[发明专利]一种基于冠层高光谱指数的小麦植株水分监测方法

说明书

技术领域

本发明涉及小麦植株水分监测，具体涉及一种基于冠层高光谱指数的小麦植株水分监测 方法。

背景技术

小麦是世界上最重要的粮食作物之一。全世界有35％～40％的人口以小麦为主食。我国 小麦年产量约为1亿吨，占全国粮食总产量的22％，占世界小麦总产量的20％。水分是作物 生命活动的基本因子，绿色植物含水量可达80％～90％以上。缺水对作物的形态发生、生理 过程均产生影响，最终使得产量降低。根据作物水分状况实施精量灌溉是提高水分利用率和 水分生产效率的重要途径。

近年来，光谱遥感技术迅速发展为获取作物水分状况开辟了新途径。研究表明，利用作 物水分亏缺时引起叶片内部生理生态和外部形态结构等变化在高光谱上的响应特征，可快 速、准确地获取作物水分信息。研究发现，在970mm，1450mm和1940mm波段附近，小麦、 大丁草及大豆等植物的光谱反射率的峰能较好地反映叶片的水分状况，因此，由可见光和近 红外区域波段构成的植被指数可用于植物水分状况的监测。Gregory等研究认为水分含量对 光谱的初级影响是水分子直接吸收辐射，次级影响是水分含量造成叶片内部结构发生变化， 初级影响效果远大于次级影响效果。Gao通过分析植被冠层散射光谱对水分的影响表明， NDWI可较准确地监测指标冠层水分含量。田庆久等研究发现，小麦叶片相对含水量与 1450mm附近的特征吸收峰深度和面积呈现较好的线性相关性。谷艳芳等和王纪华等的研究 成果证实了利用光谱反射率可以准确预测植物叶片水分含量的可行性。田永超等研究发现， 比值植被指数R₈₁₀/R₄₆₀可较好地监测不同生育时期水稻植株和叶片的含水率；同时发现基 于作物冠层光谱植被指数RVI_(610，560)/NDVI_(810，610)能预测小麦植被水分状况。阿不都瓦斯提 ·吾拉木等研究提出了可用于监测大尺度植被水分含量的短波红外垂直失水指数SPSI，监测 的精度达到74％。

随着高光谱遥感技术的飞速发展，近年来，国内外有关这方面的研究报道越来越多。 Ceccato等提出了利用球状植被湿度指数(GVMI)反演植被水分含量；田永超等研究发现 R(610，560)/ND(810，610)是预测小麦植株水分状况良好的植被指数；Kakani等研究发现 R1689/R1657与室外盆栽棉花叶片水势高度相关；吉海彦等在1400～1600nm范围内测量了 冬小麦叶片反射光谱，用偏最小二乘法建立了水分含量与反射光谱的模型。综上，现有的研 究总大多基于多光谱数据进行，光谱分辨率较低，波段范围较小，而基于高光谱的分析中， 较少分析350～2500nm范围内的所有可能高光谱数据，且光谱没有经过预处理，噪音较大， 这就可能导致某些反映植被水分的敏感波段尚未被充分发掘或者结果有偏差。因此，有必要 采用更全面和精细的高光谱采样与分析方法，探索发现新的敏感波段及其高光谱指数。同时， 由于高光谱海量信息提取及数据预处理方法的原因，基于光谱技术构建的定量监测模型准确 性较低或者只能应用于特定生育期，或者模型在结构及算法上略显复杂，导致监测模型的普 适性较差，一定程度上削弱了其应用性。探索新的核心波段，构建简单而可靠的光谱指数一 直是光谱监测在农业遥感领域应用的重点和难点。

在高光谱数据分析中，为了减少背景噪音的影响，人们采用各种技术处理光谱数据，以 提高光谱信息的精确性。关于小麦植株和冠层叶片含水量的敏感波段选择技术和方法一直在 不断深入。Shibayama等的研究表明，用近红外光谱(1190～1320nm)或短波红外波段 (1600nm)的光谱反射率的一阶导数可以诊断双季稻冠层水分状况。Dobrowski等发现 690nm和740nm处的冠层光谱能够反映植株受水分胁迫的状态，Zhang Jiahua等研究发现可 见光区域的469nm、645nm、700nm和710nm波段，近红外区域的760nm、815nm、855nm、 930nm、1075nm和1100nm波段和短波红外区域的1550nm、1600nm、1640nm、1750nm和 2130nm波段是探测叶片含水量变化的敏感波段；Graeff等对6种不同水分处理下的小麦叶 片光谱数据进行分析，发现510和780nm、540和780nm、490和1300nm和540和1300nm 是表示小麦的叶片水分状况的最佳指示波段。

发明内容