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水稻高光谱遥感监测研究综述

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高光谱遥感技术凭借其可以快速、实时、准确、无损地获取水稻生长信息的优势,已经成为监测水稻生长状况的重要手段。为了满足实时、快速、准确、无损地获取作物长势信息的需求,高光谱遥感作为一种新技术,凭借其光谱信息量大、光谱分辨率高、波段连续性强的优点,在农业领域获得了快速的发展,高光谱遥感技术在“精细农业”中正发挥着重要的作用。

1、水稻养分高光谱诊断

1.1水稻氮素高光谱研究

氮是水稻体内多种重要有机化合物的组分,例如氨基酸、蛋白质、核酸、叶绿素和酶等都含有氮素。缺氮直接影响水稻氨基酸、蛋白质、叶绿素等的生物合成,使其光合作用能力降低,从而导致产量与品质的降低。而由于氨的挥发及硝酸盐的淋洗、径流作用,施氮过多不仅造成氮肥利用率过低,而且容易加剧酸雨的形成、温室气体的排放以及地下水、地表水污染,因此,对氮肥的精准管理是提高产量及减少环境污染的重要措施。受氮肥胁迫后生长状态受到影响,作物叶片和群体的反射光谱会发生变化,所以利用遥感技术无损检测作物氮素含量一直是作物生长遥感监测研究领域的重点。

在水稻氮素营养光谱研究中,王人潮等人研究表明,诊断水稻叶片氮素营养的冠层敏感光谱波段为530560 nm630660 nm760900 nm。作物因含氮量不同而引起光谱特征的差异,不同氮肥用量水平的水稻冠层光谱反射曲线特征不同。

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1 不同氮素水平冠层的光谱反射特性(1989,晚稻大田栽培,分蘖盛期,平均值)

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2不同氮素水平冠层的光谱反射特性(1989,晚稻盆栽,分蘖盛期,平均值)

1.2水稻磷素高光谱研究

与氮素一样,磷素是水稻生长发育的必需营养元素之一,是许多重要化合物的组分。我国南方水稻土缺磷情况十分严重,在很大程度上影响了水稻的产量,因此实时监测水稻磷素营养,合理施用磷肥是提高产量的关键。当前,水稻磷素含量测定主要是在实验室采用钒钼黄比色法进行化学测定,费时费力,而且难以进行大面积的监测。水稻磷素的丰缺会影响叶片叶色、结构和水分状况,从而影响水稻的光谱信息,因此高光谱技术有望发展成为水稻磷素诊断的新方法和新技术。

目前,作物磷素营养的光谱特性研究较少,针对水稻的就更少。主要原因是植物缺磷时,体内碳水化合物代谢受阻,有糖分积累易产生花青素,另外植物缺磷时,体内叶绿素浓度有可能提高,因为植物在磷素营养胁迫的状态下叶片细胞伸长受到抑制,且受影响程度超过其叶绿素,因此植物单位面积的叶绿素含量较高,叶片颜色较正常植物深。缺磷的植物光谱反射率受花青素和叶绿素含量的双重影响,因此,影响缺磷植物光谱反射率曲线的变化因素较为复杂,并且光谱分析只有在作物严重缺磷时才能用于磷营养诊断。

程一松等研究了磷素养分胁迫条件下玉米的光谱特征,提出在可见光波段,玉米叶片光谱反射率随磷肥施用量的增加而增加,而在近红外波段叶片光谱反射率随施磷量的增加而提高,即在全波段范围内,叶片光谱反射率随施磷量的增加而提高,其红边位置相对于氮素光谱特征更靠近可见光波段,而在近红外区域光谱特征曲线的差异不如氮素胁迫明显,这是主要是因为作物轻度缺磷时叶绿素浓度较高。

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3 夏玉米不同磷素水平下 反射率光谱曲线

1.3水稻钾素高光谱研究

同氮素和磷素一样,钾是水稻的三大必需营养元素之一,在水稻体内的含量仅次于氮,对水稻的产量和品质起着十分重要的作用。钾的丰缺与植物生长状况密切相关,其结果必然会影响其水稻叶片与群体的可见一近红外波段的光谱信息。

王珂等分别研究了不同钾素营养水平的水稻冠层和叶片反射光谱特征,发现缺钾水稻的冠层光 谱反射特征与缺氮冠层反射光谱特征十分相似,敏感波段也大致相同,所以给利用冠层光谱分析水稻缺 钾诊断带来困难,而叶片尺度下缺钾和缺氮时的反射光谱特征有所差异,在可见光波段基本相似,但在近红外波段却不同,缺钾时水稻叶片的反射率比正常叶片高,而缺氮时反射率比正常叶片低,说明可以 利用近红外波段的叶片光谱区别水稻缺钾与缺氮。

2、结论

农业定量遥感正在向着无损伤、高空间分辨率和高时间分辨率的作物长势、养分精确诊断等方向发展。

近年来,高光谱遥感技术发展很快,在农业领域的应用已经取得了一些重要的成果,但是走向成熟还存在一些问题和不足,需进一步的探索。

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