基于高光谱的小麦水分状况监测研究

【摘要】基于高光谱遥感技术进行作物水分实时监测和快速诊断对于提高作物水分管理水平和利用效率具有重要意义。氮（N）素作为最重要的营养元素之一,直接影响作物形态建成和生长发育,进而影响农学参数和光谱反射特征,干扰水分监测研究。本研究以小麦为对象,基于不同年份、不同施氮水平和不同水分处理互作的小麦池栽试验,于关键生育期获取叶片及冠层高光谱信息和相应农学参数,分析不同N营养水平对水分参数和反射光谱的影响,确定不同尺度水分指标的核心波段和特征光谱参数,建立稳定可靠的小麦水分监测模型。首先,研究了单叶尺度的小麦水分监测。选用包含叶面积信息的新型水分指标叶片等效水厚度（LeafEquivalentWaterthickness,LEWT）。分析了LEWT随生育进程的变化趋势以及不同LEWT和不同叶片氮含量（Leafnitrogencontent,LNC）水平下的单叶光谱反射率变化特征,系统构建了350-2500nm波段范围内,任意两波段组合的归一化（NDSI）、比值（RSI）、差值（DSI）光谱指数,及在两波段基础上构建的三波段光谱指数与小麦LEWT的定量关系,并构建了基于新型光谱指数的小麦LEWT监测模型。结果表明,NDSI（1204,1318）可以用于全生育期小麦LEWT的监测,但开花前后的表现存在差异；进一步分生育期挑选出花前最佳指数NDSIb（1445,487）（NDSIbeforeanthesis）和花后最佳指数NDSIa（1714,1395）（NDSIafteranthesis）分别用于估测开花前和开花后的小麦LEWT;最后在开花前后共性NDSI（1429,416）基础上尝试构造了三波段光谱指数（R1429-R416-R1865）/（R1429+R416+R1865）.上述新构建光谱指数均对LNC不敏感,仅对LEWT敏感。利用独立试验资料对基于新光谱指数的LEWT模型进行了检验和测试,结果显示基于NDSIb和NDSIa的LEWT模型精确度较高,误差较小。其次,以顶部四叶的含水率信息表征冠层含水率（CanopyWaterContent,CWC）,研究了冠层尺度的小麦水分监测。分析了CWC与冠层光谱的变化关系及二者相关性,系统构建了全波段范围内任意两波段组合的归一化（NDSI）、比值（RSI）、差值（DSI）光谱指数,结果显示：最优波段组合NDSI（762,1458）、RSI（1458,1156）和DSI（1458,2301）均有较高的监测精度（R2>0.84）,但模型的检验效果一般,其中基于DSI（1458,2301）的模型年度之间稳定性较差。进一步基于NDSI（762,1458）和RSI（1458,1156）增加第三波度构建新型三波段光谱指数发现：三波段光谱指数（R762-R1458）/(R762+R1458-R2301)在提高模型监测精度的同时降低了年度间施氮水平不同引起的系统误差（建模和检验R2分别为0.8661和0.6421,SE为2.9512,RRMSE为0.0437,Slope为1.2886）,增加的第三波段2301nm为蛋白质和氮（N）敏感波段。最后,研究了植株尺度的小麦水分监测。分析了小麦植株含水率（Plantwatercontent,PWC）和植株氮含量（Plantnitrogencontent,PNC）与冠层光谱的变化关系及相关性,系统构建了全波段范围内,任意两波段组合的归一化（NDSI）、比值（RSI）,差值（DSI）光谱指数,并基于三种不同方法筛选PWC最优光谱指数,构建了基于新型光谱指数的小麦PWC监测模型。结果表明：基于开花期前后共性区域筛选的光谱指数NDSI（1175,1305）和基于不同PNC水平共性区域筛选的光谱指数NDSI（1302,1190）建模效果优于全生育期光谱指数NDSI（1727,1539）,且NDSI（1302,1190）对不同氮素营养条件引起差异的敏感性更低,模型综合预测能力和抗饱和能力强。本研究结果将为精确农业中不同氮营养条件下的小麦水分状况监测提供技术支撑。
【作者】贾雯晴；
【导师】曹卫星；
【作者基本信息】南京农业大学，作物栽培学与耕作学，2013，硕士
【关键词】高光谱；光谱指数；监测模型；叶片等效水厚度；冠层含水率；植株含水率；

【参考文献】
[1]马晓光.金初汉族士人研究[D].辽宁大学,中国古代史,2012,硕士.
[2]赵崯机.汽车模型成型的优化研究[D].西南交通大学,工业设计工程（专业学位）,2012,硕士.
[3]李盘.急性心肌梗死患者BNP、hs-CRP及TNF-α水平与冠脉病变严重程度的相关性研究[D].延安大学,内科学,2014,硕士.
[4]陈宗丽.农民参加现代农业技术培训的现状、问题及对策研究[D].南京农业大学,教育经济与管理,2011,硕士.
[5]蔡秋红,林起浪,陈智明,马志超.添加氧化石墨烯对煤沥青成焦行为的影响[J].煤炭学报,2013,07:1260-1264.
[6]刘勇.黄芪总苷对脊髓型颈椎病模型大鼠椎间盘组织IL-1β及TNF-α含量影响的实验研究[D].甘肃中医学院,中医骨伤科学,2014,硕士.
[7]张鹏鹏.基于RFID的图书信息系统的设计与实现[D].电子科技大学,软件工程（专业学位）,2012,硕士.
[8]张莹.高中物理教师自主发展研究[D].东北师范大学,学科教学,2012,硕士.
