基于高光谱遥感的棉花冠层水氮参数估算
发布时间：2021-03-28 03:35
精准农业是我国农业现代化的必然选择。高光谱技术因其快速、时效性强、成本低、信息涵盖量大等特点,契合农业信息化管理的多种要求,目前已被广泛应用于农情监测领域。如何利用遥感数据精确、稳定地获取作物理化参数,已成为学者们研究的热点。针对传统的作物水分、氮素监测方法操作繁琐且时效性不高、难以在农田区域尺度大面积使用等问题,本文以麦后移栽棉为研究对象,在河南省新乡市进行了连续2年的大田与测坑试验,通过在棉花生育期设计不同灌溉与施肥水平,开展了基于高光谱技术的棉花冠层水氮参数估算方法研究,取得的主要研究结果如下:（1）冠层等效水厚度（CEWT）可以较为准确地判别棉花水分亏缺程度,叶片氮浓度（LNC）和冠层含氮量（CNC）均能准确描述棉花氮素状况。（2）棉花冠层光谱受不同水氮状况的影响。冠层反射率在350-700nm附近的可见光波段,随叶片氮浓度的增加而降低,在780-950nm附近的近红外波段,随CNC增加而增大,在1100-1300nm、1550-1780nm、2100-2350nm附近的短波红外波段,冠层反射率随CEWT的增加而降低。在水肥充足条件下,从现蕾期至花铃期,近红外波段的光谱反射率逐...
【文章来源】：中国农业科学院北京市
【文章页数】：72 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
试验区基本布置图
中国农业科学院硕士学位论文第二章试验材料与方法11表2-3测坑小区试验各处理灌溉量Table2-3Amountofirrigationintest-pitexperiment处理苗期蕾期花铃期灌溉总量灌溉定额灌溉量灌溉定额灌溉量灌溉定额灌溉量(mm)CK1100%ETc9040%ETc3640%ETc60186BI1100%ETc9040%ETc36100%ETc150276BI2100%ETc9060%ETc54100%ETc150294BI3100%ETc9080%ETc72100%ETc150312CK2100%ETc90100%ETc90100%ETc150330FI1100%ETc90100%ETc9040%ETc60240FI2100%ETc90100%ETc9060%ETc90270FI3100%ETc90100%ETc9080%ETc120300图2-2测坑小区试验在花期无人机航拍图(2019年8月2日)Fig.2-2TheaerialphotographytakenbyUAVintest-pitexperimentduringfloweringstage(August2,2019)2.3测定项目与方法2.3.1光谱反射率使用ASDFieldSpec4背挂式野外光谱仪(AnalyticalSpectralDevices,Boulder,CO,USA)测定棉花冠层高光谱数据，仪器的波长范围为350-2500nm。在10：00-14：00选择天气晴朗、无风或风速很小的天气进行数据采集。测定光谱反射率时，将手持传感器垂直向下，探头视场角为25°，传感器距冠层顶垂直高度约1.0m。每个处理设置3个观测点，在每个观测点连续采集10个冠层光谱信息，取小区内各观测点冠层光谱反射率的平均值作为该处理冠层光谱反射值；使用仪器自带叶片夹采集棉花叶片的光谱反射率。2019年大田水肥试验在7月6日(现蕾期)、7月16日(盛蕾期)、7月31日(花期)、8月13日(花期)、8月16日(花铃期)、8月22日(花铃期)共进行6次冠层光谱信息采集，测坑试验在7月7日(现蕾期)、7月15日(蕾期)、7月19日(盛蕾期)、7月23日(初花期)、7月27日(花期)、8月2日(花期)、8月15日(花铃期)、8月22日(花铃期)共进行8次冠层光谱信息采集。
中国农业科学院硕士学位论文第五章基于连续小波分析的棉花冠层水氮参数估算31(a)叶片等效水厚度；(a)Leafequivalentwaterthickness(b)叶片氮浓度；(b)Leafnitrogenconcentration图5-1叶片水平下对水氮参数敏感的R2前5%小波特征分布图Fig5-1Distributionmapofthetop5%waveletfeaturessensitivetowaterandnitrogenparametersatleaflevel5.2.2棉花冠层等效水厚度与冠层含氮量的小波分解及相关性分析采用与叶片水平一致的分析手段进行CEWT与CNC的小波分解。其中CNC的分析样本为2019年采集于测坑小区试验与大田水肥试验的241组数据，CEWT的分析样本包含2018-2019连续两年的试验数据共380组。在冠层水平下，小波系数对棉花含氮量的敏感性类似于叶片氮浓度，在450nm蓝光波段以及520nm绿峰附近均出现了CNC的特征小波，其决定系数R2达到了0.59，但是在710nm红边区域附近出现了一条纵跨低中高尺度的窄带空间，这种现象在叶片尺度并不明显，说明冠层含氮量对光谱曲线中的红边位置产生较大影响，而在770-800nm、1260nm、2060nm附近的中低尺度空间内也出现了CNC的特征小波。另一方面，小波系数对冠层等效水厚度的敏感特征也类似于叶片等效水厚度，主要分布于710nm红边位置的中低尺度区域、以及910nm、1100nm、1160nm、1260nm附近的中低尺度区域，而这些波段的反射率在受水分含量影响的同时亦受叶面积指数、冠层生物量的影响。值得注意的是，在710nm、700-780nm、1260nm附近存在小波系数对CEWT与CNC的共同敏感空间。根据本试验在2018年的研究结果，反演冠层含氮量
