猕猴桃叶片叶绿素含量高光谱估算模型研究

【目的】研究猕猴桃叶片叶绿素含量的高光谱估算方法,为猕猴桃长势的遥感监测提供理论依据。【方法】以陕西杨凌蒋家寨村2018年不同生育期(初花期、幼果期、膨果期、壮果期、果实成熟期)的猕猴桃叶片为研究对象,分别测定其高光谱反射率和叶绿素含量(SPAD值),分析原始光谱和5个常见的植被指数(归一化植被指数、归一化叶绿素指数、改进的叶绿素吸收反射率指数、MERIS地面叶绿素指数、土壤调整指数)与叶绿素含量之间的相关关系,提取各生育期的特征波段,分别建立基于特征波段和植被指数的单波段叶绿素含量一元线性估算模型。利用主成分分析对原始光谱数据进行降维,将得到的主成分得分作为随机森林模型的输入变量,建立基于多波段信息的叶绿素含量多元估算模型,并对模型进行精度验证和分析。【结果】不同生育期猕猴桃叶片光谱反射率变化趋势基本一致,整体趋势为可见光波段反射率低,近红外波段反射率高;在可见光波段,光谱反射率随着叶绿素含量的升高而降低;在近红外波段,光谱反射率则随着叶绿素含量的增加而升高。通过相关性分析可知,初花期、幼果期、膨果期、壮果期、果实成熟期原始光谱的特征波段分别为729,548,707,707和712 nm,估算模型决定系数(R~2)分别为0.18,0.85,0.54,0.85和0.82,其中初花期估算模型未通过显著性检验,其余生育期均通过极显著性检验。在5个常用植被指数中,初花期与叶绿素含量相关性最高的是归一化叶绿素指数(NPCI),但是估算模型决定系数R~2只有0.1,未通过显著性检验;其他生育期与叶绿素含量相关性最高的是MERIS地面叶绿素指数(MTCI),所建立的估算模型拟合效果好,预测精度高。基于主成分分析和随机森林回归建立的不同生育期猕猴桃叶片叶绿素含量估算模型的R~2在0.91～0.98,均通过极显著性检验,其拟合效果和预测精度远高于单波段一元线性回归和基于植被指数的一元线性回归模型,是估算猕猴桃叶片叶绿素含量的最优模型。【结论】基于主成分分析的随机森林模型包含了更完整的波段信息,对不同生育期猕猴桃叶片叶绿素含量具有较好的预测能力。     

水稻遥感估产的农学机理研究——Ⅰ.不同氮素水平的水稻光谱特征及其敏感波段的选择

介绍了大田与盆栽条件下不同氮素水平的水稻冠层、叶片和稻株的光谱反射特征曲线。经过光谱差异性检验,找出了诊断水稻氮素营养水平的敏感波段范围,结合考虑实用性确定冠层敏感波段为760～900nm、630～690nm和520～550nm;叶片敏感波段为760～900nm、630～660nm和530～560nm。     

夏玉米光谱特征对其不同色素含量的响应差异

在不同施氮水平夏玉米的6个典型生育期,采用化学方法测定冠层叶绿素含量,利用叶绿素计测定的叶绿素读数以及光谱反射率,系统分析了单波段反射率、可见光和近红外波段组合而成的归一化植被指数(NDVI)、比值植被指数(RVI)等8种常见植被指数与相应时期2种方法测定的叶绿素含量的相关性。结果表明,随着施氮量的增加,叶绿素含量和冠层近红外波段反射率都随之增加;整个生育期中孕穗期在近红外区域反射率最高,与可见光波段反射率相差最大;6个生育期单波段510~1 100 nm反射率、NDVI、RVI等植被指数与叶绿素含量的2种测定结果显著相关或极显著相关,植被指数的表现较单波段更好,且从苗期到乳熟期,各波段反射率与叶绿素的相关性逐渐增强。整体来讲,可见光中560、660 nm和近红外760、810、590和1 300 nm组合的NDVI在各生育期与2个农学指标的相关性较好,选择NDVI(560,760)可以准确拟合夏玉米叶片叶绿素含量,其对化学方法测定的叶绿素含量拟合效果较佳。     

