ASD--基于葉片光譜的玉米冠層葉綠素和葉片葉綠素的時(shí)空變化分析

 

      冠層葉綠素含量（CCC）可以反映一個(gè)種群的總光合生產(chǎn)力，是判斷植物個(gè)體生長和營養(yǎng)狀況的重要依據(jù)。通過遙感準(zhǔn)確監(jiān)測冠層和葉片尺度的葉綠素含量是確定作物生長狀態(tài)和預(yù)測產(chǎn)量的關(guān)鍵。玉米是一種高稈作物，葉面積大，冠層深。它具有不均勻的葉片葉綠素含量（LCC）垂直分布，這限制了遙感的葉綠素含量評估。因此，了解LCC和葉片反射光譜的垂直異質(zhì)性對提高CCC監(jiān)測的準(zhǔn)確性至關(guān)重要。
 

      基于此，在本研究中，來自中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所和寧夏大學(xué)農(nóng)學(xué)院的研究團(tuán)隊(duì)以玉米為研究對象，于2019年和2020年在位于中國東部河南省黃淮海玉米生態(tài)區(qū)的中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院新鄉(xiāng)實(shí)驗(yàn)站通過5個(gè)氮處理梯度（0、100、200、300和400 kg/hm2（記為N0–N400））建立各種冠層結(jié)構(gòu)，采集不同生長季節(jié)作物冠層葉片，并測量了其LCC和葉片光譜反射率（ASD FieldSpec 4光譜儀+植物探頭+葉片夾，光譜范圍為350-2500 nm）。
 

主要目標(biāo)為：

（1）理解施氮量對玉米冠層葉綠素垂直分布的影響以及生長季節(jié)葉綠素分布的動(dòng)態(tài)變化；

（2）在不同時(shí)空條件下探索冠層葉片光譜反射率特征差異以及驗(yàn)證基于葉片光譜反射率的VI模型是否可以準(zhǔn)確反演LCC；

（3）確定敏感葉位（可用于表征LCC和CCC之間的關(guān)系）以及評估基于葉片光譜的VI模型的魯棒性和準(zhǔn)確性，以評估冠層葉綠素狀態(tài)。
 

2020年9月2日研究區(qū)俯視圖 (a)。高光譜反射率測量系統(tǒng)（b）。臺式葉綠素分光光度計(jì) (c) 。2020年8月8日五次氮處理（N）下的冠層狀況（d）。
 

【結(jié)果】

2020年生長季節(jié)玉米冠層LCC的垂直剖面。
 

（a、c、e）不同位置葉片的光譜反射曲線。（b、d、f）不同葉片位置波段與LCC的相關(guān)系數(shù)曲線。
 

6種LCC-VI模型的rRMSE（%）：（a）mRER、（b）VOG2、（c）CIred-edge、（d）NDRE、（e）MTCI 和（f） DD。rRMSE用于評估模型反演精度。rRMSE的值較低對應(yīng)于預(yù)測值和觀察值更接近。
 

中期模型（a）、后期模型（b）和生殖模型（c）CCC預(yù)測值和2019年實(shí)測值對比。
 

【結(jié)論】

     5個(gè)施氮水平用于構(gòu)建不同的玉米冠層結(jié)構(gòu)，揭示玉米冠層葉片葉綠素含量（LCC）的垂直異質(zhì)性以及葉片光譜反射率特征。基于冠層LCC的垂直分布，建立多元逐步回歸（MSR）模型以準(zhǔn)確監(jiān)測冠層葉綠素含量（CCC）；LCC表現(xiàn)出不對稱的垂直分布，呈現(xiàn)出底層較低，中層上升，上層下降的趨勢。氮處理顯著改變了LCC，且不同處理之間LCC的垂直剖面分布基本一致。分析了不同時(shí)空條件下葉片光譜反射率特征。綠色波段（531-567 nm）和紅邊波段（712-731 nm）是監(jiān)測LCC的敏感波段。6個(gè)經(jīng)典的VIs用于構(gòu)建VI-葉綠素模型，其中修正的紅邊比值植被指數(shù)（mRER，R2=0.87）構(gòu)建的模型最優(yōu)。VI模型可以準(zhǔn)確預(yù)測生長中期的LCC（rRMSE=10.9%），但是，上、下葉層VI和LCC的相關(guān)性在營養(yǎng)生長早期和成熟階段發(fā)生變化（rRMSE=36%-87%）。通過結(jié)合反演精度和多元逐步回歸，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在CCC估算中，營養(yǎng)階段葉位L6以及生殖階段L11+L14（L12是穗葉）最敏感。這樣，基于葉片光譜反射率構(gòu)建了VI-LCC-CCC模型以估算冠層葉綠素狀態(tài)。利用2019年和2020年田間試驗(yàn)數(shù)據(jù)評估了模型性能，結(jié)果表明該模型具有良好的魯棒性和準(zhǔn)確性（rRMSE=8.97%）。
 

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