利用高光谱数据估测植物叶片碳氮比的可行性研究

植物碳氮比作为一个在农业、生态、全球变化等领域广泛使用的因子,如果能够利用遥感获得的高光谱数据进行估测,可以突破传统测量方法的种种弊端,具有重要的实践意义,同时对于定量遥感反演领域的拓宽也具有启示作用。利用统计分析的方法,对碳氮比遥感定量估测的可行性进行深入探讨,认为利用高光谱数据估测植物叶片碳氮比是可行的。另外还通过与氮的遥感定量研究相比较,找到一个较好的研究碳氮比遥感定量反演的切入点,并将两者分别作为因变量进行逐步回归分析,得到比较理想的结果。
     

高光谱反演叶片叶绿素及全氮含量

植物的含氮量和叶绿素含量指示了植被的健康状况.本文利用野外采集的叶片样本获取叶片的光谱反射率及叶绿素和全氮的含量,分析和利用高光谱数据反演叶片叶绿素及全氮含量的可行性及精度.鉴于高光谱数据存在冗余这一特性,本次试验采取了偏最小二乘法来对光谱数据进行回归分析,进行叶绿素和氮素含量的估算.同时,本文也比较了叶片叶绿素含量和氮素含量在不同单位表达形式下,偏最小二乘法对其的估算精度.试验结果表明,基于偏最小二乘法分析叶片反射率估测叶片的叶绿素含量及全氮含量具有很好的结果,精度全都达到85%以上,具有应用价值.     

可见光—近红外光谱估算三江源区不同土壤全氮含量

近年来可见光—近红外反射光谱已被广泛应用于估算土壤全氮含量,为大范围区域土壤全氮含量获取提供了一种快速、有效的方法。基于实验室测定的三江源区146个表层土壤(0~30cm)样品的反射光谱数据(350~2 500nm)与全氮含量数据;利用偏最小二乘回归(PLSR)和反向传播神经网络(BPNN)两种模型方法与光谱反射率(REF)及其4种数学预处理变换相结合,分别建立分土壤类型样本和总体样本全氮估算模型;评估利用可见光—近红外光谱技术预测三江源区土壤全氮含量的能力。结果表明:BPNN模型的R2cal、R2val及验证RPD的平均值分别为0.87、0.81与2.28;而PLSR模型则相应为0.75、0.72和1.95;表明BPNN模型预测能力整体上要优于PLSR模型。BPNN与光谱各种形式的结合均具有良好、或接近良好预测全氮的能力;而PLSR与REF、倒数对数(Log(1/R))及波段深度(BD)的结合仅少部分具有良好估算能力、大部分则为粗略估算能力,一阶微分(FDR)和二阶微分(SDR)估算精度均较低,尤其是SDR(R20.5,RPD=1.10~1.27)均不具备估算能力。总体样本所建模型稳定性好于分土壤类型,分土壤类型建模差异性明显;此外,总体来看,BPNN模型比PLSR建模精度高、模型稳定性好,但PLSR模型可操作性强于BPNN模型。     

利用中巴-2号卫星CCD估测土壤全氮的研究

遥感监测土壤对于及时快速掌握农田肥力状况,合理施肥意义重大。NDVI在监测地表植被覆盖中发挥着重要作用,水田植被覆盖种类单一,其他影响因素少,这使得通过NDVI监测水稻长势,间接监测土壤肥力状况变得可行。本文就是利用中巴-2号卫星的CCD的植被指数对南京溧水县水田的土壤质量进行监测,回归方程的决定系数R2=0.741,相对误差为0.1663。结论发现利用中巴卫星的植被指数对研究区的的水田氮素的监测是可行的,并在此基础上做了研究区的氮素等级分布图,实现了遥感监测溧水水田土壤全氮的估测。     

