植物叶绿素荧光被动遥感探测及应用研究

论文摘要

叶绿素荧光包含了丰富的光合信息,一直是光合生理研究的热点课题,被称为研究植物光合功能快速、无损伤的敏感探针。遥感作为大面积、快速获取目标性质的手段,近年来得到了突飞猛进的发展,在农业诸多领域都得到了广泛的应用。两者结合可以发挥各自优势。本研究以冬小麦为主要研究对象,分别在单叶和冠层不同尺度上,采用不同的算法提取表观反射信号中的荧光信息。结合荧光参数、叶绿素等生理生化参数测定,探讨不同水、肥、病胁迫下叶绿素荧光光谱特征特性,以及荧光指标与其他参数间的关系,分析荧光被动遥感应用于作物胁迫诊断的可行性。研究取得如下结果: 1.采用不同算法成功地从单叶表观反射光谱中提取到叶绿素荧光光谱。采用ASD光谱仪和LI-COR 1800-12S积分球耦合,光源模拟日光辐射,通过对积分球光源加与不加不同种类（长波通、短波通）截止滤光片的办法,获得不同光照条件下的叶片反射光谱,按照不同算法提取叶绿素荧光信息。结果表明利用长波通滤光片测得的表观反射率差值光谱可以代表荧光光谱,在红光区和远红光区表现为明显的双峰特征。采用短波通滤光片可直接获得荧光光谱,不同植物种类荧光光谱差异明显。透射光中也包含叶绿素荧光,检测剑的荧光相对比例大致与反射光荧光相近。结果验证了荧光对表观反射率光谱也有一定贡献的结论,并可以定量提取。 2.初步明确了冠层反射光谱中能够敏感反映叶绿素荧光的指标。日光诱导的叶绿素荧光,更真实地反映植物的生理状态。通过日变化试验,定点观测不同植物（小麦、地锦）的冠层光谱,并同步进行了叶绿素荧光参数测定。结果表明,表观反射率计算的曲率指数CUR、一阶导数光谱比值Dmax/D702以及生理反射指数PRI与荧光参数Fv/Fm变化趋势一致,一天中均呈现高—低—高的“V”字型变化;利用冠层辐照度光谱中688nm和760nm两个氧气吸收形成的夫琅和费暗线特征,可以计算太阳光诱导的光合作用荧光;荧光对PAR十分敏感,与荧光动力学参数FvPFm存在极显著的负相关关系,复相关系数达到了0.9以上。论文提出的利用野外地物光谱仪的辐照度模式观测的数据探测植被荧光,拓展了野外地物光谱仪的使用功能。 3.不同肥水条件下单叶、冠层荧光光谱特性存在差异。单叶水平表观反射率光谱中提取的荧光双峰比值Dif685/Dif740与荧光参数Fv/Fm关系密切,可以用来反映叶片含水量状况和叶片全氮含量。冠层水平表观反射率光谱中提取的PRI、红边区一阶导数比值、夫

