基于高光谱的小麦株型与籽粒蛋白品质监测

论文题目: 基于高光谱的小麦株型与籽粒蛋白品质监测

论文类型: 博士论文

论文专业: 作物栽培学与耕作学

作者: 卢艳丽

导师: 李少昆,王纪华

关键词: 冬小麦,氮素,品质,光谱特征参量,株型识别,测试方法

文献来源: 中国农业科学院

发表年度: 2005

论文摘要: 基于当前对小麦株型与品质信息快速获取的迫切需要,本研究在大田条件下,采用高光谱仪,对小麦不同株型品种冠层光谱特点及叶绿素含量与品质指标、光谱特征参量的相关性进行了分析,并对田间小麦高光谱仪获取籽粒氮素营养状况的方法进行了比较,取得了以下几个方面的进展: 1、不同株型小麦品种在近红外波段(700～1300nm)冠层光谱反射率表现为生育前期平展型品种高于直立型品种,以拔节期的差异为最显著,其后随着生育进程推进差异逐渐变小。相同植被覆盖度(COV)条件下,直立型品种的归一化差异植被指数(NDVI)高于平展型品种,且随着COV的增加,差异逐渐变小,二者的变化关系可以较好地体现直立型品种株型紧凑和平展型品种株型披散的特点。基于小麦冠层叶面积指数(LAI)与NDVI(680,890)的显著正相关性,提出利用NDVI和COV的关系可以实现对小麦株型的识别,并以小麦拔节期为最佳识别阶段。 2、对冠层结构指标叶向值(LOV)、LAI与光谱特征参量的相关分析发现,前期(以拔节期为主)LOV影响大,后期主要受LAI的影响。拔节期不同群体小麦按株型和群体大小可聚类为4类(A-株型直立,群体较小;B-株型直立,群体较大;C-株型披散,群体较小;D-株型披散,群体较大)。不同类组冠层光谱反射率在400-700nm范围内反射率由高到低的顺序为A>B>C>D,700-1150nm范围内顺序与其相反,并且差异更加明显。利用拔节期反射率R890和拔节期到孕穗期光谱反射率的增量ΔR890空间分布的差异可以实现对不同小麦群体类型的区分。 3、小麦冠层不同叶组叶片叶绿素含量呈现由上而下递减的变化趋势,顶层(L1)>中层(L2)>下层(L3),其梯度变化因不同生育时期和不同株型而异,不同叶组之间的梯度以平展型品种大于直立型品种。L1和L2之间叶绿素含量的差值(DCC)与小麦品质参数、冠层光谱特征参量具有显著的相关性。筛选出敏感测试时期为灌浆期,敏感参量为籽粒蛋白质含量(GPC)和560nm的反射峰深度P_Depth560。基于三者间的相关关系,分别建立了平展型品种和直立型品种GPC的预测模型,并初步通过验证。 4、采用近地高光谱仪探头垂直、水平和倾斜10～20°等不同观测角度对产量形成期冬小麦不同部位器官进行了光谱测定与分析。不同测定方法所获得的小麦光谱反射率变化曲线均呈典型植被波谱曲线特征,并具有相同的变化趋势,但其反射率的大小具有明显差异:相对于传统方法探头由上而下垂直测得的冠层光谱反射率,探头水平对着特定层测得的光谱反射率与该层穗或叶片含氮量具有较强的相关性。确定了670-683nm为穗层全氮含量(ETNC)的敏感波段,并不受品种类型影响;基于穗层光谱反射率(Rel)—ETNC—GPC三者之间的相关性,建立了利用比值植被指数RVI[890,670]预测GPC的模拟模型。验证结果表明,相对于以往基于冠层光谱的传统测试方法,基于穗层光谱的RVI[890,670]对GPC的预测精度明显提高:决定系数R~2由0.662提高到0.865,总均方根差RMSE由0.851降低到0.734。本研究为实现田间条件下小麦氮素及相关品质指标的便携式监测仪的开发研制提供了依据。

