基于光谱指数的植物叶片叶绿素含量的估算模型

叶绿素是光合作用能力和植被发育阶段的指示器,是监测湿地植被生长健康状况的重要指标之一;高光谱遥感技术可以为植物叶绿素含量的定量化诊断提供简便有效、非破坏性的数据采集和处理方法。为保证被探测叶片面积相同,消除背景反射、叶片表面弯曲造成的光谱波动及叶片内部变异造成的影响,研究采用Field Spec 3光谱仪加载手持叶夹式叶片光谱探测器,测定野鸭湖湿地典型植物的叶片高光谱反射率数据,同时通过分光光度计室内测定相应叶片的叶绿素含量。采用相关性及单变量线性拟合分析技术,建立二者的关系模型,包括叶绿素含量与"三边"参数的相关模型以及比值光谱指数(SR)模型和归一化差值光谱指数(ND)模型,并采用交叉检验中的3K-CV方法对估算模型进行模型精度检验。结果表明:植物叶片叶绿素含量与"三边"参数大多都呈极显著相关,相关系数最大达到0.867;计算光谱反射率组成的比值(SR)和归一化(ND)光谱指数与叶绿素含量的决定系数,总体相关性比较高,较好的波段组合均为550—700nm与700—1400nm以及550—700nm与1600—1900nm,与叶绿素含量相关性最好的指数分别是SR(565nm,740nm)和ND(565nm,735nm)。并通过选取相关性最佳的光谱特征参数,分别基于"三边"参数和ND模型指数构建了植物叶片叶绿素含量的估算模型。其中,基于红边位置(WP_r)光谱特征参数和ND(565nm,735nm)光谱指数建立的叶绿素含量估算模型,取得了较好的测试效果,检验拟合方程的决定系数(R2)都达到0.8以上,估算模型分别为y=0.113x-78.74,y=5.5762x+4.4828。通过3K-CV方法进行测试和检验,植物叶绿素含量估算模型均取得了较为理想的预测精度,预测精度的分别为93.9%及90.7%。高光谱遥感技术对植被进行微弱光谱差异的定量分析,在植被遥感研究与应用中表现出强大优势,为植物叶绿素含量诊断中的实际应用提供了重要的理论依据和技术支持。     

基于最佳波段判别的湿地植物叶片全氮反演研究

利用高光谱遥感技术定量估测湿地植被叶片全氮含量,对于监测和诊断湿地植被的生理状况及生长趋势具有重要意义。但叶片氮素遥感诊断研究多存在反演模型过拟合、入选波段与生化参量间因果关系不明确和入选变量间"多重共线性"等局限。以芦苇(Phragmites australis)和香蒲(Typha angustifolia)叶片全氮含量作为研究对象,通过谱带分区,分区最佳波段选取和偏最小二乘回归相结合的方法构建芦苇和香蒲叶片全氮含量反演模型,并利用交叉验证决定系数(R2cv)和均方根误差(RMSEcv)对模型精度进行检验,尝试克服传统反演方法中的不足。结果表明,不同湿地植物类型相比,利用芦苇反射光谱建立的预测模型精度都高于香蒲。不同回归模型相比,一阶导数光谱-偏最小二乘回归模型(FDS-PLSR)精度远高于原始光谱-偏最小二乘回归模型(OS-PLSR)。芦苇最佳模型交叉验证决定系数(R2cv)达到了0.84,方根误差(RMSEcv)为0.10,香蒲最佳模型交叉验证的决定系数(R2cv)达到了0.66,方根误差(RMSEcv)为0.13,是构建湿地植物芦苇和香蒲光谱与叶片全氮含量关系的最佳模型。在不降低湿地植物叶片氮含量反演精度的基础上,有效地避免了传统地物高光谱模型反演中的局限性,是无损害遥感探测方面的有益尝试。     

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...     

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.     