在水分胁迫下棉花冠层叶片全氮含量的高光谱遥感估算模型研究

研究利用美国产ASD地物光谱仪,获取新疆北部地区棉花冠层关键生育时期的高光谱数据,采用红边积分面积变量估测棉花冠层叶片的全氮含量,对反射光谱进行一阶微分,应用一阶微分光谱数据,衍生出基于光谱位置变量的分析方法,以红边积分面积(SDr)为自变量,冠层全氮(TN)含量为因变量,做相关分析与处理,构建新陆早6号红边积分面积与冠层叶片TN含量的相关数学模型。研究在不同水处理条件下,对棉花冠层单叶叶绿素含量和单叶全氮含量做相关分析,结果表明:叶绿素含量与TN含量呈显著的正相关(R=0.8723,n=39),叶绿素含量能有效的估计棉花单叶TN含量;红边积分面积变量与冠层TN含量呈显著的相关性,相关系数是0.7394(n=40),利用构建的相关模型可以较为精确地估测棉花两个品种新陆早6号与8号冠层叶片的全氮含量,RMSE分别为0.3859和0.4272。研究认为红边积分面积变量具有预测棉花冠层全氮含量的应用潜力,研究得出利用3边面积变量构造的数学模型对反演作物冠层TN含量有较高应用价值。研究认为,红边位移现象结合红边幅度的变化的研究,用于诊断棉花水分胁迫也是可行的,关键是建立相应合理的诊断指标体系。研究结果证明:①随着棉花的生长发育,叶片的生理生化参数发生变化,冠层的生理生化参数随之发生变化;②.棉花叶片叶绿素含量与叶片的全氮含量相关性显著(R=0.8723,n=38),通过建立数学模型,可以估测叶片中全氮的含量;③由一阶微分光谱衍生出基于光谱“红边”位置变量的分析方法,使我们认识到“红边”的变幅、形状和面积包含了各个波段的信息,这些波段综合产生的变量所构造的模型,为棉花氮素营养参数的估计提供了预测能力;④如果棉花叶绿素含量高,说明水分充足、氮代谢旺盛,植株处于生长旺盛时期,红边向蓝光方向发生了位移。利用红边位移现象结合红边幅度的变化的研究,用于诊断棉花水分胁迫也是可行的,关键是建立相应合理的诊断指标体系。     

在水分胁迫下棉花冠层叶片全氮含量的高光谱遥感估算模型研究

研究利用美国产ASD地物光谱仪,获取新疆北部地区棉花冠层关键生育时期的高光谱数据,采用红边积分面积变量估测棉花冠层叶片的全氮含量,对反射光谱进行一阶微分,应用一阶微分光谱数据,衍生出基于光谱位置变量的分析方法,以红边积分面积(SDr)为自变量,冠层全氮(TN)含量为因变量,做相关分析与处理,构建新陆早6号红边积分面积与冠层叶片TN含量的相关数学模型。研究在不同水处理条件下,对棉花冠层单叶叶绿素含量和单叶全氮含量做相关分析,结果表明:叶绿素含量与TN含量呈显著的正相关(R=0.8723,n=39),叶绿素含量能有效的估计棉花单叶TN含量;红边积分面积变量与冠层TN含量呈显著的相关性,相关系数是0.7394(n=40),利用构建的相关模型可以较为精确地估测棉花两个品种新陆早6号与8号冠层叶片的全氮含量,RMSE分别为0.3859和0.4272。研究认为红边积分面积变量具有预测棉花冠层全氮含量的应用潜力,研究得出利用3边面积变量构造的数学模型对反演作物冠层TN含量有较高应用价值。研究认为,红边位移现象结合红边幅度的变化的研究,用于诊断棉花水分胁迫也是可行的,关键是建立相应合理的诊断指标体系。研究结果证明:①随着棉花的生长发育,叶片的生理生化参数发生变化,冠层的生理生化参数随之发生变化;②.棉花叶片叶绿素含量与叶片的全氮含量相关性显著(R=0.8723,n=38),通过建立数学模型,可以估测叶片中全氮的含量;③由一阶微分光谱衍生出基于光谱“红边”位置变量的分析方法,使我们认识到“红边”的变幅、形状和面积包含了各个波段的信息,这些波段综合产生的变量所构造的模型,为棉花氮素营养参数的估计提供了预测能力;④如果棉花叶绿素含量高,说明水分充足、氮代谢旺盛,植株处于生长旺盛时期,红边向蓝光方向发生了位移。利用红边位移现象结合红边幅度的变化的研究,用于诊断棉花水分胁迫也是可行的,关键是建立相应合理的诊断指标体系。     

高光谱遥感反演土壤重金属含量研究进展

土壤重金属污染是当今重要的世界性环境问题之一。如何快速高效地获取土壤重金属含量及分布信息是进行污染风险评价及预测研究的前提。高光谱遥感具有无损、实时获取信息的优势,利用高光谱技术反演土壤重金属含量仍处于探讨阶段,对其反演机理和建模方法的研究成果进行了介绍和分析。认为充分研究不同类型土壤对重金属的吸附特性,是深入理解重金属含量反演机理的基础。加强不同土壤类型、不同污染程度的案例对比分析,发展光谱信号处理方法,引入非线性建模算法,构建重金属形态量反演模型,是土壤重金属含量遥感估算研究的重要研究方向。     