冬小麦高光谱信息提取方法的研究

针对高光谱数据波段多、数据量大和冗余度大等特点,本文以ASD便携式高光谱仪为光谱数据获取手段,以不同生育时期冬小麦冠层高光谱为研究对象,采用主成分分析和波段自相关分析两种方法来进行数据降维,通过采用基于高光谱与叶面积指数估算(LAI)相关系数法进行验证,以确定冬小麦高光谱遥感信息提取的最佳波段。结果表明,主成分分析法(PCA)和波段自相关分析法选择的波段主要在可见光区域(350~450nm和600~700nm)、近红外区域(1 100~1 200nm)和短波红外区域(1 500~1 750nm),包含了验证方法基于高光谱与LAI相关系数法所选择的主要波段范围:可见光区域和近红外区域。综合考虑,用主成分分析法和波段自相关分析法两种方法对冬小麦高光谱提取的信息是全面、可靠的,包含了针对某一生理指标如LAI的有关信息。     

不同氮营养水平与夏玉米光谱特性关系初报

【目的】揭示关中地区夏玉米叶面光谱特性与施氮量间的相关性,探索不同施氮水平下夏玉米叶片含氮量与叶绿素等生化指标及其光谱反射率特征。【方法】在田间设置不同施氮水平(纯氮施用量分为0,120和240kg/hm2)的试验小区,分别于喇叭期、抽穗期、吐丝期和乳熟期,采用FieldSpec光谱仪于室内标准光源下测定夏玉米叶片的光谱反射率,采用H2SO4-H2O2消煮,连续流动注射分析仪测定叶片氮含量,采用叶绿素仪测定穗位叶片的叶绿素含量,并对所得数据进行相关性分析。【结果】夏玉米叶片含氮量与叶绿素含量之间呈显著相关性,作物施氮水平对叶片的叶绿素含量及含氮量有直接影响;不同施氮水平下夏玉米叶面的反射波谱曲线趋势大致相同,均明显在绿波段(550 nm左右)有1个反射峰,在近红外波段(760~1 070 nm)有1个较高的反射率平台,在近红外波段(760~1 070 nm)处的反射率随氮肥用量的增加而提高,在可见光波段(400~760 nm)处的反射率则正好相反;在可见光波段,不同生长期玉米的叶面光谱反射率表现为乳熟期>抽雄期>喇叭口期>吐丝期,而在近红外波段其光谱反射率表现为乳熟期>喇叭口期>抽雄期>吐丝期;在可见光(400~760 nm)波段处,夏玉米不同生育期叶片的反射率与叶片含氮量及叶绿素含量呈负相关,而在近红外(760~1070 nm)波段处,除抽雄期外,其余生育期叶片的反射率与叶片含氮量及叶绿素含量均呈正相关,且相关性较为显著;高光谱遥感监测显示,关中地区夏玉米氮素营养水平的敏感时期分别是喇叭口期、吐丝期及乳熟期,敏感波段为可见光波段的500~720 nm和近红外区的760~1 070 nm。【结论】夏玉米的氮营养水平与叶面光谱反射率存在显著的相关性,利用高光谱遥感数据监测关中地区夏玉米的营养状况是可行的。     

玉米叶绿素含量高光谱反演的线性模型研究

叶绿素含量是衡量植被生长状况的一个重要指标,高光谱数据具有较高的光谱分辨率,利用其光谱信息建立叶绿素含量的关系模型,已成为监测植被长势的一种有效手段。传统叶绿素含量线性回归模型的输入因子是植被特征提取参数,由于高光谱数据波段间的冗余度较高,导致一般的线性模型的反演精度较低。主成分分析可以减少数据的维数,简化网络结构,得出能反映原始信息的综合变量。本文以盆栽玉米为研究对象,利用植被特征和主成分分析方法提取光谱反演参数,根据所提取的参数建立玉米叶片叶绿素含量的一元线性和多元线性回归模型。结果表明,利用绿峰峰值和近红外反射率均值两参数可在一元线性模型中较好地反演玉米叶片叶绿素含量;而利用分波段提取的主成分能够在多元线性回归模型中更好地反演叶绿素含量,反演精度较高。     