光声光谱法测定植物叶片中的叶绿素含量

在植物生理学研究中常用Arnon法比色测定植物叶片中的叶绿素含量,但该法要通过研磨、提取、定容、比色和计算等一系列步骤。特别是测定样品数量较多时费时较长;同时由于研磨、提取过程中的光照,破坏了部分叶绿素,以致叶绿素含量偏低,各对照组之     

基于因子分析的苜蓿叶片叶绿素高光谱反演研究

因子分析是一种能够将具有错综复杂关系的变量归结为少数几个综合因子的多变量统计分析方法,在降低数据维数的同时又可以保存足够的信息,这为处理信息量丰富但冗余较大的高光谱数据提供了一种有效方法。本文利用2010年9月23日采集的16个样点的苜蓿叶片反射率及叶绿素含量数据,采用因子分析方法,分别提取苜蓿叶片反射率光谱400～900nm,以及可见光400nm～760nm和近红外760～900nm光谱区的公共因子,分析因子载荷分布、载荷总量对公共因子与叶绿素含量相关性的影响。利用逐步回归法建立基于公共因子的叶片叶绿素反演模型,并将反演模型与光谱指数建立的模型进行对比。研究表明,1）公共因子与叶片叶绿素的相关性,在更大程度上是与该因子在各个波段上载荷分布有关,而不是总载荷量;2）对波谱进行分区建立的反演模型略优于全区因子分析建立的反演模型;3）与常用于叶片叶绿素含量反演的光谱指数CARI、MCARI、mND680、mND705、mSR705、TVI、DmSR、BGI、BRI相比,因子分析建立的叶绿素反演模型精度更高。     

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...     

闽江河口湿地秋茄叶绿素含量高光谱遥感估算

叶绿素含量是表征植被胁迫状态的一个重要指示因子,同时也是其它生化参数估算的重要基础,对其进行遥感反演具有重要意义。选取闽江口秋茄(Kandelia candel)作为研究对象,分别于2013年4月和7月采集叶片,室内测定其叶片正面和反面反射光谱,同时测定其叶绿素含量(单位面积含量和单位质量含量)。选取13个常用参数进行敏感性分析,并进一步选取与叶绿素相关系数较高的参数建立估算模型。结果表明,秋茄叶片反面反射率高于正面,尤其在绿光波段和近红外波段部分区域(1450—2450 nm)表现较为明显。对所选取的大部分参数而言,其与单位面积叶绿素含量的相关系数要高于与单位质量叶绿素含量的相关系数;基于正面光谱计算的光谱参数与叶绿素含量的相关系数要高于基于反面光谱计算的光谱参数。估算与验证模型结果进一步表明,TCARI、Vog1、Vog2和Vog3能较好的估算不同生长期秋茄叶片的叶绿素含量。此外,在使用GM、Carter2和PSSRb估算叶片叶绿素含量时,可以适当考虑反面光谱的应用。这些结果也预示着利用高光谱遥感数据估算秋茄叶片叶绿素含量是可行的,并且具有较高的估算精度。     

淹水胁迫下棉花叶片高光谱特征及叶绿素含量估算模型

为即时监测淹水胁迫下棉花功能叶叶绿素含量,确立叶绿素含量与单叶光谱特征参数的定量关系,本文以遮雨棚内蕾期淹水胁迫下的盆栽棉花为研究对象,淹水后每 3 d对棉花叶片进行测定、取样,综合分析叶绿素含量与高光谱特征参数的相关性,并构建和验证叶绿素含量的估算模型.结果表明: 随着淹水胁迫程度的加重,叶片叶绿素含量下降;叶片原始光谱反射率、一阶微分光谱反射率分别在580、697 nm波段附近与叶绿素含量呈显著负相关;利用差值指数和归一化指数建立的估算模型优于单波段线性模型,其中以植被指数(DR₆₉₇-DR₇₃₈)/(DR₆₉₇+DR₇₃₈)为自变量建立的模型棉花单叶叶绿素含量估算值与实测值拟合度最好,拟合系数为0.814,可用于淹水胁迫下棉花单叶叶绿素含量的估测.     