松花湖水体叶绿素a含量与反射光谱特征关系初探

根据2008年7月在松花湖实测的水体反射光谱及实验室分析得到的叶绿素浓度数据,对松花湖水体反射光谱特征与叶绿素浓度之间的关系进行探讨与分析。研究结果表明:水体叶绿素浓度与各波长点处反射率相关性均较好,并选择700 nm处反射率建立单波段模型。而700 nm和677 nm波长处反射率比值、685 nm处光谱一阶微分、700 nm波长处波峰几何特征具有较好的相关性,给出了松花湖水体叶绿素浓度估算模型,为松花湖水体叶绿素浓度反演监测提供了一定的理论基础与参考。     

太湖水体叶绿素浓度与反射光谱特征关系的研究

根据2004年10月在太湖实测的水体反射光谱及实验室分析得到的叶绿素浓度数据,对太湖水体反射光谱特征与叶绿素浓度之间的关系进行探讨与分析。研究结果表明:水体叶绿素浓度与各波长处的反射光谱相关性不大,但是反射光谱经过比值法和微分处理后,两者具有很好的相关性,而且叶绿素浓度与反射光谱700nm附近波峰几何形态特征(波峰位置、面积、净高度)相关性很好,建立太湖水体叶绿素浓度估算模型。     

土壤质地和水分对水稻土有机碳矿化的影响

通过¹⁴C示踪技术模拟实验（25℃下）研究砂壤土、壤黏土、粉黏土3种质地的水稻土有机碳矿化对水分变化的响应.砂壤土和壤黏土中水稻秸秆（¹⁴C标记）的矿化率在75%田间持水量（WHC）达到最大值,160 d分别约为53%和58%,粉黏土在45%～105% WHC范围内的矿化率处于缓慢升高趋势（41.8%～49.0%）;3种土壤原有有机碳的矿化率都在75% WHC最高,砂壤土为5.8%,壤黏土为8.0%,粉黏土为4.8%,但超过此含水量后,其矿化率显著下降.3种质地水稻土的添加和原有有机碳的矿化率与土壤含水量均呈二次曲线关系（p<0.01）.本研究进一步澄清了淹水对水稻土有机碳矿化的抑制作用.     

基于Hyperion影像的高光谱水汽含量反演的算法比较研究

基于高光谱遥感图像数据的大气参数反演和一体化辐射校正具有重要研究意义和应用价值。首先,通过6S模型辐射传输计算分析了EO-1/Hyperion遥感影像在940和1 130nm附近水汽吸收区域的光谱吸收特点。其次,采用两通道比值法和三通道比值法,比较了不同波段组合的大气含水量高光谱遥感反演精度并进行了敏感性分析,模拟实验结果表明采用三波段比值算法的相关系数和均方根误差均优于对应的两波段算法。最后,利用张掖地区2008年3景EO-1Hyperion高光谱遥感影像,反演了大气含水量,并与地基CE-318太阳分光光度计测量数据进行对比验证,结果表明:1 124nm水汽吸收通道反演精度优于940nm,两通道和三通道比值法的均方根误差分别为0.369和0.128g/cm2,三通道比值方法优于两通道比值方法,与地面观测结果一致。     

土壤水分对水稻土和菜园土有机碳分解的影响

采用培养法研究在不同水分条件下水稻土和菜园土有机碳的分解变化特征。结果表明,不同的土壤类型和不同的水分条件下CO2释放速率的变化趋势都是前期分解速率快,后期分解速率减慢并趋于稳定。低土壤水分含量不利于水稻土和菜园土的有机碳分解,中等土壤水分含量有利于菜园土的有机碳分解,高土壤水分含量有利于水稻土的有机碳分解。对有机碳分解累计量曲线的拟合,幂函数(y=b0*xb1)可以很好的反映这种变化趋势,并且b0和b1与土壤水分含量都有很好的相关性。     

东北黑土有机碳、全氮空间分布特征

应用经典统计学方法,分析了东北黑土表层1100个样点的土壤有机碳(SOC)和全氮空间分布规律。结果表明土壤有机碳和全氮平均含量分别为19.25 g kg-1和1.89 g kg-1,从南到北随纬度增加而增加,土壤有机碳和全氮与纬度的相关系数分别为0.70和0.76;土壤有机碳、全氮与黏粒、砂粒在P<0.01水平上显著相关,其中与砂粒为显著负相关,而SOC与粉粒则在P<0.05水平下显著正相关;土壤全氮与粉粒没有相关性。     

