请简述各光谱段的农业意义
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发布时间：2022-04-22 09:05
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时间：2023-10-14 13:08
1土壤光谱特性应用
土壤反射光谱特性是土壤基本特性之一 与土壤物理性质
有着密切关系 研究不同土壤的反射光谱特性监测土壤状况 是土壤遥感的一项基础工作 具有重要意义
1.1土壤水分监测
BoWers等发现土壤湿度增加引起反射率降低 为利用光
谱监测土壤水分奠定了理论基础 之后学者对可见光与近红外光谱做了大量研究 但土壤类型 太阳高度 大气条件和地表状况等引起的误差 对其实际应用干扰太大 人们则更多地关
注于红外波段的应用研究 1 Price等 Z
首次引入地表综合参数和表观热惯量 利用热红外辐射温差计算热惯量估算土壤水分 李星敏等 3
建立了真实热惯量 表观热惯量与土壤水分间
的关系模型 随着理论日臻成熟 植被覆盖度较低时热惯量法监测土壤水分已得到认可 而云层覆盖较厚时 可见光 近红外及热红外监测土壤水分效果都不好 微波遥感则以较强的穿透力表现出其全天候 高精度的优越性 把微波资料全天候的特性和可见光 红外波光谱特征结合起来 将是监测土壤水分的一个新领域
1.2土壤有机质测定及肥力分析
土壤物质含量与光谱特征的研究开始于Z0世纪70年代
各种土壤反射光谱曲线在红外波段分异较大 特别是近红外反射光谱NIrS NearInfraredreflectanceSpectroscopy 因其快
速简便 无损和同时分析多种组分的 巨人 优越性被广泛应
用 Ben－Dor等 4 用NIrS估算了粘土含量 表面积 阳离子交
换量 湿度 有机质以及碳酸盐6种土壤重要属性 彭玉魁等
5
找到最佳脉冲点组合 对黄土高原土壤有机质和总氮量进行评价 填补了国内空白 研究发现 土壤颗粒大小 矿物质和粘粒等均会影响土壤对光谱的吸收强度和模式 宋晓宇等
6
分析了
土壤有机质在光谱中的响应 建立数学模型模拟土壤有机质含量 实现了养分对作物长势的控制 光谱技术 特别是近红外反射光谱对土壤总碳 总氮量及有机质含量的预测都已成功验证 其他养分 土壤属性及微生物的预测尚缺乏不同类型土壤的系统研究 目前尚没有适于各种土壤类型的稳定定标库 应加强土壤物理化学特征对光谱影响的机理研究 结合化学计量学 建立科学的土壤定标库 以适应不同类型仪器间的同质传递 未来一段时间 土壤肥力评估将以遥感为主
2植物光谱特性应用
植物本身是不规则的自然灰体 对太阳辐射通过反射 穿
透及吸收等产生特定的光谱 其光谱特性是植物生长过程与环境因子相互作用的综合结果 由生物物理和形态特征决定 与植物的生长条件和健康状况密切相关 某些胁迫因子可能导致光谱特性的改变 运用此原理 可以分析与判别植物光谱特
征 监测作物长势 诊断水肥状况 估算产量和检测品质等 评估作物生长与环境的交感作用 提高作物管理水平 实现定时定位 处方农作
2.1作物水分监测
水分缺乏是影响植物原初生产力最普遍的因子之一 定量
快速地获取植物水分状况 对农田灌溉和精确农业发展具有重要意义 通常用来解释植物水分状况的指标有相对含水量 水势等 测定复杂 不适于大田研究 依据光谱特性监测水分状
况 以其非破坏性和快捷成为农业生产的研究热点 7 8
叶片
含水量下降时 光谱反射率在可见光和近红外波段有所增加 在中红外波段叶片的一阶导数反射光谱与叶片含水量高度相关 一些学者提出植被在0.97和1.9卜m附近的光谱反射率
吸收峰反映着植物的水分状况
9 王纪华等 10
则认为1.45卜
m处特征吸收峰是反映叶片水分含量的最佳波段 并进一步定量分析 建立了叶片水分与1.45卜m附近水的反射率特征吸收峰深度和面积回归模型 但1.45卜m处光谱特征吸收峰受大气层水干扰较大 测定困难 可以用受干扰较小的1.65～1.85卜
m波段间接反映小麦水分状态 尤其在小麦生长中后期干物质比重增大 体内含水减少时应用效果更好 可以作为航空或
