基于分数阶微分优化光谱指数的土壤电导率高光谱估算

土壤电导率与含盐量具有高度相关性,精准的土壤电导率监测有助于了解区域土壤的盐渍化程度,对区域盐渍化防治与调控,农业可持续发展以及生态文明建设具有重要意义。为寻求预测土壤电导率的最佳高光谱参数,实现土壤盐分信息的高效监测,本研究对土壤样品进行室内高光谱和电导率测定,利用两波段优化算法对简化光谱指数(nitrogen planar domain index, NPDI)进行波段优化,筛选不同高光谱数据(原始高光谱反射率及其对应的5种数学变换)运算下的最敏感高光谱参数,从而建立土壤电导率高光谱估算模型。结果表明:1)NPDIs与土壤电导率之间的相关性显著,在原数据及其平方根、倒数、对数倒数、1.6阶微分变换形式下,优化光谱指数对土壤电导率的敏感程度更强,相关系数绝对值均超过0.80,且基于1.6阶微分变换的(R_(2020nm)+R_(1893 nm))/R_(1893 nm)波段组合相关系数绝对值最高,达到0.888。2)基于1.6阶微分波段优化的预测模型效果最佳,预测精度为R■=0.84,RMSE_(Pre)=2.07mS/cm,RPD=2.94,AIC=158.11。因此,对高光谱数据的适当数学变换有利于优化光谱指数更好地估算土壤电导率,进一步实现土壤盐渍化高精度动态监测。     

土壤盐分对棉花功能叶气体交换参数和叶绿素荧光参数日变化的影响

2007—2008年在南京农业大学牌楼试验站进行盆栽试验,选择耐盐品种中棉所44和盐敏感品种苏棉12号为材料,试验设置5个土壤盐分水平(0、0.35%、0.60%、0.85%和1.00%),研究土壤盐分对棉花功能叶气体交换参数和叶绿素荧光参数日变化的影响.结果表明:随土壤盐分水平的升高,棉花功能叶中Na+、C l-和Mg2+含量升高,K+和Ca2+含量降低.低于0.35%盐分处理对叶片气体交换参数和叶绿素荧光参数的影响较小,高于0.35%的盐分处理显著降低了棉花功能叶的净光合速率(Pn),提高了棉花功能叶对日间光辐射强度和温度的敏感程度,导致光温抑制现象加重,并改变了Pn和气孔导度(Gs)的日变化趋势,使其由单峰曲线逐渐变为持续下降趋势.随日间光辐射强度和温度的变化,棉花叶片最大光化学效率(Fv/Fm)、光系统Ⅱ(PSⅡ)量子产量(ΦPSⅡ)和光化学猝灭系数(qP)的日变化趋势呈V型曲线,最低值出现在12:00—13:00,非光化学猝灭系数(qN)的日变化趋势呈单峰曲线;盐分处理降低了棉花功能叶Fv/Fm、ΦPSⅡ和qP,提高了qN,且增大了其变化幅度.耐盐品种中棉所44功能叶片中较低的Na+、C l-含量及...     

基于小波变换的土壤有机质含量高光谱估测

利用统计分析方法选取了土壤N、P、K元素含量近似而有机质含量差异较大的样本60个,通过高光谱探测分析获得样本反射率对数的一阶导数光谱,采用Bior 1.3函数进行多层离散小波分解,剔除低频近似信号和高频噪声信号,得到反映土壤理化参数的特征光谱曲线;采用相关分析筛选土壤有机质含量的显著相关波段,基于显著相关波段和特征光谱曲线分别构建土壤有机质含量高光谱多元回归估测模型;通过比较分析,确定了提取土壤有机质特征光谱的最佳小波分解尺度并构建了最佳预测模型.结果表明： 提取土壤有机质特征光谱的最佳小波分解层数是9层,其次是8层和10层;基于小波9层分解特征光谱曲线的有机质含量估测模型最佳,其决定系数（R²）为0.89,比基于显著相关波段构建模型的R²增加了0.31,比基于原始光谱所构建模型的R²增加了0.10.     

