基于多元分析的冬小麦冻害高光谱定量监测研究

发布时间：2017-05-12 10:15

  本文关键词：基于多元分析的冬小麦冻害高光谱定量监测研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：本试验以强冬性冬小麦品种晋太182为研究对象,利用可移动式制冷设备对拔节期冬小麦进行不同程度的冻害处理,测定冻后不同天数冠层高光谱反射率和主要农学参数并分析其变化规律,利用主成分分析方法建立冻害综合评价指标(FICEI),并运用偏最小二乘法和逐步多元线性回归(PLS-SMLR)分析方法构建冬小麦冻害程度的定量监测模型。结果表明：1、不同冻害处理后,冬小麦各农学参数都发生了较显著的变化。与对照相比,除POD、SOD和MDA表现为升高外,其余农学参数都出现了不同程度的下降,且随着冻后天数的增加差异逐渐缩小。2、农学参数之间的相关性分析结果表明各农学参数之间提供的冻害信息存在重叠现象,因此结合主成分分析方法,提取4个互不相关的冻害综合评价主成分,其含有原始变量88%的信息,根据各主成分的权重得到冻害综合评价指标(FICEI)表达式。3、通过冬小麦FICEI的聚类分析,冬小麦的冻害程度整体上可分为4类,即未受冻害、轻度冻害、中等冻害和严重冻害,结合冬小麦冻害处理冻后大田观察结果,可知FICEI值的大小可以较好的评价冬小麦受冻害影响的程度。当FICEI的监测值1.578时,冬小麦未受冻害;当0.388FICEI监测值1.578时,表明冬小麦遭受-2℃或-4℃短时间冻害,冬小麦受到轻微冻害;当-0.128FICEI监测值0.388时,表明冬小麦遭受-6℃短时间或-4℃较长时间冻害,冬小麦受到中度冻害;当FICEI监测值-0.128时,表明冬小麦遭受-6℃较长时间冻害,冬小麦受到严重冻害。4、不同冻害处理,冬小麦光谱曲线变化规律基本一致,可见光区域随冬小麦生育时期的推进表现为先降低后升高的趋势,而近红外区域则表现相反的趋势。不同冻害处理冬小麦高光谱反射率曲线在可见光区域差异不明显,但在近红外区域除C1与对照表现为差异不显著外,其余都表现为显著升高,且与冻害程度成正相关,这一差异随着冻后天数的增加逐渐缩小。冬小麦冠层一阶微分光谱曲线都具有两个反射峰和一个吸收谷,且红边辐值与冻害程度成正相关。此外,冻害处理后红边位置有向着短波方向移动的趋势,即“红边蓝移”现象。5、冬小麦FICEI的光谱敏感波段区域为429-473 nm、519-584 nm、658-750 nm和1139-1350 nm,所构建的冬小麦FICEI值定量监测模型R2达到0.677,均方根误差为0.337,且验证模型R2为0.804,均方根误差为0.127,表明基于PLS-SMLR方法构建的冬小麦FICEI值定量监测模型预测效果较好。
【关键词】：冻害 冬小麦 农学参数 多元分析 高光谱 监测模型
【学位授予单位】：山西农业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：S512.11;S426
【目录】：

• 摘要7-9
• 1 引言9-13
• 1.1 低温对作物生长发育的影响9-11
• 1.1.1 低温对植物细胞膜系统的影响9-10
• 1.1.2 低温对作物抗氧化酶活性的影响10
• 1.1.3 低温对作物光合作用的影响10-11
• 1.2 主成分分析在作物综合评价方面的研究进展11
• 1.3 国内外冻害遥感监测研究进展11-13
• 1.3.1 植被指数差值法11-12
• 1.3.2 最低温度反演法12
• 1.3.3 高光谱监测方法12-13
• 1.4 研究目的与意义13
• 2 材料与方法13-20
• 2.1 试验设计13-14
• 2.2 测定指标与方法14-17
• 2.2.1 冠层光谱测定14
• 2.2.2 株高的测定14
• 2.2.3 叶面积指数的测定14
• 2.2.4 地上生物量的测定14-15
• 2.2.5 抗氧化酶活性的测定15-16
• 2.2.5.1 过氧化物酶(POD)活性的测定15
• 2.2.5.2 超氧化物歧化酶(SOD)活性的测定15-16
• 2.2.6 丙二醛含量的测定16
• 2.2.7 光合指标的测定16-17
• 2.2.7.1 叶绿素含量的测定16
• 2.2.7.2 光合参数的测定16-17
• 2.3 数据处理17-19
• 2.3.1 高光谱数据处理17
• 2.3.2 农学参数数据处理及分析17
• 2.3.3 冻害定量监测模型的构建和验证17-19
• 2.3.3.1 偏最小二乘回归(PLSR)17-18
• 2.3.3.2 多元逐步线性回归(SMLR)18
• 2.3.3.3 模型的验证18-19
• 2.4 技术路线19-20
• 3 结果与分析20-35
• 3.1 冻害后冬小麦主要农学参数的变化20-27
• 3.1.1 株高的变化20
• 3.1.2 叶面积指数的变化20-21
• 3.1.3 地上生物量的变化21-22
• 3.1.4 抗氧化酶活性的变化22-23
• 3.1.5 丙二醛(MDA)含量的变化23-24
• 3.1.6 光合指标的变化24-27
• 3.1.6.1 叶绿素含量的变化24-25
• 3.1.6.2 光合参数的变化25-27
• 3.2 冬小麦冻害综合评价指标的构建27-30
• 3.2.1 冬小麦主要农学参数的相关性分析27
• 3.2.2 冬小麦主要农学参数的主成分分析27-29
• 3.2.3 冬小麦冻害程度的分级评价29-30
• 3.3 冬小麦冠层高光谱响应特征30-33
• 3.3.1 不同生育时期冬小麦冠层原始光谱响应特征30-31
• 3.3.2 不同冻害处理冬小麦冠层原始光谱响应特征31-32
• 3.3.3 不同冻害处理冬小麦冠层一阶微分光谱响应特征32-33
• 3.4 冬小麦冻害程度的高光谱定量监测33-35
• 3.4.1 基于PLS的冬小麦冻害综合评价值的光谱敏感波段提取33-35
• 3.4.2 基于SMLR的冬小麦冻害综合评价值监测模型的构建35
• 3.4.3 冬小麦冻害综合评价值监测模型的验证35
• 4 结论与讨论35-39
• 4.1 结论35-37
• 4.2 讨论37-39
• 参考文献39-43
• Abstract43-45
• 致谢45

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