新梢旺长期苹果树冠层氮素营养状况的遥感反演

摘要

氮素（N）的快速诊断对作物精准管理和优质高效具有重要意义，而遥感技术以其观测范围广、时效快、信息丰富等优点，逐渐成为了作物营养快速诊断技术方法，使大面积营养状况诊断成为了可能。
　　本研究以山东省烟台栖霞市为研究区，以新梢旺长期苹果树冠层为研究对象，基于SPOT-5卫星遥感影像，结合实测地面苹果树冠层高光谱数据、DEM高程模型数据，在软件ERDAS、ENVI5.1、ARCGIS、DPS、LIBSVM的支持下，反演了苹果冠层反射率；构建了苹果冠层N素含量的敏感光谱指数，建立并筛选了苹果冠层N素含量反演模型；根据苹果冠层反演反射率进行研究区苹果园提取；结合所建的N素反演模型，对研究区苹果园N素含量进行了空间反演。主要研究结果如下：
　　（1）进行了新梢旺长期苹果冠层反射率反演
　　对苹果新梢旺长期的Spot-5遥感影像进行大气校正、正射校正和几何精校正等预处理，采用SCS+C模型对影像进行地形校正，明显减小了大气和地形的影响。利用线性模型进行混合像元分解，得到了苹果冠层的反演反射率。将反演的表观反射率与地表反射率进行比较分析。结果表明，进行地形辐射校正后，得阴影处影像反射率值在绿光、红光和近红外波段反射率以及植被指数得到补偿。将实验样区的实测苹果冠层的反演反射率与苹果表观反射率、苹果地表的反演反射率以及苹果冠层反演反射率进行比较，苹果冠层反演反射率更接近实测反射率；校正后各反演反射率与实测反射率的误差逐级降低；相比各波段误差，红光波段误差由137.222％下降至0.475%，其他波段误差均逐步减小。
　　（2）构建并筛选了氮素敏感光谱指数
　　利用苹果冠层反演反射率，构建了185种光谱指数，与苹果冠层N素含量状况进行相关性分析，筛选出了(R3+R4)*(R4-R3)、(R3/R4)/(R3-R4)、lnR4/(R4-R3)、(R4/R3)*(R3+R4)、R4-R3、(R4-R3)/eR4、R2-R3和R4/R2共8个相关性达到显著水平的指数为敏感指数，敏感指数主要由红光波段（0.61~0.68um）、近红外波段（0.78~0.89 um）和短波红外波段（1.58~1.78 um）构成。
　　（3）构建了苹果冠层氮素含量反演模型及模型检验
　　将筛选出的8个敏感指数为自变量，实测苹果冠层N素含量为因变量，建立逐步回归模型，最终筛选出x1(即(R3/R4)/(R3-R4))、x2(即lnR4/(R4-R3))、x3(即(R4/R3)/(R4+R3))、x4(即(R4-R3)/eR4)四个自变量，模型如下：y=-170.481+13.807*x1-21.448*x2+203.379*x3-235.571* x4，模型决定系数为0.361；以x1(即(R3+R4)*(R4-R3))、x2(即(R3/R4)/(R3-R4))、x3(即lnR4/(R4-R3))共3个达到极显著水平的敏感指数为自变量进行支持向量机建模，经多次训练确定SVM类型为4（4表示V-SVR），核函数类型为2（2表示RBF函数），模型的决定系数达0.785。
　　（4）苹果园区的氮素营养状况的空间反演
　　根据苹果冠层反演反射率，结合研究区样区实测冠层反演反射率、研究区DEM数据、坡度和坡向数据，以及研究区NDVI数据，进行研究区苹果园区信息提取，分类精度评估时精度达90.03%。利用支持向量机回归模型，进行研究区苹果园N素营养状况空间反演，获取研究区N素营养状况空间分布图，为苹果园高效管理提供宏观基础数据。
　　在空间布局上，研究区果园 N素含量显示以第1（2.6-2.9%）、2（2.9-3.2%）等级为主，以南部蛇窝泊镇和西北部苏家庄镇为典型；东北部以第1等级为主，西南部以第2等级居多；第4(3.5-3.8%)级零星散布。把样区反演等级与实测值对比分析，实测冠层N素等级与反演N素含量等级相同，表明该空间反演分布图对研究区苹果园宏观管理具有指导意义。

目录

声明

符 号 说 明

1 前言

1.1 研究背景及意义

1.2 定量遥感概念

1.3 研究进展

1.4 研究内容

1.5 技术路线

2 研究区概况及数据获取

2.1 研究区概况

2.2 实验数据

3 苹果树冠层反射率反演

3.1 表观反射率

3.2 影像数据处理方法

3.3 苹果园反射率反演精度结果与分析

4基于植被指数的苹果树冠层氮素含量反演模型的建立与验证

4.1苹果树冠层氮素敏感光谱指数筛选

4.2 苹果树氮素营养状况反演模型

5 基于反演反射率的苹果园信息提取

5.1 苹果园信息提取原理

5.2 数据统计分析及阈值

5.3 苹果园信息结果与分析

6 研究区苹果园氮素的空间反演

6.1 研究区空间反演计算

6.2 反演结果分析

7 结论与展望

7.1 研究结论

7.2 研究特色

7.3 讨论与展望

参考文献

致谢

攻读学位期间发表论文情况