论文目录

• 中文摘要
• 英文缩略表
• 目录
• 第一章 引言
• 1.1 叶绿素荧光动力学技术研究进展
• 1.1.1 叶绿素荧光的产生
• 1.1.2 叶绿素荧光动力学参数介绍
• 1.1.3 叶绿素荧光在植物胁迫监测中的应用
• 1.1.3.1 水分胁迫与叶绿素荧光
• 1.1.3.2 氮素胁迫与叶绿素荧光
• 1.2 植被高光谱遥感研究进展
• 1.2.1 高光谱遥感的基本概念
• 1.2.2 植被光谱特性
• 1.2.3 高光谱遥感在植物理化参数监测中的应用
• 1.2.3.1 高光谱遥感数据分析方法
• 1.2.3.2 高光谱遥感在水分监测中的应用
• 1.2.3.3 高光谱遥感在氮素营养监测中的应用
• 1.3 植被荧光遥感的现状和研究进展
• 1.3.1 激光诱导荧光遥感
• 1.3.1.1 简介
• 1.3.1.2 激光荧光光谱特征
• 1.3.1.3 激光荧光光谱胁迫探测应用
• 1.3.2 被动式荧光遥感
• 1.3.2.1 叶片表观反射率光谱中叶绿素荧光探测
• 1.3.2.2 冠层表观反射率光谱中叶绿素荧光探测
• 1.3.2.3 航空航大水平叶绿素荧光遥感探测
• 1.4 叶绿素荧光遥感探测存在的主要问题
• 1.5 本研究意义
• 第二章 研究目标、研究内容和技术路线
• 2.1 研究目标
• 2.2 研究思路和技术路线
• 2.3 研究内容
• 2.3.1 基于叶片/冠层的叶绿素荧光探测技术研究
• 2.3.2 作物受水分、氮营养、病害胁迫的叶绿素荧光诊断研究
• 第三章 基于叶片水平的叶绿素荧光探测
• 3.1 材料与方法
• 3.1.1 试验设计
• 3.1.2 测定项目和方法
• 3.1.2.1 叶片激光诱导荧光光谱
• 3.1.2.2 叶片反射率光谱
• 3.1.2.3 叶片反射信号中CF提取方法
• 3.2 结果与分析
• 3.2.1 叶片激光诱导荧光光谱
• 3.2.2 叶片表观反射光谱中荧光的提取
• 3.2.2.1 光子到达叶片后的分布
• 3.2.2.2 长波通滤光片下表观反射光谱中荧光的提取
• 3.2.2.3 短波通滤光片下表观反射光谱中荧光的提取
• 3.2.3 叶片透射光下荧光的提取
• 3.3 小结
• 第四章 基于冠层水平的叶绿素荧光探测
• 4.1 材料与方法
• 4.1.1 试验设计
• 4.1.2 测定项目和方法
• 4.1.2.1 冠层光谱
• 4.1.2.2 荧光参数
• 4.1.2.3 田间微气象数据
• 4.1.2.4 光合有效辐射（PAR）
• 4.2 结果与分析
• 4.2.1 叶绿素荧光参数日变化
• 4.2.2 冠层荧光光谱指数
• 4.2.2.1 红边区比值指数
• 4.2.2.2 导数光谱
• 4.2.2.3 生理反射指数PRI
• 4.2.3 Fraunhofer线探测日光诱导荧光
• 4.2.3.1 原理
• 4.2.3.2 夫琅和费暗线的波段选择
• 4.2.3.3 利用夫琅和费暗线计算自然光照条件下的植被荧光
• 4.3 小结
• 第五章 作物水肥胁迫的叶绿素荧光诊断
• 5.1 材料和方法
• 5.1.1 试验设计
• 5.1.1.1 水分胁迫试验
• 5.1.1.2 氮肥胁迫试验
• 5.1.2 测定项目和方法
• 5.1.2.1 冠层反射率光谱
• 5.1.2.2 叶绿素荧光参数
• 5.1.2.3 净光合速率
• 5.1.2.4 SPAD值
• 5.1.2.5 单叶光谱
• 5.1.2.6 叶绿素、类胡萝卜素含量
• 5.1.2.7 叶片含水量
• 5.1.2.8 叶片含氮量
• 5.1.2.9 叶面积指数（LAI）
• 5.2 结果与分析
• 5.2.1 胁迫下小麦反射率光谱和导数光谱
• 5.2.2 水分胁迫的叶绿素荧光诊断
• 5.2.2.1 单叶水平小麦水分胁迫荧光探测
• 5.2.2.1.1 小麦叶片含水量与荧光参数变化
• 5.2.2.2.2 水分胁迫下小麦叶片激发荧光光谱特性
• 5.2.2.2.3 水分胁迫对小麦叶片反射率差值比的影响
• 5.2.2.2.4 小麦叶片反射率差值比与叶绿素荧光参数的关系
• 5.2.2.2 单叶水平玉米不同含水量下的反射率光谱和荧光光谱
• 5.2.2.3 冠层水平水分胁迫荧光探测
• 5.2.3 小麦氮肥胁迫的叶绿素荧光诊断
• 5.2.3.1 小麦单叶水平氮肥胁迫荧光探测
• 5.2.3.1.1 不同氮肥处理的生理生化参数变化
• 5.2.3.1.2 单叶反射率荧光与荧光参数关系
• 5.2.3.2 冠层水平氮肥胁迫荧光探测
• 5.3 小结
• 第六章 小麦条锈病的荧光遥感探测
• 6.1 材料和方法
• 6.1.1 试验设计
• 6.1.2 测定项目和方法
• 6.1.2.1 小麦条锈病病情指数调查
• 6.1.2.2 冠层光谱
• 6.1.2.3 单叶光谱
• 6.1.3.4 叶绿素荧光参数
• 6.1.2.5 其它生理生化参数
• 6.2 结果与分析
• 6.2.1 单叶水平小麦条锈病叶绿素荧光
• 6.2.1.1 不同条锈病严重度的叶片生理生化参数变化
• 6.2.1.2 不同条锈病严重度的叶片反射率光谱
• 6.2.1.3 不同条锈病严重度的叶片荧光光谱
• 6.2.2 冠层水平小麦条锈病荧光探测
• 6.2.2.1 不同病情指数下的小麦生理生化参数
• 6.2.2.2 小麦条锈病冠层光谱特征
• 6.2.2.3 PRI与小麦条锈病冠层荧光
• 6.2.2.4 基于FLD的小麦条锈病荧光探测
• 6.3 小结
• 第七章 结语、创新点与讨论
• 7.1 结语
• 7.2 创新点
• 7.3 展望
• 参考文献
• 英文摘要
• 致谢
• 攻读博士学位期间发表的论文
• 攻读博士学位期间参加的课题