基于小波变换的土壤有机质含量高光谱估测术

利用统计分析方法选取了土壤N、P、K元素含量近似而有机质含量差异较大的样本60个,通过高光谱探测分析获得样本反射率对数的一阶导数光谱,采用Bior 1.3函数进行多层离散小波分解,剔除低频近似信号和高频噪声信号,得到反映土壤理化参数的特征光谱曲线;采用相关分析筛选土壤有机质含量的显著相关波段,基于显著相关波段和特征光谱曲线分别构建土壤有机质含量高光谱多元回归估测模型;通过比较分析,确定了提取土壤有机质特征光谱的最佳小波分解尺度并构建了最佳预测模型.结果表明:提取土壤有机质特征光谱的最佳小波分解层数是9层,其次是8层和10层;基于小波9层分解特征光谱曲线的有机质含量估测模型最佳,其决定系数(R2)为0.89,比基于显著相关波段构建模型的R2增加了0.31,比基于原始光谱所构建模型的R2增加了0.10.     

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.     

闽江河口湿地土壤全磷高光谱遥感估算

磷是湿地生态系统必需和限制性元素,利用高光谱遥感数据对其进行估算对实现湿地土壤磷素快速和准确定量具有重要意义。选取闽江河口湿地作为研究区,于2013年5月,采集16个土壤剖面80个样本作为估算与验证模型样本;基于光谱指数建立土壤全磷(TP)含量估算模型,其中光谱指数包括原始光谱反射率(R)、比值土壤指数(RSI)、归一化土壤指数(NDSI)和有机质诊断指数(OII)。此外进一步分析反射光谱与不同形态磷,TP与有机质之间关系,以期初步揭示河口湿地土壤TP估算的机理。研究结果表明,闽江河口湿地土壤TP含量与R相关系数较高的区域分布在360-560 nm,并在406 nm处达到最大值-0.816;光谱指数RSI(R_(430),R_(830))、RSI(R_(460),R_(810))、RSI(R_(560),R_(580))、NDSI(R_(430),R_(830))、NDSI(R_(460),R_(830))、NDSI(R_(560),R_(580))和OII(R_(446))与土壤TP含量均有较高的相关系数,能较好的用于TP含量的估算;各估算模型决定系数(r~2)和均方根误差(RMSE)分别在0.657-0.805和0.052-0.067之间;验证模型r~2和RMSE分别在0.606-0.893和0.037-0.044之间。分潮滩建立TP含量估算模型是可行的,并且能提高部分光谱指数的估算精度。土壤TP含量的估算精度与磷素的组成有关,其中与铁吸附态磷关系较为密切,钙吸附态和铝吸附态磷关系较弱。土壤TP与有机质和氧化还原环境的存在密切关系可能是湿地土壤TP含量估算的重要机理。     

福州市土壤铬含量高光谱预测的GWR模型研究

通过系统分析不同光谱分辨率和光谱变换对土壤铬高光谱预测模型的不确定性影响,筛选出最优的光谱分辨率及光谱变量进行土壤铬含量预测的地理权重回归(GWR)模型构建,利用该模型进行福州市土壤铬含量预测,并将预测结果与普通最小二乘法回归(OLS)结果进行比较分析,探讨GWR模型在土壤铬高光谱预测中的适用性及局限性。结果表明:(1)在10 nm分辨率尺度下,以土壤全铬含量为因变量,反射率的二阶微分和反射率倒数的二阶微分为自变量构建的GWR模型对土壤铬预测的效果最好。GWR模型的R~2和调节R~2分别为0.821和0.716,较OLS模型分别提高了0.529和0.450,而AIC值为720.703,较OLS模型减少了22个单位,残差平方和仅为OLS模型的1/4,说明GWR模型的预测效果较OLS模型有了显著提高。(2)土壤铬预测模型的精度受光谱分辨率影响。对于OLS预测模型来说,3 nm分辨率的模型预测效果最好,而对于GWR预测模型来说,10nm分辨率的模型不仅预测效果最好,其相较于OLS模型的改善作用显著,为土壤铬含量GWR预测的最佳光谱分辨率。(3)光谱的一阶微分变换可以有效增强土壤铬的光谱特征,而其余的光谱变换对土壤铬的光谱特征则未起到增强作用,但可以很好地提高模型的预测效果。(4)研究得出土壤铬GWR模型预测的最佳光谱分辨率为10 nm,为EO-1 Hyperion影像的光谱分辨率,而且随着采样点的增加,GWR模型的预测效果趋于稳定,适合空间异质性大的区域尺度土壤铬预测。故该模型与高光谱影像结合,实现模型从实验室尺度向区域尺度的推广,为格网尺度土壤铬的空间预测提供可能。     

