西北地区冬小麦生长状况高光谱遥感监测研究

发布时间：2018-02-12 04:56

  本文关键词： 冬小麦 高光谱遥感 无人机 农学参数 偏最小二乘 支持向量机　出处：《西北农林科技大学》2017年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：冬小麦是西北地区重要的粮食作物,该地区有限的自然资源和脆弱的生态环境迫使农业必须向精细、高效的方向发展,以最小的资源投入获取最高经济效益,同时兼顾生态环境的保护。使用定量遥感技术精确获取农田环境信息和农作物长势信息是实现这一目的的重要环节。本研究以西北地区冬小麦为研究对象,在2014-2016年进行冬小麦的小区和大田实验,使用成像光谱仪和非成像光谱仪在叶片、近地冠层、低空大田等不同尺度获取冬小麦高光谱影像和反射光谱数据,结合地面实测叶绿素、花青素、叶面积指数和氮、磷、钾含量等多项农学参数,分析各项农学参数的光谱特征,提取冬小麦各项农学参数的特征光谱和敏感光谱参数,综合使用最小二乘回归、偏最小二乘回归、支持向量机回归等方法,建立各种农学参数的估算模型,并应用模型对高光谱影像进行反演,得到冬小麦叶片、植株和冠层等不同尺度农学参数的空间分布图,取得了较高的精度,能够为区域农业生产提供科学决策的依据。研究得到的主要结论和取得的主要成果如下:(1)冬小麦的农学参数和光谱特征随着植株的生长发育推进而发生变化。从返青期到蜡熟期期,叶绿素含量和LAI先升高后降低;花青素含量先降低后升高,氮、磷含量在持续降低;钾含量在蜡熟期之前持续降低,到蜡熟期含量升高。在可见光区域,叶片和冠层光谱反射率在返青期和灌浆期较高,拔节期、抽穗期和开花期较低;在近红外区域,叶片反射率从返青期到灌浆期变化不明显,冠层反射率从返青期到灌浆期逐渐升高;蜡熟期冬小麦叶片和冠层光谱失去植被特征。(2)冬小麦叶片和冠层对叶绿素含量变化的响应主要在350~800nm。在350~680nm范围,随着叶绿素含量的增加,反射率降低,光谱吸收程度加大,红边位置向长波方向移动,红边幅值升高。叶片和冠层的SPAD值与光谱反射率在350~700nm范围表现为显著负相关,在750~1000nm范围表现为弱的正相关;与一阶导数光谱在710~760nm范围内表现为显著正相关,在670~690nm范围表现为强负相关;与连续统去除光谱在350~750nm范围表现为显著负相关,其他波段基本不相关。冬小麦叶片和冠层SPAD值估算模型中,使用敏感光谱参数为自变量的SVR回归模型精度最高。E_GNDVI、MRENDVI和(SDr-SDb)/(SDr+SDb)三个光谱参数是冬小麦叶片和冠层共有的叶绿素高度敏感光谱参数。(3)冬小麦叶片和冠层对花青素含量变化的响应主要在350~800nm。在350~680nm随着花青素含量的增加,光谱反射率升高,光谱吸收程度减弱,红边位置向短波长方向移动。叶片和冠层的Anth值与光谱反射率在525~700nm范围表现为显著正相关,在730~1000nm范围表现为弱负相关;与一阶导数光谱在480~550nm、670~690nm两处表现为显著正相关,在710~760nm表现为显著负相关;与连续统去除光谱在500~650nm、680~750nm两处表现为显著正相关,在750~1000nm叶片和冠层的Anth值与连续统去除光谱基本不相关。冬小麦叶片和冠层Anth值估算模型中,使用敏感光谱参数为自变量的SVR回归模型精度最高。E_GNDVI、SDr/SDb、MRENDVI和(SDr-SDb)/(SDr+SDb)是冬小麦叶片和冠层共有的花青素高度敏感光谱参数。(4)随着冬小麦LAI增大,冠层光谱在350~680nm反射率降低,在680~750nm红边范围表现红边幅值升高、红外位置“红移”,在750~1150nm反射率升高。冬小麦LAI与冠层光谱反射率在350~750nm和1400~2500nm范围显著负相关,在760~1300nm范围显著正相关;与一阶导数光谱在多个较窄的波段范围内显著相关;与连续统去除光谱在250~750nm和950~2450nm显著负相关。冬小麦LAI估算模型中,使用敏感光谱参数为自变量的SVR回归模型精度最高,任意波段光谱反射率两两组合构建的光谱指数DSI(776,801)、RSI(776,801)和NDSI(776,801)是冬小麦LAI的最优敏感光谱指数。(5)冬小麦N、P、K含量与各类型光谱相关性变化规律一致:与光谱反射率在350~720nm和1350~2500nm显著负相关,在750~1150nm显著正相关;与一阶导数光谱相关性随波段变化较大,但相关系数较高;与连续统去除光谱在350~750nm、1300~1850nm和1950~2250nm显著负相关。冬小麦N、P、K含量与多种光谱参数之间极显著相关。通过波段组合寻优得到三个分别与N、P、K含量高度敏感的光谱指数:DSI(819,776)、DSI(918,790)和DSI(900,796),相关系数达到0.75以上。以多个光谱参数为自变量的SVR模型估算N、P、K含量精度最高。(6)SOC与SVC获取的同种目标物的光谱反射率基本一致;SOC影像光谱在750~1000nm与SVC光谱相比噪声较大;在900~1000nm两种仪器差异明显,SOC光谱波动剧烈,反射率随波长的增加明显降低。SOC高光谱影像在400~900nm可以准确反映地物光谱信息。冬小麦叶片不同部位的光谱特征不同,在400~700nm叶片中间部分反射率较低,底部和顶端反射率较高;在750~900nm叶片中间部分反射率较高,底部和顶端反射率较低。冬小麦植株不同组分和不同层位叶片光谱特征不同,在400~700nm穗部和茎秆反射率较高,叶片反射率较低;而对于不同层位的叶片,下层叶片反射率高于中、上两层叶片;在750~900nm范围,茎秆反射率较低,其他部位反射率差异不明显。使用模型对SOC高光谱影像进行反演得到的叶片和植株SPAD值和Anth值分布图上,经检验预测值范围及其分布与实测情况一致。(7)UHD与SVC获取的相同地物的光谱在450~850nm范围具有高度的一致性,从光谱反射率提取的绿峰、红谷、红边等特征光谱信息没有显著差异;在850~1000nm范围UHD影像光谱噪声急剧增大,信噪比降低。UHD高光谱影像上地物光谱信息在450~850nm范围是准确可靠的。从UHD影像上根据样点对应的位置提取冬小麦各农学参数的敏感光谱参数,使用PLSR建立基于UHD影像的冬小麦各类农学参数估算模型,并使用模型对UHD高光谱影像进行反演,得到开花期和灌浆期冬小麦冠层SPAD值、Anth值、LAI以及N、P、K含量的空间分布专题图,经检验各农学参数分布图上各类农学参数的预测值及分布位置与实测值一致,具有较高的精度,可以为农业生产提供参考依据。
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【学位授予单位】：西北农林科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：S512.11;S127
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本文编号：1504828