基于高光譜遙感的小麥農(nóng)學(xué)參數(shù)及籽粒蛋白質(zhì)含量監(jiān)測模型構(gòu)建.pdf

1、高光譜遙感是精準農(nóng)業(yè)研究的重要工具之一，是實時、快速、精準、無損監(jiān)測作物生長及營養(yǎng)狀況的重要途徑。葉綠素含量和葉面積指數(shù)等農(nóng)學(xué)參數(shù)是衡量小麥光合能力、生長發(fā)育階段、營養(yǎng)生理狀況和受環(huán)境脅迫程度的有效指標。因此，小麥冠層反射光譜數(shù)據(jù)對農(nóng)學(xué)參數(shù)的響應(yīng)特征，可以用來預(yù)測小麥長勢、監(jiān)測其光合能力與氮素營養(yǎng)狀況，以及評估其產(chǎn)量變化。本試驗以普冰151小麥為研究材料，在不同播種量和施氮量下的田間試驗的基礎(chǔ)上，分別于不同生育時期測定小麥冠層反射光譜數(shù)

2、據(jù)，同時對各農(nóng)學(xué)參數(shù)進行實際測量，分析農(nóng)學(xué)參數(shù)與光譜反射率和一階導(dǎo)數(shù)光譜及已有光譜指數(shù)之間的相關(guān)關(guān)系，并建立與各農(nóng)學(xué)指標相應(yīng)的定量反演模型。通過分析籽粒蛋白質(zhì)含量(GPC)與不同生育時期的小麥冠層葉綠素含量(chl a+b)的相關(guān)關(guān)系以及籽粒產(chǎn)量(GY)與不同生育時期的葉面積指數(shù)(LAI)的相關(guān)關(guān)系，分別將冠層葉綠素含量和葉面積指數(shù)作為鏈接點建立籽粒蛋白質(zhì)含量和籽粒產(chǎn)量的高光譜預(yù)測模型。預(yù)期結(jié)果將為普冰151小麥的氮肥和播量的合理運籌提

3、供技術(shù)依據(jù)，為小麥生長發(fā)育的無損監(jiān)測和精確管理提供理論基礎(chǔ)和關(guān)鍵技術(shù)。主要研究結(jié)果如下:
　　1.不同播種量、氮素水平及不同生育時期的小麥冠層光譜反射率具有規(guī)律性的變化。施氮肥使可見光波段的光譜反射率值降低，129kg·hm-2(D1)、202kg·hm-2(D2)播量下的光譜反射率值分別在120kg·hm-2(N2)、180kg·hm-2(N3)施氮水平出現(xiàn)最小值;近紅外波段范圍內(nèi)的光譜反射率值反而增大。在可見光部分，D2播量下

4、的光譜反射率值低于D1播量，近紅外區(qū)域恰好相反。適宜的施氮量和增加播種量均使小麥產(chǎn)生“紅移”現(xiàn)象。不同生育時期，普冰151的光譜反射率值的變化趨勢大體一致，可見光區(qū)域在灌漿期達最高值，而近紅外區(qū)域在抽穗期達最高值;小麥從拔節(jié)到抽穗，存在“紅移”現(xiàn)象，從抽穗到開花存在“藍移”現(xiàn)象，而紅邊面積的最大值出現(xiàn)在抽穗期，最小值出現(xiàn)在灌漿期。普冰151小麥的這些光譜特征有利于進一步利用反射光譜數(shù)據(jù)監(jiān)測或預(yù)測其長勢及養(yǎng)分等情況。
　　2.不同播

5、種量和施氮量處理下小麥葉綠素含量隨生育時期的推進有規(guī)律性變化。在此基礎(chǔ)上，不同處理下的chl a、chlb和chl a+b與原始光譜數(shù)據(jù)、一階導(dǎo)數(shù)數(shù)據(jù)進行相關(guān)分析表明，光譜反射率與chl a+b含量在可見光范圍內(nèi)呈負相關(guān)關(guān)系，在近紅外波段范圍內(nèi)呈正相關(guān)關(guān)系，二者間的相關(guān)系數(shù)在波長702nm附近達最高值，為-0.73。chl a含量與光譜反射率值的相關(guān)關(guān)系與chl a+b相似，而chl b與光譜反射率值的相關(guān)關(guān)系低于chl a和chl a

6、+b。進一步分析三者與已有17種光譜參數(shù)間的定量關(guān)系，發(fā)現(xiàn)光譜參數(shù)RVI(729，755)和GREEN-NDVI與葉綠素含量的關(guān)系非常密切，而且多項式回歸模型的擬合可靠性均高于直線回歸模型。經(jīng)檢驗，RVI(729，755)和GREEN-NDVI對Chl b和Chl a+b的估測效果均較好，R2分別為0.5022和0.5305、0.5257和0.5447，而RVI(729，755)對Chl a的估測效果較差，R2為0.2918。因此，綜合

7、考慮基于不同光譜指數(shù)所構(gòu)建的模型的擬合效果和檢驗結(jié)果，以GREEN-NDVI為變量的小麥冠層葉綠素含量監(jiān)測模型較優(yōu)。
　　3.不同播種量及施氮量下普冰151葉而積指數(shù)隨生育時期的推進發(fā)生了有規(guī)率的變化。在此基礎(chǔ)上，LAI與原始光譜數(shù)據(jù)、一階導(dǎo)數(shù)光譜數(shù)據(jù)相關(guān)分析表明，冠層光譜反射率與LAI間的相關(guān)系數(shù)在波長670nm和1010nm附近達最大值，為-0.89和0.90。選擇與普冰151冠層LAI相關(guān)性較大的10種光譜參數(shù)為自變量，以L

8、AI為因變量，分別建立線性、多項式、指數(shù)、冪函數(shù)模型，光譜參數(shù)NDVI705、NDCI、OSAVI和NDVI(810，560)與小麥冠層LAI的關(guān)系非常密切。經(jīng)獨立資料檢驗，光譜指數(shù)NDVI705檢驗結(jié)果最佳，r、R2、RMSE、RE、da、dap分別為0.74、0.548、0.354、5.86％、0.097、1.61％，預(yù)測值較接近于實測值。
　　4.小麥成熟期GPC與各生育時期的群體葉綠素含量的相關(guān)分析發(fā)現(xiàn)灌漿期的葉綠素含量能

9、夠較好地估測成熟期的GPC，估測R2達0.635。基于小麥灌漿期的反射光譜數(shù)據(jù)構(gòu)建GPC預(yù)測模型。表明，以NVI和PSSRb為自變量的多項式模型較好，擬合精度分別為0.3278和0.3014，經(jīng)檢驗，PSSRb的檢驗效果優(yōu)于NVI，r、R2、RMSE、RE、da、dap分別為0.833、0.693、0.152、1.11％、-0.108、0.80％。因此，以PSSRb為變量的小麥成熟期的GPC預(yù)測模型較優(yōu)。
　　5.普冰151籽粒產(chǎn)