卫星遥感探测指标 应用前景广阔 11
2.2作物营养诊断
作物营养状况诊断 主要借助化学分析或依据叶面缺素症
状 前者手续繁琐 破坏植株 后者仅凭经验目视观察 缺乏简便快速 科学有效 适宜大面积推广的诊断方法用作田间指导 Z0世纪60年代 学者开始研究植物体内营养元素和生化物质
含量与植物反射光谱的关系 所有营养元素中 氮素对作物生长和产量影响最大 且与光谱特征相关关系良好 大田内可以
测定光谱特性诊断作物营养状况 1Z 周启发等 13
研究了水稻
不同氮素水平的傅立叶转换红外光谱差异 证明了该方法诊断氮素的可行性 随施氮量增加 可见光光谱反射率降低 而近红外至中红外反射率升高 学者研究含氮量与光谱反射率或其演生量的关系 建立了模型估算田间作物氮素含量 张喜杰
等 14 将高光谱遥感引入温室 建立了黄瓜光谱反射率与含氮
量间的数学模型 与氮相比 光谱技术诊断作物磷钾的应用研究还较少 据报道 可见光波段磷的光谱特征与氮素变化相反 近红外波段趋势相似 低氮低磷水平 钾与氮胁迫的变化一
致 高氮高磷水平相反 马超飞等 15 研究了微量元素的植物
光谱响应 指出Co含量与0.56卜m附近反射率显著负相关 Mn B Mo和Zn分别与中心波长为0.4 1.16 0.47 0.88 Z.19 Z.34 其中1.6Z卜m和Z.34卜m的光谱反射峰位置相关较好
叶绿素和叶面积指数分别表征了作物的生产能力和群体长势 反映了作物生长发育动态 也是反映物质生产和光谱关系的重要枢纽 利用光谱数据可以对叶片叶绿素含量和作物群体长势进行预测 日本MIN0LTA公司研制开发了SPAD叶绿素计诊断氮素 取得一定效果 但实际应用中受作物品种和环境条件影响大 需结合室内测定分析 并建立标准曲线校正
Zhao等 16
指出植物反射特征与叶绿素和氮含量成正比 王秀
珍等
17 研究了红边参数推算叶绿素含量和叶面积指数的简便Z
光谱技术在农业领域的应用与展望张瑞美彭世彰徐俊增
可行性 沈掌泉等 18]
利用氮素胁迫下植物体内营养运移的原
理 将上下部叶片光谱特性比值作为诊断氮素营养的指标 用光谱特性诊断作物营养状况 已经从定性走向了定量 涵盖了N~P~K及其他微量元素与生化物质含量 证实了温室~大田和盆栽等不同生长环境下的可行性 但测定时要注意不同环境~时间~部位及先后次序等均会对反射率产生影响
2.3作物产量估测
利用可见光及近红外波段数据定量地计算卫星植被指数
并分析时空变化 建立农学参数与植被指数的定量关系 可以实现作物产量预报 随着高空间~
高分辨率遥感的应用 光谱在作物长势监测和估产中表现出强大优势 19]
作物遥感估产 首先要进行遥感估产区划 许红卫等 Z0]以稻作制度为主导
因子分区指标
将地理信息系统空间邻接分析与图论树算法相结合进行了估产区划研究 实际上 植被指数不仅受地表状况的影响 还与大气状况有密切关系 大气辐射校正一直是困扰
高精度定量遥感的难题 黄敬峰等 Z1]
研究了大气状况对
Av~rr通道的影响 并将N0AA/Av~rr通道1和通道Z的大气校正简化为加法因子天空反照率和乘法因子透过率的计算 抽穗期光谱反映了营养生长的好坏 灌浆期光谱反映茎~叶营养成分向穗部的转移状况 蜡熟期光谱则反映了青秆黄熟~
贪青徒长与早衰状况 黄敬峰等 ZZ]
首次提出遥感估产
最佳时相分为种植面积估算和产量预报两部分 指出孕穗期到抽穗期是建立水稻遥感估产模型的最佳时期 并建立了遥感估产比值模型和回归模型 近红外波段的光谱反射率越高 与可见光及短波红外波段的光谱反射率差异越大 作物产量也越高 刘良云等
Z3]
利用近红外波段890nm反射峰~980nm与1
Z00nm弱水汽吸收谷和短波红外1650nm~ZZ00nm反射峰 设计归一化差值光谱指数CNDvI> 改善了冬小麦估产精度 抽穗期-灌浆期-蜡熟期多时期复合估产模式更符合水稻产量形成机理 效果优于单时期估产模式
Z4]
2.4籽粒品质检测
作物籽粒品质的影响因素众多 指标测定一般用生化方
法 费时费力~且不能在收获前预测 光谱技术特别是近红外反射光谱技术在籽粒品质检测 尤其是含量较高的蛋白质和直
