素总量）的实时无损监测对作物生长诊断、产量估算及氮素管理具有重要意义。以包括不同品质类型（高蛋白、中蛋白和低蛋白）的多个小麦品种在不同施氮水平下的连续2a大田试验为基础,研究了小麦叶片色素密度与冠层高光谱参数的定量关系。结果表明,叶片色素（叶绿素a、叶绿素b、叶绿素a＋b和类胡萝卜素）密度随施氮水平增加而提高,不施氮处理的叶片色素密度随生育进程而下降,施氮处理的叶片色素密度呈单峰曲线,品种间存在明显差异。群体叶片色素密度的敏感波段主要分布在可见光区,而红边区域导数光谱表现更显著。光谱参数VOG2、VOG3、RVI（810,560）、SRE／SBE和SDr／SDb等与叶绿素密度关系较为密切,线性方程决定系数R^2均在0．858以上,而与类胡萝卜素密度关系减弱,决定系数R^2低于0．780,且参数间差异较小。经独立试验资料的检验表明,VOG2、VOG3、SRE／SBE和SDr／SDb对不同色素的估测结果较好,预测相对误差RE低于17．6％,虽然对叶绿素b的准确性稍低。总体上,光谱参数VOG2、VOG3、SRE／SBE和SDr／SDb与小麦群体叶片色素密度关系密切,特别是对叶片叶绿素a和叶绿素a＋b的密度可以进行准确可靠的实时监测。     

基于高光谱遥感的小麦叶片氮积累量

作物氮素状况是评价长势、提高产量和改善品质的重要指标,因此叶片氮积累量的实时无损估测对作物生产的氮素管理具有重要意义.以多个小麦品种在不同施氮水平下的连续3a大田试验为基础,研究了小麦叶片氮积累量与冠层高光谱参数的定量关系.结果表明,冠层叶片氮积累量随着施氮水平的提高而增加,光谱反射率在不同叶片氮积累量水平下发生相应的变化.叶片氮积累量的敏感波段主要存在于近红外平台和可见光区,其中,\"红边\"区域表现最为显著.通过微分等技术构造多种植被指数,对高光谱参数和叶片氮积累量间进行相关回归分析,SDr/SDb、FD742和AVHRR-GVI 3个参数与叶片氮积累量关系最密切,方程拟合决定系数R2分别为0.9163、0.9097和0.9142,估计标准误差SE分别为1.165、1.079和1.077.经不同年际独立数据的检验表明,利用光谱参数FD742建立的模型对叶片氮积累量的估测精度为0.8449,预测的RMSE为0.984;红边位置REPIG对叶片氮积累量的估测精度和预测的RMSE分别为0.8394和1.014,表明预测值与观察值之间符合精度高,比较而言,FD742为自变量建立的模型可以更好地评估不同条件下叶片氮素积累状况.     

基于叶面积指数反演的区域冬小麦单产遥感估测

利用定量遥感技术反演的叶面积指数（LAI）在中国北方黄淮海地区典型县市进行冬小麦单产预测研究.为提高数据质量和减少估产误差,利用Savitzky-Golay滤波技术降低云对NDVI数据的影响及数据缺失;通过冬小麦实测LAI进行时序内插,模拟得到实测点每日冬小麦LAI,继而获得实测点主要生育时期平均LAI;在此基础上,建立了冬小麦主要生育时期平均LAI与作物单产关系模型,改变目前利用生育时期内某一时间点LAI代替整个生育时期LAI的方法;在模型择优基础上,得到最佳遥感估产关键期--开花期LAI与单产统计模型;最后,利用MODIS-NDVI经验模型反演得到的开花期平均LAI进行2008年冬小麦单产预测.结果表明：与地面实测的冬小麦单产相比,研究区估产平均相对误差为1.21%,RMSE达到257.33 kg·hm^-2,可以满足大范围估产的要求.利用上述方法可以在研究区冬小麦收获前20～30 d进行准确的单产估计.     

