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基于时空序列的小麦冠层氮素营养诊断及长势参数监测研究

作　者: 唐强
导　师: 肖春华
学　校: 石河子大学
专　业: 植物营养学
关键词: 小麦高光谱时空变化氮素营养长势参数模型
分类号: S512.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

目的：氮素营养对作物产量和品质有重要作用,不适宜的施用氮素还会造成资源浪费和生态环境问题。小麦的优质高效生产是我国农业发展的迫切需要,其中氮素是影响小麦产量和品质的重要因素。适时精准快速监测小麦氮素营养的时间和空间变化特点是实现小麦精确氮素管理的基础。高光谱遥感技术在农田作物水、肥、营养和长势的监测方面表现出强大的优势,是实现精准农业所要求的定时定量监测作物生长状况的主要途径。目前,利用高光谱监测作物氮素营养和长势状况也开展了大量的研究,确定了氮素营养光谱监测的敏感波段和构建出氮素监测的光谱参量和光谱模型。然而,冠层光谱是小麦群体各个器官的“混合光谱”,不同生育期叶片氮素含量不同,在空间结构上也表现出一定的分布规律。本文依据小麦冠层氮素分布的时间和空间特点,研究小麦在不同时间和空间变化的冠层光谱与群体氮素含量和长势参数的相关性,筛选适宜的特征参数和植被指数,建立小麦氮素营养诊断和长势监测模型。提高小麦氮素和长势的遥感估测水平,为更好地应用卫星成像光谱数据进行作物监测提供依据。方法：通过对不同小麦品种和氮素水平冠层光谱测定,利用生物统计分析、光谱分析方法定量分析了小麦冠层光谱反射特征、微分光谱特征差异,及农学指标与冠层光谱之间的相关性,建立相应的回归模型；并同步进行模型验证和精度检验。结果：研究结果表明,根据氮素营养与干物质之间关系,构建氮素营养指数(NAI),不同氮素水平下,小麦中前期的植株冠层光谱与NAI之间有很好的相关性,其中光谱指数红边拐点(REP)表现最好。氮素丰度(NR)是反映小麦群体氮素和长势状况综合指标,小麦中后期冠层光谱与氮素丰度的相关性均达到了极显著水平(a=0.01),其中光谱指数RVI和VD672表现最佳。因此,NR和NAI能很好的反应小麦氮素和长势状况,与其植株冠层光谱间有很好的相关性,可以建立基于植株冠层光谱的小麦前期、中期和后期氮素营养诊断和长势的监测模型。对于长势参数监测方面,叶绿素、叶干重和叶面积是对小麦基于田间长势状况的综合反映。所选的光谱参量相关性较好的都集中在红边附近,在特征波段苗期到分蘖期间的小麦冠层光谱反射率与叶绿素含量、叶面积指数和叶干重相关性较差,拔节期到灌浆期相关性较好,红边附近的两个光谱参数VOG2和RVI可以对冬小麦拔节到灌浆期间的长势进行监测。基于空间变化的小麦叶片氮素含量监测方面,测定小麦整个生长发育中期冠层多角度光谱,光谱参量RVI在观测角度(0°)下与叶片氮素含量相关性较高。因此,采用观测视角(0°)测定冠层光谱可以很好预测叶片氮素含量。

全文目录

摘要  5-6
Abstract  6-10
第一章绪论  10-19
  1.1 作物氮素营养诊断与长势监测选题依据及意义  10-11
  1.2 国内外研究进展  11-19
    1.2.1 作物光谱诊断原理  11-12
    1.2.2 作物高光谱遥感信息提取和处理方法  12-13
    1.2.3 基于时间序列的小麦氮素诊断与长势监测  13-16
    1.2.4 基于空间序列的小麦氮素诊断与长势监测  16-17
    1.2.5 遥感监测小麦氮素营养和长势参数存在问题及解决的方法  17-19
第二章试验设计与研究方法  19-26
  2.1 田间试验设计  19
    2.1.1 试验地点  19
    2.1.2 北京试验设计  19
    2.1.3 新疆试验设计  19
  2.2 冠层光谱测定  19-20
    2.2.1 光谱仪参数  19-20
    2.2.2 测定方法  20
    2.2.3 冠层光谱测定设计  20
  2.3 样品采集与农学参数测定  20-21
  2.4 数据分析  21-24
    2.4.1 本文所用的高光谱分析技术及算法  21-23
    2.4.2 本文所用光谱变量统计模型  23
    2.4.3 本文所建模型的检验与精度评价标准  23-24
  2.5 试验技术路线  24
  2.6 论文的主要内容  24-26
第三章基于时间序列小麦生育前期氮素营养高光谱诊断研究  26-32
  3.1 氮素营养指数的构建  26-27
  3.2 光谱特征参量的选择  27
  3.3 不同生育时期在不同氮素水平下的小麦氮素含量和NAI的变化  27
  3.4 光谱特征参量与小麦氮素含量和NAI的相关性分析  27-28
  3.5 全氮含量和NAI的高光谱估测模型比较  28-29
  3.6 预测模型的检验  29-30
  讨论  30-31
  本章小节  31-32
第四章基于时间序列小麦生育后期氮素丰度监测研究  32-38
  4.1 氮素丰度指标构建和计算  32-33
  4.2 光谱特征参量的选择  33
  4.3 不同氮素处理的冬小麦叶片氮素丰度的变化  33-34
  4.4 抽穗期与开花期、灌浆期、乳熟期、黄熟期的光谱差值(△R)变化  34-35
  4.5 光谱特征参量与冬小麦氮素丰度的相关性  35
  4.6 氮素丰度的高光谱估测  35-36
  讨论  36-37
  本章小结  37-38
第五章基于高光谱特征的小麦长势参数监测  38-44
  5.1 不同氮水平冬小麦冠层生长参数的变化  38
  5.2 小麦冠层光谱特征与叶绿素、叶干重和LAI的相关性  38-40
  5.3 小麦叶绿素含量、LAI和叶干重与冠层高光谱参数的定量关系  40-41
  5.4 长势参数监测模型检验  41
  讨论  41-43
  本章小结  43-44
第六章基于空间序列的多角度高光谱小麦叶片氮素含量监测研究  44-49
  6.1 小麦生育期叶片氮素含量的变化  44-45
  6.2 不同观测角度下小麦冠层数码照片图像  45-46
  6.3 不同角度在不同氮素水平下的小麦冠层光谱变化  46-47
  6.4 角度光谱参量与叶片氮素含量关系  47
  6.5 不同观测角度光谱参量与叶片氮素含量的回归模型  47-48
  结论  48
  本章小结  48-49
第七章结论与展望  49-51
  7.1 结论  49-50
  7.2 展望  50-51
参考文献  51-56
致谢  56-57
作者简介及论文发表情况  57
在学期间发表的文章  57-58
导师评阅表  58

基于时空序列的小麦冠层氮素营养诊断及长势参数监测研究

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