水稻穗颈瘟严重度的高光谱反演模型研究

通过人工诱发不同等级水稻穗颈瘟,测定染病稻穗光谱及其病情指数(DI).分析了病穗反射光谱和一阶微分在绿光区、黄光区和近红外区反射特征差异,将病情指教及光谱数据进行相关分析,建立水稻穗颈瘟严重度的估测模型并进行可靠性检验.结果表明:750-850 nm反射光谱及720-760nm 一阶微分为水稻穗颈瘟的敏感波段;在400-700nm光谱范围内病情指数与光谱反射率的相关性达到了极显著正相关,对于微分光谱,在520-540nm和710-760nm光谱范围内病情指数与光谱反射率的相关性达到了极显著负相关,在570-610nm光谱范围内病情指数与光谱反射率的相关性达到了极显著正相关,并在此基础上建立了水稻穗颈瘟病情指数的高光谱反演模型,该研究为今后通过航空、航天遥感大面积监测水稻穗颈瘟提供了理论依据.     

不同生育期核桃树冠层叶绿素含量高光谱估算研究

无损、实时、精准地对核桃树冠层叶绿素含量进行高光谱估算,对核桃树生长监测、营养诊断具有重要的指导意义。本研究以连续2年测定126棵核桃树不同生育期冠层光谱反射率及叶绿素含量,分析果实膨大期、果实硬核期、油脂转化期和果实成熟期4个生育期冠层光谱变化规律及叶绿素含量变化特征;在冠层光谱反射率400～1 000 nm范围内计算任意两波段组合生成的RVI、DVI和NDVI指数与各生育期冠层叶绿素含量的相关性,确定各生育期最佳敏感波段组合;基于RVI、DVI和NDVI指数构建不同生育期冠层叶绿素含量估算模型,并用第2年监测数据对估算模型进行精度验证。结果表明:(1)核桃树冠层叶绿素含量随着生育期的推进,呈现先增加后降低的趋势,各生育期叶绿素含量的变异系数和标准偏差存在明显差异,冠层叶绿素含量在油脂转化期最大,果实膨大期最小;(2)从果实膨大期到果实成熟期,在可见光波段冠层光谱反射率与冠层叶绿素含量呈负相关关系,在760～1 000 nm的近红外波段由负相关变为正相关;(3)基于两波段组合生成的RVI、DVI和NDVI指数均在油脂转化期与叶绿素含量相关性最大,估算模型拟合效果更好,且精度更高。其中,RVI指数构建的模型在核桃树中后期估算精度较高,前期较低;DVI指数构建的模型在核桃早中期估算精度较高,后期较低;而基于NDVI指数构建的估算模型,在各生育期对叶绿素含量的估算效果均最为理想,验证精度最高。因此,基于两波段组合生成的NDVI指数构建的估算模型,适用于核桃树整个生育期冠层叶绿素含量的估算研究。     

砂姜黑土土壤有机碳高光谱特征与定量估算模型的研究

有机碳作为衡量土壤肥力的重要指标,其定量化快速监测成为精确农业研究的热点。以安徽淮北平原区宿州市采集的砂姜黑土为研究对象,进行室内理化分析、预处理与室外光谱测量等一系列工作,在土壤原始光谱反射率的基础上,采用去包络线和波段深度提取突出吸收特征,剖析土壤光谱响应特征。基于原始光谱和8种变换形式,分析不同变换光谱形式与有机碳含量的相关性,结合有机碳光谱响应特征分析和光谱特征参量挑选,确定诊断土壤有机碳含量的最佳敏感波段,利用逐步回归方法建立了土壤有机碳高光谱的预测模型。结果表明,550~750nm波段范围是典型砂姜黑土有机碳的主要光谱响应区域。去包络线和波段深度处理突出了土壤有机碳光谱吸收特征,随着有机碳含量的降低,吸收值呈现下降趋势。在不同光谱转换形式中,归一化比值指数(R/R_(M(450-750)))的转换形式与土壤有机碳相关性最强,最敏感波段分别出现在451 nm和644 nm处,相关系数分别达0.80和–0.90。相关性最好的波段范围主要集中在600~700 nm波段附近。基于相关分析与逐步回归分析方法,确定了606、637和644 nm波段处的归一化比值指数为诊断土壤有机碳含量的最佳敏感波段,基于最佳敏感波段的归一化比值指数(R_(606)/R_(M(450-750)),R_(637)/R_(M(450-750))和R_(644)/R_(M(450-750)))建立的高光谱预测土壤有机碳模型具有良好的预测效果,模型的决定系数(R~2)为0.81,均方根误差(RMSE)为0.14,展现了较好的稳定性和预测精度。     