野鸭湖典型湿地植物光谱特征

遥感技术已成为湿地植被识别和分类的重要手段,而深入研究地面植物群落光谱特征对于利用遥感影像的湿地植被分类具有指导意义。以典型淡水湿地——野鸭湖湿地为实验区,测定其典型湿地植物群落的反射光谱,并重采样以模拟OMIS机载成像光谱仪红-近红外的50个波段。在此基础上应用二阶导数的方法得到湿地植物识别的9个最佳波段:515.3,553.1,626.5,687.5,733.9,810.6,821.1,833.0,966.8nm。这些波段可以很好的识别湿地植物类型:沉水植物在810.6,821.1,833.0nm存在独特的吸收/反射特征,与其他湿地植物类型相区别。浮水、挺水、湿生、中生植物相比,浮水植物在515.3nm的吸收特征和553.1nm的反射特征较为突出;浮水、湿生、中生植物在687.5nm的吸收特征与挺水植物相比更为显著,但挺水植物在733.9nm的反射特征尤为明显;湿生植物在626.5nm的吸收特征比浮水、挺水、中生植物更加显著;中生植物缺少在626.5nm的吸收特征,但在966.8nm的吸收特征最为明显。研究成果不仅可以为野鸭湖湿地植被的高光谱遥感数据处理及湿地植被制图提供一定的科学依据,而且可以为淡水湿地植被的遥感识别和分类提供一定的参考、借鉴。     

Estimation of the leaf chlorophyll content using multiangular spectral reflectance factor

Chlorophyll is one of the primary pigments of plant leaves, and changes in its content can be used to characterize the physiological status of plants. Spectral indices have been devised and validated for estimating leaf chlorophyll content (LCC). However, most of the existing spectral indices do not consider the influence of angular reflection on the accuracy of the LCC estimation. In this study, the spectral reflectance factors of leaves from three plant species were measured from several observations in the principal plane. The relationship between the existing spectral indices and the LCC from different directions suggests that the directional reflection of a leaf surface impacts the accuracy of its LCC estimation. Subsequently, the ratio of reflectance differences, that is, the modified Datt index, was tested to reduce the directional reflection effect when predicting LCC. Our results indicated that the modified Datt index not only estimated LCC with high accuracy for all observation directions and plant species but also consistently predicted the LCC of each species in individual observation directions. Our method opens the possibility for optical detection of LCC using multiangular spectral reflection, which is convenient for plant science studies focused on the variation in LCC.     

叶冠尺度野鸭湖湿地植物群落含水量的高光谱估算模型

利用高光谱遥感技术定量估测野鸭湖湿地植被含水量,对于监测和诊断野鸭湖湿地植被的生理状况及生长趋势具有重要意义,也能够为高光谱遥感影像在野鸭湖湿地植被含水量诊断中的实际应用提供理论依据和技术支持.采用Field Spec 3野外高光谱辐射仪,获取了野鸭湖典型湿地植被冠层和叶片的光谱,并测定了对应的含水量.以上述实测数据为基础,首先以芦苇为例初步探明了不同含水量水平下典型湿地植被冠层和叶片光谱反射率的响应模式,然后采用相关性及单变量线性与非线性拟合分析技术,从冠层和叶片两种层次,对不同尺度下的含水量与“三边”参数及高光谱植被指数进行了分析拟合,并采用交叉检验中的3K-CV方法对估算模型进行了测试和检验,确立了不同尺度下野鸭湖湿地植被含水量的定量监测模型.结果表明:(1)随着含水量水平的增加,芦苇冠层与叶片光谱在可见光波段(350-760 nm)和红外波段(760-2500 nm)的反射率均呈逐渐降低趋势.(2)不同尺度含水量与选取的光谱特征参数整体上相关性较强,与“三边”参数基本上都呈极显著相关,相关系数最大达到0.906;与高光谱指数全部呈极显著相关,相关系数最小为0.455,最大达到0.919,并通过选取不同尺度上相关性最佳的光谱特征参数,分别基于“三边”参数和高光谱植被指数构建了不同尺度下的含水量估算模型.其中,冠层尺度下,黄边面积(SDy)与SRWI( Simple Ratio Water Index)的估算效果最好,估算模型分别为y=-9.462x2 -2.671x+0.608和y=0.219e1.010x;叶片尺度下,红边面积(SDr)与WI( Water Index)的估算效果最好,估算模型分别为y=0.562x+0.376和y=2.028x2 -0.476x-1.009.通过3K-CV的交叉验证,不同尺度下的含水量估算模型均取得了较为理想的预测精度,预测精度的最小值为94.92％,最大值为97.06％,表明估测模型具有较高的可靠性与普适性.(3)高光谱植被指数与含水量拟合方程的拟合度相对高于“三边”参数与之建立方程的拟合度,说明多波段组合的光谱特征参数更适合含水量的判别.     