民勤绿洲土壤盐分组成与光谱特征

基于野外采样和实验室分析,研究了民勤绿洲土壤的可溶盐特征。结果表明,表层土壤中阴离子以氯离子和硫酸根离子为主,阳离子以钙离子和镁离子比重较大;民勤表层土壤中硫酸盐矿物居多,硫酸根离子易与阳离子结合形成硫酸盐化合物,而且硫酸根离子与钙、镁离子的相关系数达0.918、0.933,说明土壤中硫酸根离子与钙离子、镁离子是主要的结合方式。采用线性方程拟合土壤浸提液电导率和土壤全盐量的关系,精度较高。通过表层土壤的光谱测量和光谱特征分析,发现反射率一阶微分和反射率对数一阶微分两种变换形式与土壤全盐量的相关性最强。利用多元逐步线性回归方法,以反射率对数一阶微分为自变量的回归方程效果最佳,预测方程的决定系数达到0.789。     

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。     

土耳其斯坦叶螨为害棉叶的生理变化及光谱特征分析

对土耳其斯坦叶螨Tetranychusturkestani(VgarovetNikolski)为害程度不同(0,1,2,3,4级)的棉叶进行光谱测试,并按螨害级数测定光谱测试后棉叶的叶绿素和类胡萝卜素含量。结果表明随着螨害的逐渐加重,棉叶的叶绿素含量逐渐下降,类胡萝卜素含量逐渐上升。光谱测试结果在可见光区,绿峰两侧波段的光谱反射率随螨害加重逐渐增大,差异明显;在近红外区,748~863nm波段的光谱反射率随螨害加重逐渐减小,差异极显著。同时,利用一阶微分求取不同螨害级数棉叶的红边并计算红边参数,通过分析发现,棉花受叶螨危害后单叶光谱的红边发生明显的蓝移现象,红边振幅、红边振幅与最小振幅的比值以及红边峰值面积的值随着螨害加重逐渐减小,结果认为红边能很好地反映棉叶受棉叶螨危害的程度。     

基于高光谱数据的互花米草叶片功能性状反演

互花米草成功入侵的关键是其生长繁殖能力以及对环境的适应能力,叶片含水率、相对叶绿素含量、碳氮比、总氮、总磷以及比叶面积等叶片功能性状反应的是互花米草对资源的利用能力以及环境的适应能力。以江苏盐城滨海湿地为研究对象,进行互花米草叶片功能性状与高光谱数据的关系研究。通过对原始光谱数据以及一阶微分转换光谱数据进行主成分分析提取新的主成分变量作为自变量分别建立不同性状的逐步回归、BP神经网络、支持向量机、随机森林4种预测模型,通过比较构建模型的R²以及RMSE选择最优模型,进而基于相关性分析得到的敏感波段构建最优模型,验证其准确性和适用性。研究结果发现：（1）一阶微分数据的建模效果优于原始光谱数据;（2）通过对不同功能性状的预测建模,发现4种模型的预测效果排序为：随机森林>支持向量机>BP神经网络>逐步回归,其中随机森林模型的准确性高、稳定性强,明显优于其他3种模型,而逐步回归模型的效果最差,不适用于互花米草叶片功能性状的高光谱建模;（3）通过对相关性分析得到的敏感波段建立随机森林模型,建模R²均大于0.90,验证R²介于0.73-0.95之间,进一步证实了随机森林模型的准确性和稳定性。研究结果表明,高光谱数据可以作为快速监测互花米草生长状况的有力手段,而随机森林模型可以作为高精度模型实现对互花米草不同叶片功能性状的估测。     

