基于高光譜成像技術的作物葉綠素信息診斷機理及方法研究.pdf

1、如何利用光譜技術快速、無損、準確地診斷作物的養(yǎng)分狀況,一直是農(nóng)業(yè)定量遙感關注的焦點。受遙感儀器性能及價格的限制,目前的研究大多利用非成像高光譜進行作物長勢監(jiān)測與機理探測研究。近年來,隨著材料科學、傳感技術及精密儀器的飛速發(fā)展和對田塊尺度作物精細管理的需求,低成本、高性能的地面成像光譜儀的開發(fā)與應用已成為農(nóng)業(yè)定量遙感的一個重要方向。
　　 論文以地面成像光譜儀為觀測工具,采集了不同作物(小麥、玉米、大豆)在不同生育期、不同尺度(葉

2、片與冠層)、多角度下的高光譜影像數(shù)據(jù),系統(tǒng)地分析從影像中提取的高光譜數(shù)據(jù)及其與作物葉綠素信息的關系,嘗試在下述三個方面進行研究:1)驗證自主研發(fā)的地面成像光譜儀(PIS)獲取的光譜數(shù)據(jù)的可靠性;2)挖掘成像高光譜“圖譜合一”數(shù)據(jù)在作物葉綠素信息遙感診斷機理及反演中的優(yōu)勢;3)探討多角度觀測及影像分割在作物BRDF特性定量解析及葉綠素密度反演中的作用。主要工作及進展如下:
　　 1)提出一種基于不同參照布的反射率場地標定方法。它是

3、通過建立可見-近紅外成像光譜儀(VNIS)與地物光譜儀(ASD)同時獲取的DN值之間的轉(zhuǎn)換關系,將ASD獲取的標準白板的DN值轉(zhuǎn)換為VNIS的DN值,再通過定標公式實現(xiàn)影像反射率提取。研究發(fā)現(xiàn),該方法計算得出的相對反射率與當場的ASD反射率曲線有較高的一致性,由此證明這種方法能滿足成像傳感器反射率場地標定的要求。
　　 2)在作物的單葉尺度,開展PIS光譜數(shù)據(jù)的可靠性驗證、作物葉綠素信息反演方法探索,得出:a)通過分析成像與非成

4、像高光譜數(shù)據(jù)提取的紅邊特征曲線及紅邊位置,發(fā)現(xiàn)兩儀器獲取數(shù)據(jù)有很好的一致性,由此驗證自主研發(fā)PIS光譜數(shù)據(jù)是可靠的。B)利用窄波段成像光譜曲線的峰谷特征構建新型特征參數(shù),即“三邊”的光譜變化速率、“三邊”夾角及衍生變量在葉綠素含量反演中進行應用。結(jié)果表明:相比傳統(tǒng)的“三邊”光譜參數(shù),峰谷特征參數(shù)能有效提高葉綠素含量的反演能力。C)利用PIS對活體玉米植株進行成像立方體采集,在影像中選取玉米倒1葉至倒4葉的葉片光譜,構建了葉片葉綠素含量反

5、演模型;用小區(qū)玉米葉片樣本進行驗證,得出預測模型的決定系數(shù)R2=0.897;驗證模型的決定系數(shù)R2=0.887,均方根誤差RMSE=1.8;在不同植被覆蓋度下(盆栽-小區(qū))的玉米植株葉片都有很好效果,說明采用這種方法構建的模型具有較高的精度。D)利用PIS獲取“圖譜合一”的小麥葉片影像數(shù)據(jù),采用偏最小二乘法研究同一葉片不同位點組合所建葉綠素含量預測模型的精度;研究不同層位葉片葉綠素含量估測模型的精度。研究發(fā)現(xiàn),同一葉片2、4、6位點組合

6、的模型精度高于1、3、5位點組合的精度;不同層位葉片模型精度為中層＞上層＞下層;所有葉片建立的綜合模型精度最高。
　　 3)把VNIS在田間小尺度范圍內(nèi)進行應用,基于其“圖譜合一”的優(yōu)勢,a)在高光影像中尋找植被、裸土、光照葉片和陰影葉片的光譜差異,構建歸一化光譜分類指數(shù),實現(xiàn)了不同類型地物的分割與光譜提純。B)在不同地物光譜提純的基礎上發(fā)現(xiàn),當植被與土壤混合存在時,對葉綠素密度敏感的波段基本上都在紅與近紅外波段區(qū)間;當植被光譜

7、提純后(剔除土壤光譜),對葉綠素密度敏感的波段范圍增大,尤其是藍、綠波段。由此說明,背景土壤對光學遙感反演植被葉綠素密度有較大影響。此外,陰影葉片會影響植被葉綠素密度敏感波段的選擇,當構建新型植被指數(shù)時,要根據(jù)植被冠層葉片結(jié)構,嘗試把陰影比例作為一個影響因子,在公式中加以體現(xiàn),以便提高葉綠素密度定量反演的精度。
　　 4)對不同密度大豆冠層的多角度數(shù)據(jù)進行分析,研究同一視場內(nèi)植被與土壤混合光譜信息提純前后的冠層BRDF變化特征,

8、發(fā)現(xiàn):a)在主平面觀測時,土壤光譜去除后,純植被冠層反射率在前向觀測時,隨著天頂角的減小而增大,這和視場內(nèi)同時存在植被和土壤時的研究結(jié)果不同;后向觀測時,隨著天頂角的增加而增大;后向反射率高于前向,這和混合植被的BRDF特征一致。B)在垂直主平面方向上,土壤光譜去除前后的不同密度大豆冠層反射率在垂直主平面都有一致的對稱性,去除后的前后向反射率對稱性更強。
　　 5)利用多角度成像數(shù)據(jù)對大豆冠層葉綠素密度的反演進行解析與評價,發(fā)現(xiàn)

9、:a)(0°,20°,40°,60°)的天頂角組合有最高的R2=0.834(預測模型)和最小的RMSE=6.13;(20°,40°,60°)天頂角組合的決定系數(shù)值高于(O°,20°,40°)的組合。在混合植被、純植被、光照植被三類數(shù)據(jù)中有一致的結(jié)果。B)在不同天頂角下,40°天頂角是反演葉綠素密度的最優(yōu)角度。C)在不同方位角下,0°方位角(太陽主平面的后向觀測)是反演葉綠素密度的最優(yōu)角度。D)天頂角變化是影響大豆冠層葉綠素密度反演精度的