基于光合特征参数的棉花水分状况高光谱遥感监测研究

摘要

目的：本研究主要探讨了不同水分处理条件下棉花新陆早45号和62号关键生育时期光谱变量及光合特征参数的变化特征，建立二者的相关回归模型，并对植被指数与棉花产量及纤维品质指标进行相关分析，筛选出最佳的估测棉花产量及品质的植被指数，为实现有效、快速、非破坏的对棉花大面积的生长状况的诊断与监测，产量及品质的预测提供理论依据。
　　方法：采用美国ASD公司生产的Fieldspec Pro FR2500型背挂式高光谱辐射仪，在两个棉花品种不同水分处理条件的关键生育期进行了5次数据采集，分析并计算一系列高光谱变量，如：原始光谱反射率、一阶微分、“三边”参数、植被指数等；同时采用Li-6400光合仪同步获取棉花2品种关键生育时期光合生理指标，如：净光合速率（Pn）、蒸腾速率（Tr）、气孔导度（Gs）、胞间CO2浓度（Ci）；收获期进行棉花产量的测定，同时取样品进行棉花纤维品质的检验，分析光谱变量与各指标间的相关关系，建立监测棉花生长状况的高光谱遥感监测模型。
　　结果：
　　（1）不同水分处理下光谱反射率在近红外波段处表现出明显的差异，“三边”曲线呈现出明显的“峰”、“谷”现象，“红边”面积表现出的显著差异要高于“红边”斜率。因此，近红外波段处反射率、“三边”曲线中“峰”“谷”特征及“红边”面积能很好监测棉花的水分含量。
　　（2）棉花2品种在关键生育时期内光合特征参数表现出先增加后下降的趋势，在盛花结铃期达到最大值，方差分析表明，不同水分处理间，随着灌溉量的增加光合特征参数逐渐增大，后期表现出显著性差异，不同水分处理下新陆早45号光合特征参数之间的差异明显高于新陆早62号。
　　（3）光谱反射率与Pn在780 nm处达到最大正相关。一阶微分光谱与Pn在693 nm处达到最大正相关。利用780 nm反射率及693 nm处一阶微分值预测Pn与实测Pn进行相关分析，结果表明一阶微分预测精度高于光谱反射率（r693 nm处一阶微分估测Pn-实测Pn=0.71**， RMSE=2.42；r780 nm反射率估测Pn-实测Pn=0.67**，RMSE=2.76，n=40）。预测精度达到80％以上。
　　“红边”斜率（Dr）与Pn、Tr表现出显著性相关，最大相关系数为r新陆早45号Dr-Tr=0.66**，“红边”面积（SDr）与Pn、Tr、Gs均表现出显著性相关，最大相关系数为r新陆早45号SDr-Tr=0.68**，且“红边”面积预测 Pn的精度高于“红边”斜率（rSDr预测 Pn-实测 Pn=0.67**， RMSE=2.51， rDr预测 Pn-实测Pn=0.63**,RMSE=2.77,n=40）。估测精度达到85%以上。
　　红外近红外波段反射率组合构成的红边归一化植被指数RENDVI、比值植被指数RVI与光合特征参数的相关性最好。其中RENDVI与Pn表现出极显著的线性函数相关（r新陆早45号RENDVI-Pn=0.89**， r新陆早62号RENDVI-Pn=0.71**，n=20）。与Tr表现出极显著的对数函数相关（r新陆早45号RENDVI-Tr=0.78**，r新陆早62号RENDVI-Tr=0.64**，n=20）。RVI同样与Pn、Tr表现出较好的相关性（r新陆早45号(RVI-Pn)=0.87**，r新陆早45号(RVI-Tr)=0.78**；r新陆早62号(RVI-Pn)=0.70**，r新陆早62号(RVI-Tr)=0.72**，n=20），对RENDVI及RVI预测Pn与实测Pn进行相关分析，相关系数r值均达到极显著相关水平（rRENDVI预测Pn-实测Pn=0.82**，RMSE=2.13；rRVI预测Pn-实测Pn=0.86**，RMSE=1.7，n=40）。RVI预测精度高于RENDVI，预测精度达到90%以上。因此植被指数RENDVI及RVI能作为预测棉花光合特征参数的较好指标，建立二者的模型能更好地监测棉花的生长状况。
　　(4)将归一化植被指数NDVI及RVI与棉花产量及纤维品质指标进行相关分析，结果表明，NDVI及RVI与皮棉产量在盛花期的相关性最高（r(NDVI-yield)=0.97**，r(RVI-yield)=0.97**，n=20）；NDVI、RVI与纤维品质指标在开花期的相关性达到最高。因此，花期建立二者模型能较好预测产量及纤维品质。

目录

声明

第一章 文献综述

1.1 研究背景及目的和意义

1.2 干旱胁迫条件下作物光合特征参数的研究

1.3 高光谱遥感的研究进展

1.4 干旱条件下作物冠层光谱特征的研究

1.5 基于作物光合作用下的光谱变量研究

1.6 高光谱遥感对作物产量和品质的监测

第二章 试验设计与研究方法

2.1 试验设计

2.2 技术路线

2.3 高光谱变量的测定

2.4 棉花光合参数的测定

2.5 棉花产量及品质的测定

2.6 论文的模型检验及精度评价

第三章 棉花光谱变量与光合特征参数的相关分析

3.1植被的高光谱变量特征分析

3.2 不同水分处理下棉花两品种关键生育期内光合作用的变化

3.3 不同水分处理下棉花光谱变量与光合特征参数的相关分析

第四章 棉花高光谱遥感在产量及品质上的监测研究

4.1 不同水分处理下棉花两品种产量的分析

4.2 不同水分处理下棉花两品种产量构成因素的比较

4.3 不同水分处理下棉花两品种纤维品质的比较

4.4 棉花高光谱植被指数与产量的相关性研究

4.5 棉花植被指数与品质的相关性研究

第五章 讨论与结论

5.1 讨论

5.2 结论

5.3 本研究的创新点及今后展望

参考文献

致谢

作者简介

导师评阅表