Relationships between soil bulk electrical conductivity and the principal component analysis of topography and soil fertility values

Measures of soil electrical conductivity (EC) and elevation are relatively inexpensive to collect and result in dense data sets which allow for mapping with limited interpolation. Conversely, soil fertility information is expensive to collect so that relatively few samples are taken and mapping requires extensive interpolation with large estimation errors, resulting in limited usefulness for site-specific applications in precision agriculture. Principal component (PC) analysis and cokriging can be applied to create meaningful field scale summaries of groups of attributes and to decrease the estimation error of maps of the summarized attributes. Deep (0–90 cm) and shallow (0–30 cm) EC, elevation, and soil fertility attributes were measured in fields under corn (Zea mays L.) and soybean (Glycine max L.) rotations, at two sites in Illinois (IL) and two sites in Missouri (MO). Soil fertility and topography attributes were summarized by PC analysis. The first topography PC (TopoPC1) contrasted flow accumulation against elevation and curvature, to describe the main topographic pattern of the fields. The first soil fertility PC (SoilPC1) consistently grouped together cation exchange capacity (CEC), Ca, Mg, and organic matter (OM). SoilPC1 was well correlated to soil EC for all sites and cokriging with EC had higher r ² in the crossvariogram models compared to ordinary kriging. The second and third soil fertility PCs (SoilPC2 and SoilPC3) were concerned with soil pH and P, and reflected historic land use patterns. Maps of SoilPC2 and SoilPC3 had little relationship to soil EC or topography and so could not be improved by cokriging.     

田间条件下海岛棉和陆地棉花铃期叶片光保护的机制

研究海岛棉(Gossypium barbadense)和陆地棉(G. hirsutum)两个棉花栽培种的光合作用特性, 探讨两个栽培种光合机构的光抑制以及防御保护机制, 以期为新疆棉花高光效品种选育和高产高效栽培实践提供理论基础。在新疆生态气候条件下, 系统测定了海岛棉和陆地棉的叶片运动、叶片接受光量子通量密度(PFD)、叶片温度、叶绿素荧光参数、气体交换参数和光呼吸速率的日变化。研究结果表明: 陆地棉叶片的“横向日性”较强而海岛棉较弱, 导致海岛棉叶片接受PFD较低, 但其叶片温度较高。海岛棉叶片的光合速率和气孔导度均显著低于陆地棉。在8:00-10:00 (北京时间, 下同)海岛棉叶片的光呼吸速率略低于陆地棉, 其余时间段海岛棉和陆地棉叶片的光呼吸速率相似。不同栽培种间, 叶片的最大光化学效率和实际光化学效率的日变化均无明显差异。除14:00-16:00以外, 海岛棉叶片的表观电子传递速率和光化学猝灭系数均显著低于陆地棉。8:00以后, 海岛棉叶片的非光化学猝灭显著高于陆地棉。因此, 在新疆生态气候条件下, 海岛棉和陆地棉叶片“横向日性”运动能力和气孔导度的差异导致叶片所处的光温环境不同, 同时造成海岛棉叶片的碳同化能力较低。为阻止光合电子传递链的过度还原, 减轻光合机构的光抑制, 陆地棉叶片主要通过光合机构的电子流途径耗散激发能, 而海岛棉叶片通过热耗散途径和相对较高的光呼吸能力来耗散激发能。     