Best hyperspectral indices for assessing leaf chlorophyll content in a degraded temperate vegetation

Extensive studies have focused on assessing leaf chlorophyll content through spectral indices; however, the accuracy is weakened by limited wavebands and coarse resolution. With hundreds of wavebands, hyperspectral data can substantially capture the essential absorption features of leaf chlorophyll; however, few such studies have been conducted on same species in various degraded vegetations. In this investigation, complete combinations of either original reflectance or first‐order derivative spectra we conducted a complete combination on either original reflectance or its first‐order derivative value from 350 to 1000 nm to quantify leaf total chlorophyll (Chll), chlorophyll‐a (Chla), and chlorophyll‐b (Chlb) contents. This was performed using three hyperspectral datasets collected in situ from lightly, moderately, and severely degraded vegetations in temperate Helin County, China. Suitable combinations were selected by comparing the numbers of significant correlation coefficients with leaf Chll, Chla, and Chlb contents. The combinations of reflectance difference (D_ij), normalized differences (ND), first‐order derivative (FD), and first‐order derivative difference (FD(D)) were found to be the most effective. These sensitive band‐based combinations were further optimized by means of a stepwise linear regression analysis and were compared with 43 empirical spectral indices, frequently used in the literature. These sensitive band‐based combinations on hyperspectral data proved to be the most effective indices for quantifying leaf chlorophyll content (R² > 0.7, p < 0.01), demonstrating great potential for the use of hyperspectral data in monitoring degraded vegetation at a fine scale.     

Trade-off between leaf chlorophyll and betacyanins in Suaeda salsa in the Liaohe estuary wetland in northeast China

Aims Pigment composition is an important functional trait that can be affected by environmental factors. The objective of this study was to investigate the effect of soil salinity on pigment composition in Suaeda salsa by comparing chlorophyll and betacyanin content in the Liaohe estuary wetland, a typical coastal wetland in northeast China.Methods We investigated the plant biomass, percentage of red leaves and pigment content (chlorophyll a, chlorophyll b and betacyanins) in S. salsa in intertidal and supratidal zones of the upper, middle and lower reaches of the Liaohe estuary wetlands. The Na + content of both the soil and plant was also measured. Full analysis of variance and multivariate analysis were used to compare differences in pigment content and Na + content between the supratidal and intertidal zones.Important findings Pigment composition was significantly affected by soil salinity. With increasing soil salinity, the percentage of red leaves was higher in the intertidal zone than in the supratidal zone. In all three reaches, plants had lower chlorophyll a content and higher betacyanin content in the intertidal zone than in the supratidal zone. Compared to chlorophyll a, chlorophyll b was less sensitive to soil salinity. There were no differences in chlorophyll b content between the intertidal and supratidal zones in the upper and lower reaches. Furthermore, pigment composition was associated with both the plant tissue and soil Na + content. Compared to the supratidal zone, the intertidal zone had a higher Na + content in plants. There was a negative relationship between plant chlorophyll content and soil Na + content, but a positive relationship between betacyanin content and soil Na + content. Overall, the results indicated that there might be a trade-off between leaf chlorophyll and betacyanin content in S. salsa to maintain its growth and survival in high salinity environments.