马尾松叶绿素含量与高光谱数据相关性分析

利用高光谱技术,探索马尾松反射光谱与其叶绿素含量之间的相关关系。采用美国ASD公司生产的手持式野外光谱辐射仪测量马尾松冠层光谱,对观测叶片进行同步叶绿素含量测定,并利用统计学分析方法,分析马尾松叶绿素含量与原始光谱、一阶微分光谱、植被指数的相关关系,结果表明:马尾松光谱与叶绿素含量最大相关系数位于621 nm和715 nm;通过对13种植被指数与叶绿素含量进行相关分析,表明TCARI与叶绿素含量相关性最大,其次是PVR、SRPI。从而说明下一步可以选择621 nm和715 nm以及TCARI进行马尾松叶绿素含量的高光谱反演研究。     

玉米苗期抗旱性鉴定指标的研究

采用盆栽鉴定试验,以7个不同基因型玉米品种为材料,研究了正常灌水和干旱胁迫下玉米苗期抗旱生理生化和物质生产表现,结果表明:干旱胁迫下,丙二醛(MDA)含量增加,渗透调节物质脯氨酸、可溶性糖含量升高,保护酶SOD、POD活性升高,叶绿素含量减少,光合作用能力及水分利用效率(WUE)下降,导致玉米品种干物质积累降低;通过相关分析、主成分分析和灰色关联分析,筛选出WUE、POD、脯氨酸、叶绿素含量等生理生化指标作为玉米品种苗期重要的抗旱性评价指标,在抗旱性鉴定中加以利用。     

新疆稻区优质丰产水稻品种筛选与评价

【目的】 筛选出适宜新疆稻区种植的优质丰产水稻品种。【方法】 以16份水稻品种为供试材料,通过品种比较和主成分分析,综合评价不同水稻品种在生长发育、叶绿素相对含量(SPAD值)、产量及品质性状之间的差异。【结果】 供试16份水稻品种全生育期在163~173 d,株高随生育进程呈增长趋势,齐穗期株高达到最大值,在85.97~101.30 cm;从分蘖前期到齐穗期时叶绿素SPAD值呈上升趋势,齐穗期到成熟期时叶绿素SPAD值大幅度下降,品种间存在差异,其中新农粳伊4号灌浆期最长,叶绿素SPAD值高,显著优于其他品种。各水稻品种产量与整精米率、食味值、精米率和直链淀粉含量均存在相关关系,且主成分分析得出新农粳伊4号综合得分最高,其次为新稻36号和新稻57号,09-57综合得分最低。【结论】 新农粳伊4号优质丰产性最好,其次是新稻36号和新稻57号。     

宝鸡市5种乡土树种抗旱性综合评价和研究

以南蛇藤、苦皮藤、臭檀吴茱萸、爬山虎和火棘5种陕西宝鸡渭北乡土树种为研究对象,采用盆栽试验研究了干旱胁迫对植物叶片生长和生理生化指标的影响以及胁迫末期的净光合速率、蒸腾速率等,运用主成分分析法、隶属函数法综合评价5种乡土树种的抗旱性差异。结果表明,随着干旱胁迫程度的加深,5种植物叶片的丙二醛（MDA）、可溶性糖（SS）、脯氨酸（Pro）含量均有不同程度增加;叶片含水量、苗高、地径增长速率均不同程度降低,叶绿素a/b值都表现为减少的变化,叶绿素含量先降后升,并且在干旱胁迫条件下出现了叶绿素“浓缩”现象,干旱胁迫末期不同树种间净光合速率、水分利用率差异显著(P<0.05)。主成分分析表明,3个主成分可以代表乡土树种抗旱性96.577%的原始数据信息量,通过计算5种乡土树种的综合评价值(D),对抗旱性进行了评价。5种乡土树种的抗旱性强弱依次为爬山虎>火棘>苦皮藤>臭檀吴茱萸>南蛇藤,研究结果为宝鸡市绿化树种选择和配置提供了参考。     