松嫩平原苏打盐渍化旱田土壤表观电导率空间变异

在松嫩平原西部吉林省大安市乐胜乡,于2013年4月20日选择盐碱程度不均一的典型盐渍化旱田地块,面积为4.8 hm~2作为研究样地。利用EM38大地电导率仪测定结合田间定点采样,并通过经典统计和地统计相结合的方法研究了盐渍化旱田土壤表观电导率空间变异特征,分析了土壤表观电导率与土壤盐碱指标之间的关系。结果表明,盐渍化旱田土壤水平方向表观电导率(EC_h)经对数转换后具有强空间自相关,其变异特征主要是与地形地貌和水文状况等结构性因素有关。垂直方向表观电导率(EC_v)经对数转换后具有中等空间自相关性,其变异特征受结构性因素和随机因素共同作用。EC_h和EC_v半方差模拟的最优模型分别为球状模型和指数模型。Pearson分析表明土壤表观电导率(EC_h和EC_v)与土壤盐碱指标EC_(1∶5)、pH_(1∶5)、SAR、SC、Na~+、CO_3~(2-)、HCO_3~-呈正相关关系(P0.05),EC_h与土壤盐碱指标相关系数均大于EC_v。在实际应用中可以用EC_h来指示土壤的盐碱程度。回归分析表明土壤表观电导率(EC_h和EC_v)与土壤盐碱指标呈线性相关,且EC_h回归模型的决定系数均大于EC_v回归模型的决定系数,可用水平方向土壤表观电导率(EC_h)来计算土壤盐碱指标,进行土壤盐渍化的快速评估。     

Changes in the level of tubulin subunits during development of cotton (Gossypium hirsutum) fiber

The levels of tubulin protein in developing cotton ( Gossypium hirsutum L. cv. Stoneville 825) fibers were measured from 8 to 28 days post-anthesis using commercially available monoclonal antibodies against alpha- and beta-tubulin. As the monoclonal antibodies against alpha- and beta-tubulin were prepared from yeast tubulin and chick brain tubulin, respectively, indirect immunofluorescence microscopy was used to establish that the two monoclonal antibodies recognized microtubule structures in cotton fibers. Western blots of electrophoretically separated proteins in crude extracts of cotton roots and fibers showed that single polypeptides with the expected apparent molecular weight for tubulin subunits were recognized by the antisera. An enzyme-linked immunosorbent assay was used to quantify tubulin levels. From 10 to 20 days post-anthesis the level of tubulin protein increases approximately three-fold. After 20 days post-anthesis, the amount of tubulin relative to total fiber protein reaches a plateau or decreases slightly. The rapid rise in tubulin is correlated with the elongation of the fiber and an increase in cellulose synthesis.     

Effects of ultraviolet-B radiation on cotton (Gossypium hirsutum L.) morphology and anatomy

Cotton (Gossypium hirsutum L.) crop, cultivated between 40 degrees N and 40 degrees S, is currently experiencing 2-11 kJ m-2 d-1 of UV-B radiation. This is predicted to increase in the near future. An experiment was conducted to study the effect of enhanced UV-B radiation on vegetative and reproductive morphology and leaf anatomy of cotton in sunlit, controlled environment chambers. From emergence to harvest, cotton plants were exposed to 0, 8 or 16 kJ m-2 d-1 of UV-B in a square wave approach for 8 h from 0800 to 1600 h. Changes in plant height, internode and branch length, mainstem node number, leaf area, length and area of petals and bracts, and anther number per flower were recorded. Epidermal cell and stomatal density, stomatal index, leaf thickness, and epidermal, palisade and mesophyll tissue thickness were also measured. Initial chlorotic symptoms on leaves turned into necrotic patches on continued exposure to enhanced UV-B. Exposure to high UV-B reduced both vegetative and reproductive parameters and resulted in a smaller canopy indicating sensitivity of cotton to UV-B radiation. Enhanced UV-B radiation increased epicuticular wax content on adaxial leaf surfaces, and stomatal index on both adaxial and abaxial leaf surfaces. Leaf thickness was reduced following exposure to UV-B owing to a decrease in thickness of both the palisade and mesophyll tissue, while the epidermal thickness remained unchanged. The vegetative parameters studied were affected only by high levels of UV-B (16 kJ m-2 d-1), whereas the reproductive parameters were reduced at both ambient (8 kJ m-2 d-1) and high UV-B levels. The study shows that cotton plants are sensitive to UV-B at both the whole plant and anatomical level.