[9]张换香.连续不确定XML索引技术研究[D].内蒙古科技大学,计算机应用技术,2013,硕士.
[10]张红军,沈阳.陆上盐丘成像技术研究[J].石油地球物理勘探,2003,S1:47-51+138.
[11]吴为英.基于粗糙集理论的商业数据挖掘[D].山东科技大学,2003.
[12]殷晓芳.基于CA-Markov模型的建设用地模拟预测研究[D].华中师范大学,人文地理学,2014,硕士.
[13]李景虹.石墨烯的电分析化学研究[A].中国材料研究学会.2011中国材料研讨会论文摘要集[C].中国材料研究学会:,2011:2.
[14]金刚.变频调速液压控制系统的压力脉动分析[D].浙江工业大学,2004.
[15]杨蕾颖.淀粉蔗糖酶高产菌株选育及发酵工艺优化[D].吉林农业大学,发酵工程,2012,硕士.
[16]刘凡.我国空白票据制度立法研究[D].西南财经大学,经济法学,2004,硕士.
[17]杨俊.表流人工湿地系统对污染物去除效果的研究[D].长安大学,环境工程,2014,硕士.
[18]丁筠.基于生物技术与计算机视觉的食品微生物快速检测研究[D].吉林大学,2010.
[19]廖运芳.完善当代中国慈善捐助事业的伦理思考[D].西南政法大学,伦理学,2012,硕士.
[20]梁根浩.2-氯-3-氨基-4-三氟甲基吡啶的合成方法研究[D].河北医科大学,药物化学,2014,硕士.
[21]叶建国.创业效能感及其对创业绩效的影响研究[D].浙江大学,2006.
[22]张淋云.加料控制技术在济钢转炉炼钢工程中的应用[J].冶金自动化,2005,04:65-66.
[23]宫雨,尹阿东,武森.具有利润约束的关联规则发现[J].计算机工程,2004,19:11-12+37.
[24]陈小平.中国传统山水画的虚境营造研究[D].西南大学,美术学,2013,硕士.
[25]杨庆华.交友类电视节目的顺应性分析[D].河南科技大学,外国语言学及应用语言学,2013,硕士.
[26]薛杨柳.贴片类芯片缺陷检测识别的研究[D].湖北工业大学,机械电子工程,2014,硕士.
[27]薛兴昌,胡宇,师淑珍.小型连轧机组自动化系统功能述评和技术发展(下)[J].冶金自动化,2003,02:5-7+22.
[28]杜文谦.仿人机器人步行稳定性训练用6-DOF串并联机构平台的研究[D].哈尔滨工业大学,机械工程,2013,硕士.
[29]陈旭君.贵金属和碱金属掺杂Au_(20)团簇的非线性光学性质的研究[D].兰州大学,光学,2014,硕士.
[30]卢萍.黑土区土壤弹尾虫群落多样性及其对外源C、N干扰的响应[D].中国林业科学研究院,森林保护学,2014,博士.
[31]罗艳.论纳兰性德的诗学观[D].新疆师范大学,中国古代文学,2004,硕士.
[32]易师.通管丸对大鼠镇痛、改善微循环及急性毒性的实验研究[D].湖南中医药大学,中医妇科学,2013,硕士.
[33]刘佳奇.基于DSP无刷直流电机控制器的设计[D].西安科技大学,电气工程,2013,硕士.
[34]肖诗杰.红外图像目标特征提取方法研究[D].西安电子科技大学,信号与信息处理,2012,硕士.
[35]一江.1995年河北省科技期刊评比揭晓[J].石油地球物理勘探,1996,03:422.
[36]王植.王某某交通肇事杀人案案例分析[D].兰州大学,刑法（专业学位）,2013,硕士.
[37]贺平.KJ公司大数据服务业务的营销策略研究[D].厦门大学,工商管理（EMBA）,2013,硕士.
[38]廉欣.吉非替尼治疗晚期肺腺癌疗效的影响因素分析[D].大连医科大学,肿瘤学,2012,硕士.
[39]孔祥玉,胡昌华,洪贝,胡友涛,陈亮.基于Volterra级数并行递推AP算法的陀螺漂移预测[J].控制与决策,2010,12:1917-1920.
[40]张天齐.公众聚集场所火灾风险评估与控制对策研究[D].湖南大学,建筑与土木工程,2013,硕士.
[41]盛磊.瑶族《盘王大歌》中的文化传统研究[D].中南民族大学,民俗学,2013,硕士.
[42]程海林.径向柱塞式液压马达等接触应力内曲线的研究[D].浙江工业大学,机械电子工程,2004,硕士.
[43]樊国强.纳米结构金属的表面等离效应在有机太阳能电池中的应用[D].苏州大学,2013.
[44]赵坤.论英国宪法惯例的法治功能[D].南京师范大学,法学理论,2012,硕士.
[45]李哲.浅析有限责任公司隐名出资人的法律地位[J].法制与社会,2014,23:96-97.
[46]李春江.基于GATF的柔性版印刷质量控制方法应用研究[D].曲阜师范大学,教育技术学,2013,硕士.
[47]吕鹏霄.图像情感分类研究[D].燕山大学,通信与信息系统,2014,硕士.
[48]伍荣秀.口语交际教学策略之研究[D].福建师范大学,教育,2003,硕士.
[49]MorozovaElena（伊莲娜）.中俄合资企业跨文化管理研究[D].哈尔滨工业大学,企业管理,2014,硕士.
[50]郭建.我国实施供应链管理的对策研究[D].河海大学,技术经济及管理,2004,硕士.