苹果树冠层氮素、叶绿素及叶面积指数的高光谱估测

摘要

高光谱遥感技术具有光谱分辨率高、波段连续性强、光谱信息量大的优点，能够及时了解植物的生理生态变化和营养状况，对精细农业的发展具有独特的应用优势。本文通过对苹果冠层光谱信息进行提取与分析，实现对苹果长势和营养状况的实时、无损监测。
　　 山东省苹果分布集中、面积大，具有良好的研究场所。本研究选择苹果优势区域——泰沂山区蒙阴县为研究区，采用ASD FieldSpec3地物光谱仪探测与室内试验分析相结合的定量方法，在实测苹果春梢停止生长期冠层光谱反射率和叶面积指数的基础上，同步采集苹果叶片样品，室内测定苹果叶片的叶绿素和氮素含量。利用光谱微分技术、植被指数分析、多元统计分析技术等技术手段，通过分析春梢停止生长期苹果冠层高光谱特征，筛选敏感波段和光谱参数，确立氮素营养和长势指标的适宜光谱参数及相应估测模型。主要结论如下:
　　 (1)初步探讨了春梢停止生长期苹果冠层的高光谱特征
　　 苹果冠层高光谱曲线形状与典型植被相似，在400～700nm可见光区，冠层光谱反射率主要受叶绿素的影响，在蓝光和红光区域有反射谷，在绿光区域反射光谱曲线略有上升，出现一个反射峰;在700～750nm间光谱曲线陡直上升;在760～1300nm近红外波段，由于冠层和叶内细胞结构等影响，出现“红外高台阶”，有反射谷存在;在1560～2300nm内，冠层光谱存在两个波峰，主要受苹果叶内水含量和大气的含水量影响;在1980nm附近反射率出现明显的跌落，主要取决于大气的含水量。这些光谱信息为进一步利用冠层反射光谱监测苹果树生长状况和氮素营养状况提供了基础。
　　 (2)建立了基于苹果冠层高光谱特征的氮素含量估测模型
　　 利用冠层高光谱分析技术，提取了与氮素含量相关的敏感波段，基于敏感光谱波段研究构建各类光谱参数，研究了苹果冠层氮素营养状况与冠层反射特征光谱的定量关系，建立了氮素含量的敏感光谱参数及预测方程。春梢停止生长期苹果冠层氮素含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。以植被指数NDSI(1700，965)为自变量的模型N=2.070+1.448 NDSI(1700,965)、以R

目录

声明

符号说明

摘要

1 引言

1．1 研究背景

1．2 国内外研究进展

1．2．1 地面高光谱遥感技术研究进展

1．2．2 作物氮素含量高光谱估测研究进展

1．2．3 作物叶面积指数高光谱估测

1．2．4 作物叶绿素含量高光谱估测

1．3 研究内容、研究方法及技术路线

1．3．1 本文研究内容

1．3．2 研究方法

1．3．3 技术路线

2 研究区概况

2．1 自然条件概况

2．1．1 地形地貌

2．1．2 气候特征

2．1．3 水文

2．1．4 土壤和植被特征

2．2 社会经济发展状况

2．3 苹果树种植管理概况

3 数据获取与处理分析

3．1 数据获取

3．1．1 苹果树冠层高光谱反射率的测定

3．1．2 苹果树LAI的测定

3．1．3 农学数据的测定

3．2 数据处理

3．2．1 数据预处理

3．2．2 高光谱特征参数提取

3．3 回归分析与建模

3．3．1 逐步回归分析

3．3．2 模型的建立

4 基于冠层反射光谱的苹果树氮素状况估测模型

4．1 苹果春梢停止生长期冠层光谱反射特征

4．2 氮素含量与冠层光谱的相关性分析

4．2．1 氮素含量与原始光谱的相关性分析

4．2．2 氮素含量与微分光谱的相关性分析

4．3 氮素含量与植被指数的相关性分析

4．4 氮素含量的敏感波段筛选及高光谱估测模型建立

4．5 估测模型的精度检验及最佳估测模型的验证

4．6 小结

5．基于冠层反射光谱的苹果树LAI估测模型

5．1 不同LAI水平的苹果冠层反射光谱曲线特征

5．2 苹果LAI与冠层光谱特征的相关性分析

5．2．1 苹果LAI与原始光谱相关性分析

5．2．2 苹果LAI与微分光谱相关性分析

5．3 敏感波段的选取和估测模型的构建

5．4 估测模型的精度检验及最佳估测模型的验证

5．5 小结

6．基于冠层反射光谱的苹果树冠层叶绿素含量估测模型

6．1 不同叶绿素含量的苹果冠层反射光谱特征

6．2 叶绿素含量与冠层光谱特征之间的相关分析

6．3 叶绿素含量与植被指数的相关性分析

6．4 冠层叶绿素含量的高光谱估测模型的建立

6．5 估测模型的精度检验及最佳估测模型的验证

6．6 小结

7．结论与讨论

7．1 结论

7．2 讨论

7．3 研究特色

参考文献

致谢

攻读学位期间发表论文情况