链淀粉含量测定中 Z5] 得到了较好的应用 王纪华等 Z6]
基于
开花期叶片含氮量与籽粒品质指标的关系 建立了小麦籽粒蛋
白质含量等品质指标的回归预测方程;肖昕等 Z7]分析籽粒的
直淀粉含量和蛋白质含量指标 根据定标集样品化学分析数据
和吸收光谱建立了定标模型;魏良明等 Z8]采用偏最小二乘回
归法 建立了测定玉米混合籽粒样品蛋白质~淀粉含量的校正
模型 舒庆尧 Z9]等研究了不同光谱预处理和回归统计方法对
建立回归方程的影响 得出最佳效果 有研究指出 在光栅单色仪测量光路中增设截止滤光片部分能够消除各种成分光谱
间的相互干扰 提高测量分辨率 唐延林等 30]研究了稻米品
质与原始高光谱反射率及其一阶导数光谱的相关性 认为利用导数光谱估测效果优于原始光谱 光谱对含量较少的氨基酸
的应用有人做了尝试 31] 油料作物的脂肪测定也有应用 唐绍清 3Z]等则对光谱技术测定稻米脂肪开始尝试 建立精米中脂
肪含量数学模型
2.5病虫害及农药残留监测
植物遭受病虫害侵染后 外部形态和生理效应发生变化 研究和利用受害植物光谱特性的变异信息 为大规模监测植物病虫害提供了依据 美国利用红外遥感成功探测到玉米枯萎病~山核桃丛枝病和松材线虫的发生和发展;FA0沙漠蝗虫防
治委员会通过植被色调变化监测和预报蝗虫 吴曙雯等 33]
研
究稻叶瘟对水稻光谱特性的影响 发现绿光区~红光区和近红外区的水稻冠层光谱反射率随病情程度的加重分别呈现下降~
上升和下降的趋势;何国金等 34]
分析叶绿素含量与麦蚜量间
的动态关系
提出基于地面光谱测试的麦蚜虫情预报~虫害监测的方法 目前农药残留检测主要有气~液相色谱 质谱 以及气~液相色谱-质谱联用等方法 前处理过程繁琐 难以现场快速检测 光谱技术则易处理
分析速度快 且对环境无污染 可以同时进行农药残留多组分测定 应用潜力大 李文秀等
35]
对高残留农药中红外衰减全反射光谱数据进行研究 通过农药在水中的吸收建立模型模拟其在蔬菜体内的吸收 为实现对蔬菜农药残留进行快速检测提供了一条新途经
3冠层光谱特性应用
冠层光谱特性是植物与土壤光谱特性的综合 随冠层发育
土壤光谱作用下降 而植物衰老时 土壤背景作用又逐渐增大
田永超等 36 37]
建立了不同水氮条件下作物叶水势和含水率与
冠层反射光谱的定量化关系 指出rC610 560>/NDC810 610>和r810/r460分别是预测小麦~水稻水分状况的最佳光谱植被指数 与叶片光谱特性一样 氮素营养对冠层光谱特性影响
的研究最为系统深入 孙莉等 38]
开展了高光谱红边参数与叶
片全氮量的研究 建立了红边积分面积与叶片全氮量的数学模
型 薛利红等 39 40]指出小麦叶片含氮量同光谱指数的关系要
优于叶片氮积累量 对水稻则叶片氮积累量效果更佳 研究认为
水稻叶片氮素含量与绿光~黄光波段反射率相关性最大~短波近红外光相关性最小 41] 对冬小麦则是红光~近红外波段最为敏感 4Z]
通过某生育期光谱特征直接预测作物产量和籽粒品质还存在局限性 但利用冠层反射光谱特征反演作物叶片氮素状
况 可间接对产量和籽粒品质监测预报 薛利红等 43]
建立了
水稻的光谱植被指数-累积叶面积氮指数-产量估测模型;唐
延林等 44]指出高光谱差值植被指数r990－r440和r1Z00－
r440的估产效果最佳
最高精度达95% 田永超等 45]综合预测出小麦叶片氮含量~积累量和籽粒蛋白质含量~积累量;黄文
江等 46]
运用开花期的光谱结构不敏感植被指数反演叶片类胡
萝卜素与叶绿素a的比值 反演叶片全氮和籽粒品质指标
遥感获取的冠层反射光谱信息中上层叶片的光谱贡献率
较大 中下层叶片信息量不足 王纪华等
47]考察了田间条件下冬小麦主要生育阶段冠层氮素~叶绿素的垂直分布及其光谱响应
并指出利用近红外大多数波段的冠层反射光谱反演中下层叶片的叶绿素含量可能获得较高的精度 而对氮素的反演需要从可见光波段或短波红外波段中筛选 植冠并非光滑平面体 冠层光谱的测定有甚多影响因子必须考虑 增加分析及判读的困难 然而其应用的效率确也极高 进一步研究~建立更多的资料 积累丰富的经验 将来一定能成为广域的生态及逆境判别的极佳利器
