基于遥感物候特征的水稻镉胁迫研究

发布时间：2020-04-10 18:43

【摘要】：随着中国工业化的快速发展,土壤中的镉(Cd)污染问题受到人们的日益关注。Cd离子会破坏土壤的机能,抑制作物的生长发育,即使土壤中的Cd离子浓度很低,也会通过食物链对人类健康构成严重威胁。物候是表征环境变化的敏感指标,土壤受重金属污染会引起地上作物的物候特征变化。通过遥感手段可以获取作物的物候指标,遥感物候信息为监测土壤Cd污染提供了新思路。本研究基于遥感物候特征,集成两种物候指标构建一个评价水稻Cd胁迫水平的胁迫指数(Stress Index,SI),可以实现快速准确的评价水稻Cd胁迫程度。本研究选择位于中国湖南省株洲市的4块水稻实验区,对4块水稻实验区进行土壤样本采集并分析其重金属含量,划分为轻、重两个污染水平,每个污染水平各两块水稻实验区。获取并处理2017年7月-10月无云质量好的8幅Sentinel-2影像。首先,对Sentinel-2数据进行计算得到红边叶绿素指数(CIre),使用Double-Logistic函数拟合方法得到CIre时间序列曲线,使用一阶导数分析方法提取水稻的分蘖期(T),抽穗期(H)和成熟期(M)。然后获取与水稻Cd胁迫相关的物候指标,用Fisher判别分析方法对物候指标进行分析,选取判别精度最高的物候指标构建胁迫指数SI。最后,对湘江流域大面积的水稻田进行SI计算,并得到Cd胁迫水平空间分布情况。主要结论如下:(1)通过对Sentinel-2影像的CIre和NDVI分别进行轻、重Cd胁迫水平之间的差异值分析发现,两种Cd胁迫水平之间的CIre差异值大于NDVI,证明CIre相对于NDVI对水稻健康状态更敏感,具有更好的判别水稻Cd胁迫的性能。(2)轻度Cd胁迫水平下的物候指标,包括分蘖期至成熟期阶段的时间间隔(DOY_(T-M))、逐日的CIre值以及相对应的一阶导数值(FD)、分蘖期的CIre值(CIre_T)、CIre最大值(CIre_(MAX))、成熟期的CIre值(CIre_M)、偏移度(Skew)、CIre_(MAX)/DOY_(T-M)、以及分别表征光合速率和生物量的CIre的变化率(CRCIre)和CIre时间序列曲线积分面积(TICIre)的值,整体上都高于重度Cd胁迫水平下的物候指标值。(3)对轻、重Cd胁迫水平下的TICIre_(T-H)和TICIre_(H-M)、CIre_(MAX)和DOY_(T-M)以及三个生长阶段的CRCIre和TICIre分别使用Fisher判别分析方法。结果发现,基于分蘖期-抽穗期阶段(T-H阶段)的CRCIre和TICIre构建的胁迫指数SI能有效评价水稻Cd胁迫水平。当SI≥0时,水稻处于轻度Cd胁迫状态。当SI0时,水稻处于重度Cd胁迫状态。总体判别精度为86.02%。其中,对重度胁迫的判别精度为97.30%。(4)通过对研究区水稻像元进行SI计算,发现轻度Cd胁迫的水稻像元,占水稻像元总数的65.70%。重度Cd胁迫的水稻像元,占水稻像元总数的34.30%。研究区内的水稻Cd胁迫情况是十分严重的,其中重度Cd胁迫主要分布在湘江流域及居民区附近,随着与湘江流域距离变大,远离居民区,水稻的Cd胁迫水平由重度胁迫逐渐变为轻度胁迫。
【图文】：

示意图,样地,示意图,实验区

13图 2.1 研究区示意图表 2.1 4 个实验区的重金属平均含量实验区重金属含量（mg/kg）污染水平Cd Pb As Hg样地 A（27°47′N，113°10′E）0.84 78.33 10.23 0.35轻污染样地 B（27°59′N，113°06′E）1.38 59.45 16.75 0.35样地 C（27°40′N，113°10′E）2.31 91.05 17.34 0.24重污染样地 D（27°58′N，113°02′E）3.57 130 14.70 0.51标准值 0.3-1.0 250-350 20-30 0.3-1.0注: 标准值是我国土壤环境质量二级标准

示意图,土壤样,示意图,重访周期

14图 2.2 土壤样本采样示意图2.2.2 遥感影像获取与处理Sentinel-2 是欧洲航天局（ESA）发射的高分辨率多光谱成像卫星，分为 2A和 2B 两颗卫星。Sentinel-2A 于 2015 年 6 月 23 日发射，Sentinel-2B 于 2017 年3 月 07 日发射，幅宽达 290 千米，一颗卫星的重访周期为 10 天，两颗互补，重访周期为 5 天。两颗卫星都携带一枚具有 13 个光谱波段的高分辨率的多光谱成像仪（MSI），覆盖可见光、近红外、短波红外波谱范围，各波段的空间分辨率不同，其中可见光和近红外波段空间分辨率高达 10 ｍ。卫星的基本参数（表 2.2）和各波段信息（表 2.3）如下所示。在光学数据中，，Sentinel-2 数据是唯一的一个在红边范围含有三个波段的数据
【学位授予单位】：东北师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：X503.231

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