不同水分条件下施磷对冬小麦穗花结实及光合特性的影响

为探究不同水分条件下施磷肥对冬小麦光合及结实特性的调控效应,明确施磷调控光合生产力促进穗花发育成粒的机制,于2020-2022年设置3种水分处理(W0:重度干旱;W1:中度干旱;W2:正常水分)和2种磷肥处理(P0:不施磷;P1:施磷)的盆栽试验,以大穗型品种周麦16(V1)和多穗型品种豫麦49-198(V2)为试验材料,通过测定不同穗位(基部、中部和顶部)的可孕小花数、结实数以及叶片净光合速率、叶绿素、叶绿素荧光参数、蔗糖含量等,分析不同水分条件下磷素对两类型品种冬小麦光合及结实特性的影响。结果表明,施磷肥可以有效增加冬小麦开花期(W10时期)可孕小花数,尤其对基部穗位的可孕小花数提升效果最显著(13.74%-27.01%),其次是顶部(9.57%-20.19%),再次是中部(6.97%-14.01%)。对成熟期的结实粒数而言,施磷肥可以提高干旱胁迫下每穗的小穗数以及各小穗的结实数,进而显著提高每穗的结实粒数。此外,施磷肥可以有效提高两类型品种叶片净光合速率、叶绿素含量、光系统II最大光化学效率(F_v/F_m)和实际光化学效率(Φ_PSII);对蔗糖含量的影响因水分而异,干旱处理下增施磷肥降低了蔗糖含量,正常水分条件下则增加了蔗糖含量。将两类型品种光合指标分别与可孕小花数和穗粒数进行通径分析发现,5个光合指标与可孕小花数和穗粒数均呈正相关,其中净光合速率和蔗糖与可孕小花数的直接通径系数为1.001和0.435,与穗粒数的直接通径系数为0.996和0.626,远高于其他指标。最终,施磷通过增加穗数、穗粒数以及千粒重来显著增加产量,其中穗粒数在不同水分下均达到显著水平,穗数在W1和W2处理下显著,千粒重提升效果不显著。综上所述,在不同水分条件下施磷肥均可以通过调控冬小麦的光合性能提高其光合生产力,以维持正常的生理代谢功能,从而减少可孕小花的退化和败育以促进穗花成粒,最终达到缓解干旱胁迫危害以实现高产稳产的目的。研究结果为小麦生产中合理施用磷肥缓解干旱胁迫提供理论依据和技术支撑。     

滨海盐土土壤水分的高光谱参数及估测模型

基于滨海盐土5个试验点的土壤含水量和室内土壤表面高光谱反射率,综合分析了350～2500 nm波段范围内土壤含水量与土壤光谱之间的关系,并基于比值光谱指数(RSI)、归一化光谱指数(NDSI)和差值光谱指数(DI)确定了光谱参数,进而构建土壤含水量估测定量模型.结果表明： 滨海盐土原始光谱反射率与土壤含水量呈显著负相关关系,且最大负相关出现在1930 nm(r=0.86)附近.对RSI、NDSI和DI的直线回归方程、幂函数回归方程进行对比,以RSI(R₁₄₀₇,R₁₄₅₉)为自变量构建的土壤含水量指数函数线性回归方程决定系数最大(0.780),标准误较小(0.016),拟合方程为y=0.00001e^9.72053x.估测模型能够更好地监测滨海盐土土壤水分状况.基于RSI(R₁₄₀₇,R₁₄₅₉)构建的模型可实现对江苏省滨海盐土土壤水分的精确监测.     

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.     

施氮对半湿润农田冬小麦冠层叶片氮素含量和叶绿素相对值垂直分布的影响

选用半湿润地区土垫旱耕人为土和冬小麦品种‘小偃22’,通过田间试验研究了在不同施氮水平下冬小麦不同生育期冠层叶片含氮量、叶绿素相对值的垂直分布规律,并分析了它们与小麦穗粒重的相关性。结果表明,小麦各生育期冠层叶片含氮量从上至下呈明显递减规律,并且均随施氮量增加含氮量逐渐提高,倒一叶平均比倒二叶高15.83%,倒二叶平均比倒三叶高25.79%;随着施氮量增加,各叶位间叶片含氮量梯度差在拔节期和孕穗期相对稳定,而倒二叶与倒三叶含氮量梯度在成熟期逐渐加大。冠层叶片叶绿素相对值的垂直分布规律与含氮量相似,倒一叶平均比倒二叶高6.5%,倒二叶平均比倒三叶高27.43%。叶片叶绿素相对值与其含氮量呈极显著正相关(r=0.744**,n=234),其间的一元饱和回归方程为ySPAD=87.90xN/(2.29 xN)(R2=0.710);各叶位叶绿素相对值、叶片含氮量均与其穗粒重大多呈显著正相关,并以倒一叶的相关性最密切。研究发现,施氮能提高小麦冠层叶片的含氮量和叶绿素相对值以及它们在叶片间的梯度差,但不能改变它们自上而下逐渐递减的垂直分布规律。     