基于PCA-BP神经网络算法桃树叶片SPAD值高光谱估算

光谱技术实现了桃树叶片SPAD(soil and plant analyzer development)值的监测,使用基于主成分分析(principal component analysis,PCA)的BP神经网络算法建立桃树叶片SPAD值光谱估算模型。分析各生育期桃树叶片SPAD值的变化及其与叶片光谱的相关关系,分析5种红边参数与SPAD值的相关性,选取相关性较高的3种红边参数,分别与SPAD值进行单因素建模;然后把红边参数和SPAD值用主成分分析、基于PCA-BP神经网络算法建模,并对估算模型进行验证,结果表明:1)5-9月,桃树叶片SPAD值呈先上升后下降的变化特征,8月达到最大;2)4个生育期所建立的3种模型均通过0.01显著性检验,其中6月估算SPAD值的模型,建模精度和验证精度均最高, R 2≥0.814;3)各生育期桃树叶片SPAD值在单因素模型中,以红边位置建立的模型估算和预测精度最高;4)各个生育期中,基于PCA-BP神经网络模型的估算效果最好,建模精度和预测精度最高, R 2最高分别为0.938和0.974;主成分分析模型次之,单因素模型最低。因此,基于红边参数建立的PCA-BP神经网络反演模型能进行桃树叶片SPAD值的准确估算,为桃树叶片叶绿素含量监测提供理论依据。     

南疆引进的52份菊芋品种资源叶片生理性状主成分和聚类分析

为菊芋种质资源评价、分类、利用、育种亲本选配、引种提供参考,对53 个菊芋材料叶片生理生化指标进行相关、主成分和聚类分析。结果表明：淀粉含量和可溶性糖含量变异系数较大,酸性转化酶活性、SLW和Chl a/b 的变异系数较小。菊芋叶片生理生化指标存在着不同程度的相关性。主成分分析将这些因子分为5 个主成分,其累计贡献率达90.301%。5 个主成分归为光合能力、光合产物、耐荫性、类胡萝卜素的保护程度、酶活性的综合指标。聚类分析将资源聚为5 类,第Ⅰ类菊芋叶片淀粉和可溶性糖含量较低;第Ⅱ类Chl a/b较高;第Ⅲ类酸性转化酶、可溶性蛋白质含量高;第Ⅳ类Car较高;第Ⅴ类Chl a、Chl b、Chl (a+b)、SLW、淀粉含量、可溶性糖含量较高。筛选出5 个今后示范推广的品种,即‘北纯29’、‘北纯32’、‘北纯15’、‘北纯52’和‘南纯56’。     

水肥耦合对沙培番茄生长发育及品质的影响

【目的】 研究适合新疆南疆设施番茄黄沙无土栽培种植模式的水肥运筹选择。【方法】 以不同灌水量、氮肥、磷肥和钾肥为因素,每个因素设定5个水平,采用四元二次通用旋转组合设计的1/2,进行沙培番茄温室栽培试验。测定株高、茎粗、叶厚、叶面积、叶绿素含量、地上部干重、地上部鲜重、地下部干重、地下部鲜重、根系活力、产量、可溶性固形物、可溶性糖、有机酸、糖酸比、VC、番茄红素等17项指标,进行相关性和主成分分析。【结果】 （1）中肥低水或中水低肥有助于促进番茄植株株高、茎粗和叶面积生长,增加同化物积累,并提高叶片叶绿素相对含量及根系活力。其中,T₉处理地上部干鲜重较重,分别为72.30和616.70 g,根系活力较大,为917.09 μg/（g·h）。（2）高水高肥或低水高肥时可有效提高产量,改善番茄果实品质。其中,T₃处理产量较高,为8 102.72 kg/667m²;T₅处理有机酸含量较多,为0.65%;T₁₄处理番茄红素含量较高,为15.80 mg/kg。（3）各指标与产量和品质均有一定的相关性。其中,叶厚与番茄红素含量呈显著负相关（P<0.05）;有机酸含量与叶面积极显著相关（P<0.01）;地上部干重与产量呈显著负相关（P<0.05）;地下部干重与VC含量呈显著负相关（P<0.05）。（4）提取7个主成分,通过主成分的特征值加权计算17个性状主成分因子的综合得分。其中,T₉处理的综合得分最高,为0.695,T₁₅处理的综合得分最低,为0.295。【结论】 T₉处理即灌水量310 mm、施氮量570 kg/hm²,施磷量438 kg/hm²、施钾量738 kg/hm²,可以有效促进沙培番茄生长发育并改善品质。     