论文目录:

缩略词表

摘要

ABSTRACT

第一章 引言

1.1 选题依据和意义

1.2 国内外研究进展

1.2.1 氮素对小麦品质的影响

1.2.1.1 时间维上氮素对品质的影响

1.2.1.2 空间维上氮素对品质的影响

1.2.1.3 不同类型品种氮素与品质的关系

1.2.2 氮素营养诊断的研究

1.2.2.1 氮素营养诊断方法的研究

1.2.2.2 植被高光谱遥感的基本原理

1.2.2.3 植被不同波段光谱的主要特征

1.2.3 高光谱遥感在作物理化参量监测上的应用

1.2.3.1 作物冠层结构信息获取及氮素相关指标的遥感监测

1.2.3.2 高光谱遥感分析中常用光谱特征参量的应用概况

1.2.4 作物品质遥感预测研究

1.3 小麦氮素及品质遥感监测存在的问题

1.4 本论文研究的主要内容

1.5 技术路线

第二章 冬小麦不同株型品种光谱响应及株型识别

2.1 材料与方法

2.1.1 试验设计

2.1.2 供试品种

2.1.3 测定项目与方法

2.1.3.1 叶向值(LOV)的测定

2.1.3.2 叶面积指数(LAI)的测定

2.1.3.3 植被覆盖度的获取

2.1.3.4 群体光谱数据获取

2.1.3.5 敏感波段的选择

2.1.3.6 归一化植被指数的计算

2.2 结果与分析

2.2.1 冬小麦不同株型品种光谱响应及株型识别方法的研究

2.2.1.1 小麦品种冠层光谱响应分析

2.2.1.2 拔节期不同株型小麦品种冠层敏感波段反射率的变化

2.2.1.3 不同株型小麦品种植被覆盖度在不同生育时期的变化

2.2.2 覆盖度和植被指数在不同株型中的变化分析

2.2.2.1 叶面积指数LAI与植被指数NDVI的关系

2.2.2.2 不同株型小麦品种植被覆盖度(COV)与植被指数的变化

本章小结

第三章 冬小麦不同群体冠层结构的高光谱响应研究

3.1 材料与方法

3.1.1 试验设计

3.1.2 供试品种

3.1.3 测定项目及方法

3.1.3.1 叶向值(LOV)的测定

3.1.3.2 叶面积指数(LAI)测定

3.1.3.3 群体冠层光谱数据获取

3.1.4 数据分析

3.1.4.1 聚类分析

3.1.4.2 判别分析

3.1.4.3 光谱指数计算

3.2 结果与分析

3.2.1 光谱特征参量与叶向值LOV和叶面积指数LAI的相关分析

3.2.2 小麦冠层结构特征的聚类分析

3.2.3 小麦不同群体结构光谱响应特征

3.2.4 利用不同生育阶段的光谱特征值对小麦不同群体结构的识别

3.2.5 判别分析

本章小结

第四章 基于冠层光谱的不同株型小麦品种品质预测

4.1 材料与方法

4.1.1 试验设计

4.1.2 测定项目与方法

4.1.2.1 不同叶组理化参数测定及取样

4.1.2.2 籽粒品质参数的测定

4.1.2.3 群体冠层光谱数据获取

4.1.2.4 光谱特征参量的筛选

4.2 结果与分析

4.2.1 冬小麦不同叶位叶片叶绿素的空间分布

4.2.2 小麦不同叶组差值叶绿素含量(DCC)与籽粒品质指标的相关分析

4.2.3 小麦不同叶组差值叶绿素含量DCC与冠层光谱特征参量相关分析

4.2.4 相关模型的建立及预测模型验证

本章小结

第五章冬小麦冠层红边参数的变化及其与氮素含量的相关分析

5.1 材料与方法

5.1.1 试验设计

5.1.2 测定项目与方法

5.1.2.1 不同疏剪处理光谱反射率的测定

5.1.2.2 红边参数的计算

5.1.2.3 不同疏剪处理氮素含量的测定

