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.     

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.     

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。     

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。     

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。     

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。     

利用水稻冠层光谱特征诊断土壤氮素营养状况

系统测定了不同秸秆还田和氮肥处理下水稻(Oryza sativa)关键生育期的冠层反射光谱及土壤速效氮含量,并对两者之间的关系进行了详尽的分析。结果表明: 土壤速效氮含量在整个水稻生育期内均与可见光波段反射率呈负相关,与近红外波段反射率呈正相关。归一化及比值植被指数与土壤速效氮含量有更好的相关性,分蘖期要优于其它生育时期,以870、1 220 nm波段与560和710 nm波段的组合最佳,但两者的关系易受土壤等背景的干扰。而转换型土壤调节植被指数TSAVI能较好地消除分蘖期土壤背景的影响,两生态点可用统一的方程来拟合,用该研究中所筛选出的最佳波段组合计算出的TSAVI的表现更好,尤其是870 nm波段和710 nm波段的组合,决定系数(R²)由0.46提高到0.60。抽穗期和灌浆期由1 220和760 nm计算的比值指数R(1 220, 760)和新土壤调节植被指数SAVI(1 220,760)与土壤速效氮含量的关系则不受生态点的影响,可用统一回归方程来拟合。这说明水稻冠层反射光谱可以用来评价稻田土壤肥力状况,但仍需进一步研究。     

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。     

玉米农田冠层光合参数的多光谱遥感反演

冠层光合参数的准确定量遥感反演是生态系统遥感模型的核心与关键。基于2011年玉米(Zea mays)整个生长发育期的冠层光谱反射率、生态系统CO₂通量、微气象因子以及玉米光合生理生态指标的观测数据, 开展了玉米农田生态系统冠层光合能力(P_max, 最大光合速率)与光合效率(ε_N, 净CO₂通量交换/吸收光合有效辐射(NEE_CO2/APAR); ε_G, 总初级生产力/吸收光合有效辐射(GPP/APAR); α, 表观量子效率)参数的多光谱遥感反演能力评估研究。结果表明, P_max和α在整个生长季呈现单峰型变化趋势, 分别于7月底、8月初达到峰值, 而光合效率参数ε_N和ε_G在玉米营养生长早期数值较高, 随着玉米生长发育迅速降低, 而后呈现单峰型的变化趋势, 峰值出现时间基本与P_max最大值发生时间一致。基于两波段任意组合的遥感植被指数NDVI (normalized difference vegetation index)、RVI (ratio vegetation index)、WDRVI (wide dynamic range vegetation index)、EVI2 (2-band enhanced vegetation index)和CI (chlorophyll index)与玉米冠层4个光合参数的统计分析表明, EVI2对冠层光合效率与光合能力参数的反演与表征效果最佳。研究表明, 多光谱遥感信息对玉米生态系统冠层光合参数的变异具有较强的敏感性, 可以用来监测玉米冠层光合作用的季节动态变化以及准确定量评估作物生产力和生态系统CO₂交换能力。     

水稻冠层高光谱特征变量与叶片叶绿素含量的相关性研究

为了探讨水稻冠层光谱对叶片叶绿素含量的响应规律,以双季早稻为材料,设置不同施氮量处理的田间试验,测定水稻冠层光谱和叶片叶绿素含量,计算基于冠层反射光谱的特征变量,研究水稻冠层高光谱特征变量与叶片叶绿素含量之间的关系。结果表明:施用氮肥对反射光谱有明显的影响,在可见光范围内,不施氮处理的反射率高于施氮处理,尤其在波长550 nm左右的绿峰处显著增加,在近红外区反射率随施氮量的增加而增加;与叶绿素含量相关性较好的光谱位置参数是红边位置和红谷反射率,随着叶绿素含量的增加,红谷反射率降低,红边位置向长波方向移动;比值植被指数R800/R550、R750/R553和R990/R553,以及色素比值指数PSSRa、PSSRb与chla、chlb、chl(a+b)呈极显著正相关,可以作为水稻冠层叶片叶绿素监测的特征变量。     

