基于冠层反射光谱的夏玉米氮素营养与生长监测研究

论文摘要

夏玉米是黄淮海地区最主要的夏季粮食作物,通过光谱技术进行作物长势及氮素营养状况的实时监测,可以为黄淮海地区夏玉米种植区玉米生长无损监测和精确农作管理提供理论基础和关键技术。本研究以黄淮海地区麦茬夏玉米为研究对象,综合运用作物冠层反射光谱探测技术和夏玉米生理指标测试技术,分析了不同氮肥水平下夏玉米冠层光谱反射特征及其与夏玉米叶面积指数、生物量、叶片氮素状况、叶片糖氮比和叶片色素含量的相关关系,筛选出了夏玉米长势和氮素营养指标的敏感植被指数,构建了夏玉米长势和氮素营养指标的光谱预测模型,并用独立年份的试验数据对模型进行了检验。主要研究结果如下：1.通过分析不同施氮水平下夏玉米LAI和生物量随生育时期变化特征,研究了LAI和生物量与冠层光谱射率及光谱参数的相关关系,构建了LAI、叶干重和地上部干物重的光谱预测模型。结果表明,近红外波段（780-1050 nn）和730 nm组合的归一化指数以及比值指数与LAI相关性较好,其中决定系数以NDVI（850,730）最高,达0.7903,2个年份独立试验数据进行检验表明,以NDVI（850,730）为变量建立的线性模型可以较为准确地反演植被覆盖度较低时的LAI；近红外波段780、900和950 nm与550 nm组合的归一化指数与叶干重和地上部干物重相关性较好,用独立试验数据检验表明,以光谱参数NDVI（900,550）为变量建立的指数模型可以较为准确地反演夏玉米叶干重,地上部干物重模型检验效果较差。2.在分析不同施氮水平下夏玉米叶片氮素营养随生育时期变化规律的基础上,研究了夏玉米叶片氮素营养状况与冠层反射特征光谱的相关关系,提出了各生育时期叶片氮含量的敏感光谱参数,明确了整个生育期叶片氮积累量的敏感光谱参数。结果表明,叶片氮含量与冠层植被指数NDVI（800，550）、NDVI（850,550）. RVI（800,550）和RVI（850,550）的相关性在拔节、孕穗、抽雄和吐丝4个时期达到极显著水平,乳熟期达到显著水平,且各生育时期可用统一的光谱参数来预测叶片氮含量；近红外波段（780、800、850、900、950、1050 nn）与550 nm波段组合的归一化指数、比值指数以及MSR、OSAV、MSAVI和SAVI与叶片氮积累量间相关性较好。3.分析了夏玉米叶片糖氮比与冠层光谱参数的定量关系,构建了玉米叶片糖氮比的光谱预测模型。结果表明,利用冠层光谱对叶片糖氮比进行监测的适宜时期为孕穗、抽雄和吐丝期。综合2个品种孕穗、抽雄和吐丝3个时期的数据,对叶片糖氮比与所有光谱参数进行相关分析,筛选出了13个表现较好的参数。经独立数据的检验表明,TVI对叶片糖氮比的预测精度较高,预测精度r为0.612,RMSE为0.505,预测的相对误差RE为21.253%。4.系统分析了不同施氮水平下夏玉米叶片色素含量与冠层光谱反射特征的关系,建立了夏玉米叶片叶绿素a（Chla）、叶绿素b（Chlb）、叶绿素a+b （Chla+b）及类胡萝卜素（Car）含量估算模型。结果表明,近红外波段与可见光波段550 nm与构建的归一化指数、比值指数以及MSAVI和SAVI与叶片色素含量相关性较好,用独立试验数据检验表明,植被指数NDVI（950,550）可用来监测不同的色素组分,其中NDVI（950,550）对叶片Chl a和Chl a+b含量预测效果优于Chl b和Car含量。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 文献综述
• 1 植被光谱监测依据
• 1.1 叶片的光谱特征
• 1.2 植被冠层光谱特征
• 2 作物长势光谱监测研究进展
• 2.1 叶面积指数监测
• 2.2 生物量监测
• 3 作物生物化学参数光谱监测研究进展
• 3.1 氮素营养监测
• 3.2 叶片碳氮比监测
• 3.3 色素监测
• 4 本研究的目的及意义
• 参考文献
• 第二章 技术路线与研究方法
• 1 研究思路与技术路线
• 2 材料与方法
• 2.1 试验设计
• 2.2 资料获取方法
• 2.3 数据分析与利用
• 参考文献
• 第三章 基于冠层反射光谱的夏玉米生长指标监测
• 1 材料与方法
• 1.1 试验设计
• 1.2 冠层光谱与生长参数测定
• 1.3 数据分析方法
• 2 结果与分析
• 2.1 不同施氮水平下玉米冠层光谱反射率变化
• 2.2 米LAI与冠层反射光谱特征的关系
• 2.3 玉米叶干重和地上部干物重与冠层反射光谱特征的关系
• 3 讨论与小结
• 参考文献
• 第四章 基于冠层反射光谱的夏玉米叶片氮素状况监测
• 1 材料与方法
• 1.1 试验设计
• 1.2 冠层光谱数据及叶层氮积累量测定
• 1.3 数据分析方法
• 2 结果与分析
• 2.1 不同施氮水平下夏玉米叶片氮素状况
• 2.2 玉米叶片氮含量与冠层光谱反射率的关系
• 2.3 玉米叶片氮积累量与冠层光谱反射率的关系
• 3 讨论与小结
• 参考文献
• 第五章 基于冠层反射光谱的夏玉米叶片糖氮比监测
• 1 材料与方法
• 1.1 试验设计
• 1.2 冠层光谱数据及叶片糖氮比测定
• 1.3 数据分析方法
• 2 结果与分析
• 2.1 不同施氮水平下夏玉米叶片糖氮比变化
• 2.2 叶片糖氮比与冠层光谱反射率的关系
• 2.3 夏玉米叶片糖氮比与冠层光谱参数的定量关系
• 2.4 玉米叶片糖氮比光谱估算模型的检验
• 3 讨论与小结
• 参考文献
• 第六章 基于冠层反射光谱的夏玉米叶片色素含量监测
• 1 材料与方法
• 1.1 试验设计
• 1.2 冠层光谱测定及叶片色素测定
• 1.3 数据分析与利用
• 2 结果与分析
• 2.1 玉米叶片色素含量变化
• 2.2 叶片色素含量与冠层光谱反射率的关系
• 2.3 叶片色素含量与冠层光谱参数的关系
• 2.4 叶片色素含量冠层光谱估算模型的检验
• 3 讨论与小结
• 参考文献
• 第七章 讨论与结论
• 1 讨论
• 1.1 夏玉米生长特征监测
• 1.2 夏玉米叶片氮素营养的光谱监测
• 1.3 夏玉米叶片色素含量的光谱监测
• 2 本研究的创新之处
• 3 今后的研究设想
• 4 结论
• 参考文献
• 致谢
• 硕士期间撰写论文