本文编号：3104803
【文章来源】：中国农业科学院北京市
【文章页数】：72 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
试验区基本布置图
中国农业科学院硕士学位论文第二章试验材料与方法11表2-3测坑小区试验各处理灌溉量Table2-3Amountofirrigationintest-pitexperiment处理苗期蕾期花铃期灌溉总量灌溉定额灌溉量灌溉定额灌溉量灌溉定额灌溉量(mm)CK1100%ETc9040%ETc3640%ETc60186BI1100%ETc9040%ETc36100%ETc150276BI2100%ETc9060%ETc54100%ETc150294BI3100%ETc9080%ETc72100%ETc150312CK2100%ETc90100%ETc90100%ETc150330FI1100%ETc90100%ETc9040%ETc60240FI2100%ETc90100%ETc9060%ETc90270FI3100%ETc90100%ETc9080%ETc120300图2-2测坑小区试验在花期无人机航拍图(2019年8月2日)Fig.2-2TheaerialphotographytakenbyUAVintest-pitexperimentduringfloweringstage(August2,2019)2.3测定项目与方法2.3.1光谱反射率使用ASDFieldSpec4背挂式野外光谱仪(AnalyticalSpectralDevices,Boulder,CO,USA)测定棉花冠层高光谱数据，仪器的波长范围为350-2500nm。在10：00-14：00选择天气晴朗、无风或风速很小的天气进行数据采集。测定光谱反射率时，将手持传感器垂直向下，探头视场角为25°，传感器距冠层顶垂直高度约1.0m。每个处理设置3个观测点，在每个观测点连续采集10个冠层光谱信息，取小区内各观测点冠层光谱反射率的平均值作为该处理冠层光谱反射值；使用仪器自带叶片夹采集棉花叶片的光谱反射率。2019年大田水肥试验在7月6日(现蕾期)、7月16日(盛蕾期)、7月31日(花期)、8月13日(花期)、8月16日(花铃期)、8月22日(花铃期)共进行6次冠层光谱信息采集，测坑试验在7月7日(现蕾期)、7月15日(蕾期)、7月19日(盛蕾期)、7月23日(初花期)、7月27日(花期)、8月2日(花期)、8月15日(花铃期)、8月22日(花铃期)共进行8次冠层光谱信息采集。
中国农业科学院硕士学位论文第五章基于连续小波分析的棉花冠层水氮参数估算31(a)叶片等效水厚度；(a)Leafequivalentwaterthickness(b)叶片氮浓度；(b)Leafnitrogenconcentration图5-1叶片水平下对水氮参数敏感的R2前5%小波特征分布图Fig5-1Distributionmapofthetop5%waveletfeaturessensitivetowaterandnitrogenparametersatleaflevel5.2.2棉花冠层等效水厚度与冠层含氮量的小波分解及相关性分析采用与叶片水平一致的分析手段进行CEWT与CNC的小波分解。其中CNC的分析样本为2019年采集于测坑小区试验与大田水肥试验的241组数据，CEWT的分析样本包含2018-2019连续两年的试验数据共380组。在冠层水平下，小波系数对棉花含氮量的敏感性类似于叶片氮浓度，在450nm蓝光波段以及520nm绿峰附近均出现了CNC的特征小波，其决定系数R2达到了0.59，但是在710nm红边区域附近出现了一条纵跨低中高尺度的窄带空间，这种现象在叶片尺度并不明显，说明冠层含氮量对光谱曲线中的红边位置产生较大影响，而在770-800nm、1260nm、2060nm附近的中低尺度空间内也出现了CNC的特征小波。另一方面，小波系数对冠层等效水厚度的敏感特征也类似于叶片等效水厚度，主要分布于710nm红边位置的中低尺度区域、以及910nm、1100nm、1160nm、1260nm附近的中低尺度区域，而这些波段的反射率在受水分含量影响的同时亦受叶面积指数、冠层生物量的影响。值得注意的是，在710nm、700-780nm、1260nm附近存在小波系数对CEWT与CNC的共同敏感空间。根据本试验在2018年的研究结果，反演冠层含氮量
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