Estimation of leaf nitrogen content from spectral characteristics of rice canopy

Ground-based remotely sensed reflectance spectra of hyperspectral resolution were monitored during the growing period of rice under various nitrogen application rates. It was found that reflectance spectrum of rice canopy changed in both wavelength and reflectance as the plants developed. Fifteen characteristic wavebands were identified from the apparent peaks and valleys of spectral reflectance curves, in accordance with the results of the first-order differentiation, measured over the growing season of rice. The bandwidths and center wavelengths of these characteristic wavebands were different among nitrogen treatments. The simplified features by connecting these 15 characteristic wavelengths may be considered as spectral signatures of rice canopy, but spectral signatures varied with developmental age and nitrogen application rates. Among these characteristic wavebands, the changes of the wavelength in band 11 showed a positive linear relationship with application rates of nitrogen fertilizer, while it was a negative linear relationship in band 5. Mean reflectance of wavelengths in bands 1, 2, 3, 5, 11, and 15 was significantly correlated with application rates. Reflectance of these six wavelengths changed nonlinearly after transplanting and could be used in combination to distinguish rice plants subjected to different nitrogen application rates. From the correlation analyses, there are a variety of correlation coefficients for spectral reflectance to leaf nitrogen content in the range of 350-2400 nm. Reflectance of most wavelengths exhibited an inverse correlation with leaf nitrogen content, with the largest negative value (r = -0.581) located at about 1376 nm. Changes in reflectance at 1376 nm to leaf nitrogen content during the growing period were closely related and were best fitted to a nonlinear function. This relationship may be used to estimate and to monitor nitrogen content of rice leaves during rice growth. Reflectance of red light minimum and near-infrared peak and leaf nitrogen content were correlated nonlinearly.     

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.     

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。     

油菜光合器官面积与导数光谱特征的相关关系

 运用导数光谱分析技术,研究了不同氮肥水平下不同品种油菜(Brassica napus)的 叶面积指数（Leaf area index, LAI）及角果皮面积指数 （Pod area index,PAI ）与冠层导数光谱及其衍生参数的定量关系。结果表明,油菜导数光谱与花前LAI和花后PAI均有良好的相关关系,在 750 nm附近相关关系最好,相关系数达到0.9左右。三边参数与油菜LAI和PAI的相关性顺序为：红边＞黄边＞蓝边,面积参数＞振幅参数＞位置 参数。油菜红边导数光谱的双峰现象降低了红边位置对油菜LAI和PAI的敏感程度,利用线性外推法拟合红边位置能 提高其对油菜LAI和PAI的敏 感程度。在三边参数及其衍生参数中,红边面积及其与蓝边面积的差与LAI及PAI的相关性最好,且适用于该研究中使用的不同品种。因此,750 nm 处的一阶导数光谱、红边面积及其与蓝边面积的差可用于有效地监测油菜的光合器官面积。     

基于连续统去除法的水稻氮素营养光谱诊断

该文将矿质分析及岩石光谱特征分析中普遍使用的连续统去除法引入水稻(Oryza sativa)叶片反射光谱特征的分析中。分析连续统去除光谱反射率和连续统去除一阶微分光谱,发现随着氮素水平的增加连续统去除光谱反射率下降。分析连续统去除光谱吸收特征参数与叶片全氮量相关性,这些参数包括:吸收峰左半端的面积(A₁)、吸收峰整体面积(A)、对称度(S)和连续统去除最小反射率(D_hc),结果表明连续统去除光谱吸收特征参数与叶片全氮量之间负相关性显著(均通过0.01水平的显著相关检验)。考虑到氮素营养在植物体内转移的营养原理,在分蘖期、孕穗期和抽穗期这3个关键生育期内分别针对水稻第一完全展开叶和第三完全展开叶建立连续统去除光谱吸收特征参数评价水稻氮素营养的回归模型。结果表明在估算第三完全展开叶氮素营养时,3个生育期内建模使用的回归量均为吸收峰整体面积A,而且在3个生育期内模型的决定系数较高且比较稳定。但是,第一完全展开叶建模使用的回归量(续统去除光谱吸收特征参数)不完全一致,这可能是由于氮素营养在植物体内转移导致。尽管连续统去除法诊断水稻氮素营养的一些机理还有待于进一步深入研究,但是该研究证明了运用水稻鲜叶片连续统去除反射光谱进行定性和定量评价水稻氮素营养在方法上是可行的。     

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.     

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.