新一代遥感技术助力生态系统生态学研究

随着气候变化和人类活动的加剧, 生态系统正处于剧烈变化中, 生态学家需要从更大的时空尺度去理解生态系统过程和变化规律, 应对全球变化带来的威胁和挑战。传统地面调查方法主要获取的是样方尺度、离散的数据, 难以满足大尺度生态系统研究对数据时空连续性的要求。相比于传统地面调查方法, 遥感技术具有实时获取、重复监测以及多时空尺度的特点, 弥补了传统地面调查方法空间观测尺度有限的缺点。遥感通过分析电磁波信息从而识别地物属性和特征, 反演生态系统组成、能量流动和物质循环过程中的关键要素, 已逐渐成为生态学研究中必不可少的数据来源。近年来, 随着激光雷达、日光诱导叶绿素荧光等新型遥感技术以及无人机、背包等近地面遥感平台的发展, 个人化、定制化的近地面遥感观测逐渐成熟, 新一代遥感技术正在推动遥感信息“二维向三维”的转变, 为传统样地观测与卫星遥感之间搭建了尺度推绎桥梁, 这也给生态系统生态学带来了新的机遇, 推动生态系统生态学向多尺度、多过程、多学科、多途径发展。因此, 该文从生态系统生态学角度出发, 重点关注陆地生态系统中生物组分, 并分别从生态系统类型、结构、功能和生物多样性等方面, 结合作者在实际研究工作中的主要成果和该领域国际前沿动态, 阐述遥感技术在生态系统生态学中的研究现状并指出我国生态系统遥感监测领域发展方向及亟待解决的问题。     

Chlorophyll Fluorescence Detected Passively by Difference Reflectance Spectra of Wheat （Triticum aestivum L.） Leaf

The chlorophyll fluorescence （CF） signature emitted from vegetation provides an abundance of information regarding photosynthetics activity and has been used as a powerful tool to obtain physiological information of plant leaves in a non-invasive manner. CF is difficult to quantify because the CF signal is obscured by reflected light. In the present study, the apparent reflectance spectra of wheat （Triticum aestivum L.） leaves were measured under illuminations with and without filtering by three specially designed long-wave pass edge filters; the cut-off wavelengths of the three filters were 653.8, 678.2, and 694. l nm at 50% of maximum transmittance. The CF spectra could be derived as the reflectance difference spectra of the leaves under illuminations with and without the long wave pass edge filters. The ratio of the reflectance difference at 685 and 740 nm （Dif685/Dif740） was linear correlated with the CF parameters （maximal photochemical efficiency Fv/Fm, and the yield of quantum efficiency） measured by the modulated fluorometer. In addition, the ratio reflected the water stress status of the wheat leaf, which was very high when water deficiency was serious. This method provides a new approach for detecting CF and the physiological state of crops.     

基于高光谱遥感的小麦叶干重和叶面积指数监测

生物量和叶面积指数(LAI)是描述作物长势的重要参数, 叶干重和LAI的实时动态监测对小麦(Triticum aestivum)生长诊断和管理调控具有重要意义。为分析多种高光谱参数估算小麦叶干重和LAI的效果, 建立小麦叶干重和LAI的定量监测模型, 该研究连续3年采用不同小麦品种进行不同施氮水平的大田试验, 于小麦不同生育期采集田间冠层高光谱数据并测定叶片叶干重和LAI。试验结果显示, 小麦叶干重和LAI随施氮水平的提高而增加, 随生育进程呈单峰动态变化模式。小麦叶干重和LAI与光谱反射率间相关性较好的区域主要位于红光波段(590~710 nm, r<-0.60)和近红外波段(745~1 130 nm, r>0.69)。对于不同试验条件下的叶干重和LAI, 可以使用统一的光谱参数进行定量反演, 其中基于RVI (810, 560)、FD755、GM1、SARVI (MSS)和TC3等光谱参数的方程拟合效果较好。经不同年际独立试验数据的检验表明, 以参数RVI (810, 560)、GM1、SARVI (MSS)、PSSRb、(R_750-800/R_695-740) -1、VOG2和MSR705为变量建立的叶干重和LAI监测模型均给出较好的检验结果。因此, 利用关键特征光谱参数可以有效地评价小麦叶片生长状况, 尤其是光谱参数RVI (810, 560)、GM1和SARVI (MSS)可以对不同条件下小麦叶干重和LAI进行准确可靠的监测。     