轻壤质潮土氮肥基追比对小麦产量与品质的影响

田间试验研究轻壤质潮土氮肥基追比对冬小麦产量和品质的影响。结果表明:供试麦田氮肥施用的基追比例以4:6为宜,追肥氮在拔节期施用,可获最高小麦子粒产量。基追比不同对小麦品质也有较大影响,在基追比5～6:5～4的范围内,籽粒蛋白质含量、产量、湿面筋、沉淀值均相对较高。生育期氮素积累量对蛋白质含量与产量有显著的影响。     

金堂环溪河流域土壤氮素含量及其影响因素分析

采集耕层(0～20cm)土样108个,研究其氮素含量及其影响因素。结果表明,研究区土壤全氮和碱解氮均呈正态分布。其中土壤全氮平均含量为0.52g kg-1,碱解氮平均含量为68.1mg kg-1。地形条件、土地利用方式和轮作制度是影响土壤氮素含量的重要因素。统计分析表明,不同台位之间土壤全氮含量均未达到显著水平;不同台位之间土壤碱解氮含量差异显著,冲沟水田(77.1mg kg-1)、一台地(72.3mg kg-1)和二台地(71.0mg kg-1)均显著高于丘顶地(51.6mg kg-1)。四种土地利用方式之间全氮含量呈显著差异,林地(0.69g kg-1)和旱地(0.45g kg-1)、水田(0.48g kg-1)分别达到极显著差异和显著差异水平,非林地之间差异不显著;四种土地利用方式之间碱解氮含量呈极显著差异,林地(81.3mg kg-1)与旱地(56.1mg kg-1)达到极显著差异,而在非林地之间,旱地与果园(77.2mg kg-1)、水田(70.8mg kg-1)分别达到显著差异。轮作制度对土壤氮素含量和分布的影响程度不如台位和土地利用方式,四种轮作制度之间土壤全氮和碱解氮含量均未达到显著差异。     

基于地面实测高光谱数据的三江源中东部草地植被光谱特征研究

草地不仅是畜牧业的生产基地,而且是生态安全屏障保护和牧民生活与草原文化传承的基础,具有生态、生产和生活功能。然而,草地日益退化导致的生态经济问题越来越突出。因此,实时、准确地监测草地的退化具有重要意义。根据所测定的各种地面植被的光谱数据,分析了三江源中东部典型草原区常见草种的光谱特性;利用一阶微分法、连续统去除法和归一化微分比的方法对草地植被光谱反射曲线进行了处理,提取了典型草地植被的光谱特征;通过光谱分析法能准确识别藏嵩草和小嵩草优势种,取得了较好的精度。为高光谱遥感草地监测提供了有力依据。     

洞庭湖区不同耕种方式下水稻土壤有机碳、全氮和全磷含量状况

在洞庭湖区的2km2典型样区内,按3个/hm2的密度采集土样,分析不同耕种方式下(水稻、水旱轮作油菜、水改旱种苎麻1~5年)水稻土壤的有机碳、全氮和全磷含量状况。结果表明,水稻田土壤有机碳、全氮和全磷含量水平均较高,水田改为旱地后土壤有机碳、全氮含量及C/N比值有较大幅度的下降,但全磷含量变化不大。土壤有机碳、全氮及C/N比值均以水稻田土壤>油菜地土壤>苎麻地土壤,与水稻田相比,油菜土壤有机碳平均下降了11.19%、全氮下降了10.33%,而苎麻土壤有机碳平均下降了35.57%、全氮下降了31.61%。土壤有机碳与全氮之间呈线性关系,相关性均达极显著水平(P<0.01)。     

长期施用有机肥对瘠薄红壤有效碳库及碳库管理指数的影响

主要分析了长期施用有机肥对瘠薄红壤有效碳库(微生物量碳,易氧化碳,矿化碳)及碳库管理指数(CPMI)的影响.结果表明:长期施用有机肥对土壤有效碳库和碳素有效率有很大影响,绿肥,稻草秸秆肥和厩肥处理的土壤有机碳,微生物量碳、易氧化碳、矿化碳的数量、碳素有效率明显高于对照处理的土壤。施肥对全碳、矿化碳的影响为:厩肥>绿肥>秸秆稻草肥>本田还田>对照,对微生物量碳的影响为:绿肥>厩肥>稻草秸秆肥>本田还田>对照,对活性碳(CA)、CPMI,碳素有效率A、B、C的影响为:绿肥>稻草秸秆肥>厩肥>本田还田>对照。在提高CA、CPMI方面,绿肥和稻草秸秆肥优于厩肥。相关分析表明:土壤有效碳库和碳素有效率与土壤化学性质相关或极相关,CPMI与土壤养分因子相关或极相关,反映了农业生产措施对土壤碳库的影响,可以运用CPMI来评估土壤碳库的变化。