基于高光谱遥感技术的冬小麦晚霜冻害早期诊断研究

【摘要】晚霜冻害是冬小麦在进入拔节期以后所发生的一种霜冻灾害,当春季冬小麦正常拔节以后,如果原本已经逐渐回升的气温突然大幅度下降,就容易导致冬小麦遭受霜冻灾害,农业生产上将其称为晚霜冻害。由于晚霜冻害本身具有灾害发生的突然性,以及灾后症状的隐蔽性,因此,利用传统的农业灾害监测手段难以对其做到及时、准确、高效的灾情诊断。本论文中采用精确性更高、时效性更强的高光谱遥感技术,基于2011～2012年的田间人工晚霜冻害试验,通过测定分析拔节期内不同霜冻温度、不同霜冻日期处理条件下不同品种冬小麦的冠层高光谱反射率数据,分析冠层原始光谱与一阶微分光谱的变化特征；结合各项单株产量要素的相应差异,考察不同霜冻处理温度及处理时间下冬小麦的受灾程度；通过分析冠层高光谱反射率及高光谱特征参数与各项产量要素之间的相关性程度,从中筛选出晚霜冻害的冠层原始光谱敏感波段、一阶微分光谱敏感波段及高光谱敏感特征参数；在此基础之上,建立基于各类型高光谱敏感指标与单株产量要素之间的线性回归模型,并进一步分析各项敏感指标的拟合精度及敏感性程度,从而构建基于高光谱遥感技术的晚霜冻害早期诊断指标体系。本论文的主要研究成果与结论如下：1.在晚霜冻害发生后1d之内,冠层高光谱反射率即发生了非常明显的变化。随着处理温度的降低,霜冻小区冬小麦的原始光谱曲线在“绿峰”部分(波长550nm左右处)趋于平缓,其“红谷”现象(波长670nm左右处)也有所减弱,该波段范围内(530～680nm)的光谱曲线逐渐趋于水平；与此同时,“近红外反射平台”部分(760～925nm波段范围内)的光谱反射率整体下降,而该波段范围内的光谱曲线斜率则随之明显增大；一阶微分光谱曲线在可见光部分逐渐趋于平缓,而“红边”部分(680～760nm波段范围内)的一阶微分值则随之明显减小,并且出现了“红边蓝移”的现象,这些都反映出冬小麦的长势已经收到了胁迫。此外,随着霜冻发生日期的变化,冬小麦冠层高光谱数据产生了较为明显的差异,不同品种、不同光谱波段的冠层原始光谱及一阶微分光谱对于霜冻日期的响应情况也有所不同。2.对于不同霜冻温度处理下冬小麦的冠层高光谱反射率与其单株产量要素之间的相关性分析表明,原始光谱反射率与产量要素之间主要呈现负相关性；而在不同霜冻日期条件下,冬小麦冠层原始光谱与单株产量要素之间相关系数正负性的过渡部分主要是出现在“红边”波段范围内(680-760nm),一阶微分光谱与产量要素之间在可见光部分的相关性程度整体上要高于近红外部分(780-1000nm波段范围内),显著性水平高于0.05的光谱波段也主要出现在可见光部分的350-700nm波段范围内；经过一阶微分变换之后,两种处理条件下(不同霜冻温度、不同霜冻日期)冬小麦的冠层高光谱反射率与各项单株产量要素之间的相关性程度均有所提高,相关系数的波动性也随之明显增大。3.不同霜冻温度处理条件下,各项单株产量要素的一阶微分光谱诊断指标大多位于近红外波段范围内(780-1000nm),不同霜冻日期下各项产量要素的一阶微分光谱诊断指标则均位于可见光波段范围内；在高光谱特征参数诊断指标当中,SDR/SDy指标与λR指标表现尤为突出,因此可以考虑将其作为未来晚霜冻害高光谱诊断方面的主要研究对象；在所构建的冬小麦晚霜冻害高光谱诊断指标体系当中,大部分诊断指标都与冠层高光谱曲线的“红边”(680-760nm波段范围内)有关,说明与其它灾害胁迫相类似,“红边”部分的冠层高光谱数据对于冬小麦晚霜冻害同样具有很强的敏感性,因此,在今后的相关研究当中可对其特征差异进行重点分析。
【作者】魏辰阳；
【导师】欧维新；
【作者基本信息】南京农业大学，地图学与地理信息系统，2013，硕士
【关键词】冬小麦；晚霜冻害；高光谱遥感；产量要素；

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