大气CO2浓度倍增和施氮对冬小麦光合及叶绿素荧光特性的影响

采用开顶式气室,通过土培盆栽实验研究了不同大气CO2浓度(背景空气浓度375μmol·mol-1和倍增浓度750μmol·mol-1)和氮素水平(不施氮和施氮0.25 g/kg)下两个冬小麦品种(小偃6号和小偃22)主要生育期(拔节、孕穗、扬花、灌浆期)叶片叶绿素含量和荧光动力学参数的变化.结果显示,与背景CO2浓度相比,在不施氮条件下大气CO2浓度倍增处理的小麦叶片出现明显的光合下调现象,而施氮时变化不明显;同时,CO2浓度倍增后小麦各主要生育期叶片叶绿素含量均有不同程度地下降,荧光参数初始荧光(F0)值明显提高,最大荧光(Fm)、可变荧光(Fv)、最大光能转换效率(Fv/Fm)和PSⅡ潜在活性(Fv/F0)值均显著降低.施氮可提高冬小麦各个时期叶片叶绿素含量、Fm、Fv、和Fv/F0值,降低F0值;不施氮条件下,大气CO2浓度倍增对冬小麦各主要生育时期叶绿素含量和荧光参数的影响明显,而施氮后影响微弱.研究表明,大气CO2浓度升高对冬小麦光合速率、叶绿素含量和光系统Ⅱ(PSⅡ)的光合电子传递和潜在活性具有一定抑制作用,通过施氮可以有效地缓解其负面效应.     

不同灌溉量夏玉米叶绿素含量的高光谱特征及其反演

植物叶绿素含量直接影响其光合作用,并与植物的光谱特征密切相关。以夏玉米为研究对象,采用人工控水方法研究了夏玉米七叶期不同灌溉量下冠层叶绿素含量特征及其与光谱特征之间的关系。结果表明：灌溉量越少,夏玉米叶片叶绿素含量越低,冠层光谱反射率越高,绿峰位置\"红移\",而红边位置\"蓝移\"。叶绿素含量与光谱特征参数、植被光谱指数之间存在极显著相关关系,据此建立了冠层叶绿素含量高光谱估算模型,且基于植被指数模型较基于单一光谱特征参数模型模拟效果更好。研究结果可为夏玉米叶绿素含量的快速无损测定以及夏玉米干旱监测提供依据。     

基于光谱指数的喀斯特植物叶片叶绿素含量定量估算

为了探讨适合于喀斯特植物叶片叶绿素含量估算的光谱指数,在总结以往基于光谱指数的植物生化参数估算研究基础上发现,常用光谱指数通常采用差值、比值、归一化以及倒数差值方式来构建。因此,我们通过上述4种光谱指数构建方式对所采集的4种典型喀斯特植物——黄荆(Vitex negundo)、盐麸木(Rhus chinensis)、朴树(Celtis sinensis)和红背山麻杆(Alchornea trewioides)叶片原始光谱反射率及其一阶导数值与同步测定的叶片叶绿素含量进行遍历分析,以期获得最优光谱指数并将其应用于喀斯特植物叶片叶绿素含量定量估算研究。结果表明：(1)常用光谱指数中,改良红边归一化指数(modified red-edge normalized difference vegetation index, mND705)对喀斯特植物叶片叶绿素含量估算效果较好(决定系数为0.45,均方根误差为0.26 mg·g^-1)。(2)虽然荧光比值(fluorescence ratio index, FRI1)和叶绿素吸收面积光谱指数(chlorophyll absorp...     

基于叶绿素荧光参数的小麦叶片叶绿素相对含量估算方法

叶绿素含量是植物学和农业相关研究领域常用的生理指标.叶绿素含量和叶片光合功能密切相关,但是现有的叶绿素含量的测定方法无法实现叶绿素含量和光合功能的同步测定和关联分析.为解决该问题,本研究通过测定35个小麦品种旗叶的SPAD值和叶绿素荧光诱导动力学曲线,分别使用不同时间的快速叶绿素荧光动力学曲线的荧光值,以及33个常用荧...     

一种估测小麦冠层氮含量的新高光谱指数

提出了一种估测小麦冠层氮含量的新高光谱指数--微分归一化氮指数(FD-NDNI)。以FieldSpec Pro FR地物光谱仪采集拔节后至孕穗前小麦的冠层光谱190份,随机抽取142份作为训练集,其余48份作为预测集。将光谱以小波阈值去噪法去噪后,利用其525、570 与730 nm处的一阶导数值,采用差值、比值以及归一化的方法构建了12种光谱指数以实现小麦冠层氮含量的估测,并与mNDVI705、mSR以及NDVI705等22种常用指数进行了比较分析。发现指数FD-NDNI对小麦冠层氮含量的估测结果最佳,其估测模型(指数形式)校正集决定系数(C-R²)与预测集决定系数(P-R²)分别达0.818与0.811,优于mNDVI705等常用指数。进一步分析表明,在各指数中,FD-NDNI对叶面积系数最不敏感,可最有效地避免冠层郁闭度等因素对氮含量估测的影响。为优化结果,采用最小二乘支持向量回归算法(LS-SVR)对模型进行了改进,当模型惩罚系数C与RBF核函数参数g取得最优解6.4与1.6时,其C-R²与P-R²分别提高至0.846与0.838,具有比指数模型更高的精度。结果表明:FD-NDNI是小麦冠层氮含量估测的优选指数,LS-SVR为建模的优选算法。