5.2 结果与分析

5.2.1 不同疏剪处理条件下小麦光谱反射率比较

5.2.2 不同肥力条件下不同疏剪处理小麦红边参数的变化

5.2.3 不同肥力条件下不同疏剪处理红边峰值形状的变化

5.2.4 不同器官小麦全氮含量与对应反射光谱红边参数的相关分析

本章小结

第六章冬小麦籽粒蛋白质含量预测与近地遥感探测方法比较

6.1 材料与方法

6.1.1 试验设计

6.1.2 测定项目与方法

6.1.2.1 小麦穗全氮含量(ETNC)与籽粒蛋白质含量(GPC)的测定

6.1.2.2 光谱数据的获取

6.1.3 光谱特征参量的筛选

6.1.4 数据分析

6.2结果与分析

6.2.1 基于近地遥感小麦籽粒蛋白质含量监测方法比较和分析

6.2.1.1 不同测定方法小麦冠层、穗层及上、下层的光谱响应

6.2.1.2 冠层、穗层光谱反射率与穗含氮量(ETNC)的相关性比较

6.2.1.3 冠层及上、下层光谱反射率与上、下层叶片、茎鞘含氮量的关系

6.2.1.4 不同层次含氮量与籽粒蛋白质含量的相关分析

6.2.1.5 穗全氮含量与籽粒蛋白质含量相关模型的建立及验证

6.2.2 基于穗层反射光谱的小麦籽粒蛋白质含量的监测

6.2.2.1 小麦穗全氮含量(ETNC)与光谱特征参量的相关分析

6.2.2.2 成熟期小麦与籽粒蛋白质含量的相关分析及链接模型的建立

6.2.2.3 模型验证

本章小结

第七章 结论与讨论

7.1 冬小麦不同株型品种光谱响应及株型识别

7.2 冬小麦不同群体冠层结构的高光谱响应研究

7.3 基于冠层光谱的不同株型小麦品种籽粒品质的预测

7.4 冬小麦冠层红边参数的变化及其与氮素的相关分析

7.5 冬小麦近地遥感探测方法比较和籽粒蛋白质含量的预测

7.6 本研究取得的主要进展及进一步研究设想

7.6.1 主要进展

7.6.2 进一步研究设想

参考文献

作者简介

发布时间: 2005-09-05

参考文献

• [1].高温胁迫对小麦籽粒蛋白质含量和淀粉含量影响的研究[D]. 张玉峰.中国农业大学2016
• [2].冬小麦冠层氮素分布与品质遥感的研究[D]. 王之杰.中国农业大学2004
• [3].普通小麦品质性状遗传与QTL分析[D]. 张立平.中国农业科学院2003
• [4].不同栽培技术体系对冬小麦产量品质和光能水氮利用效率的影响[D]. 石玉华.山东农业大学2011
• [5].利用地—空高光谱遥感监测小麦氮素状况与生长特征[D]. 鞠昌华.南京农业大学2008
• [6].弱筋小麦籽粒品质形成的生理机制及调控指标研究[D]. 陆增根.南京农业大学2008

相关论文

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• [5].区域性冬小麦籽粒蛋白含量遥感监测技术研究[D]. 李存军.浙江大学2005
• [6].高光谱遥感图像目标探测与分类技术研究[D]. 耿修瑞.中国科学院研究生院（遥感应用研究所）2005
• [7].植被生化组分高光谱遥感定量反演研究[D]. 沈艳.南京信息工程大学2006
• [8].基于冠层反射光谱的小麦氮素营养与籽粒品质监测[D]. 李映雪.南京农业大学2005
• [9].基于高光谱遥感的小麦氮素营养及生长指标监测研究[D]. 冯伟.南京农业大学2007
• [10].烟草高光谱特性与农艺、生理、品质指标关系和估测模型研究[D]. 李向阳.河南农业大学2007

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