罗汉果遗传性状变异、相关及通径分析

为了深入了解罗汉果种质遗传改良潜力和探讨性状遗传相关关系,该文采用完全随机区组试验设计,系统调查18个罗汉果无性系种质的26个性状,并进行方差、主成分、相关和通径分析。结果表明:这些种质的26个性状中,有25个性状均存在较大遗传变异,且在长势、生育期、营养品质、产量及甜苷方面变异突出,具有良好的遗传改良潜力; 单果重与果纵径呈极显著正相关;总苷含量与果形呈极显著正相关。故高产品种选育应高度关注果纵径,选择果纵径较长的株系;高总苷含量品种选育应高度关注果形指数,选择果形指数较大的株系。      

鄂西烟区土壤特征与烟叶化学成分分析

分析了鄂西烟区的土壤特征与烟叶的品质状况,并对其进行相关性分析、因子分析以及灰色关联度分析.结果表明,①鄂西烟区土壤的pH、有机质较适宜,但土壤氮元素含量偏高、钾元素含量处于中等偏下水平;微量元素除有效铁和有效锰含量丰富、交换性钙适中外,其他元素含量均偏低;土壤质地主要以中壤和重壤为主.通过对土壤主要理化性状进行因子分析表明,土壤的有机质、全氮和碱解氮是影响鄂西植烟土壤的第一主因子,全磷、速效磷和速效钾是第二主因子,pH和全钾分别是第三和第四主因子.②鄂西烟区烟叶的总氮含量适宜,总糖、还原糖和烟碱含量偏高,钾含量和氯含量偏低.通过对烟叶化学成分进行因子分析表明,钾、总糖和还原糖含量是影响鄂西烟叶化学成分的第一主因子,总氮和烟碱是第二主因子,氯含量是第三主因子.③通过相关性分析表明,土壤中的有机质、碱解氮、全氮与烟叶中的总氮含量呈极显著正相关,交换性镁离子与烟叶中的钾含量呈显著负相关,土壤质地与烟叶化学成分未达到显著性相关,与烟叶中的钾含量具有较高的正相关.④通过灰色关联度分析表明,土壤中的pH、碱解氮和全氮对烟叶化学成分的影响较大.     

主成分分析与聚类分析在土壤分类中的应用

为了更好地保护上海古树,对古树生长点的土壤进行调查与测试,并进行了指标间相关分析、主成分分析和聚类分析。结果表明:古银杏、古香樟的生长与土壤的容重、有效N、速效P和脲酶呈显著相关,由主成分分析划分的5个主成分可全面概括17项土壤肥力指标;采用聚类分析将古树生长样点划为4种肥力类型,并对各土壤类型提出了相应的改良措施。     

基于主成分分析的青贮玉米品种生产性能的综合评价

以主成分分析为基础,对2004年全国青贮玉米南方区试点的42个品种的生产性能进行了综合评价,以减少相关性状对青贮玉米区试品种综合评价的影响．结果表明:用于评价的生育期、株高、穗位高、成熟时绿叶数、收获时乳线位置、鲜重、含水量、干重和籽粒产量9个性状之间存在相关性;5个主成分(生物产量、籽粒产量与含水量、收获适期、收获品质和植株高度)解析了原变量87．23％的变异信息,用这5个相互独立的因子对42个品种进行综合评价表明,42个待评品种中有31个品种的综合评价得分高于3个对照的最高综合评价得分,其中云优78、雅玉15、YA74872、DH3930、 YA0482、渝3137、科多4号、辽627、宜22-5和南2260分别排在1～10位．