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晚霜冻影响下冬小麦冠层红边参数比较

0引言

冬小麦晚霜冻害是指寒冷季节向温暖季节过渡时,大幅度降温使植株体温降到冰点以下,冬小麦原生质受到破坏,导致植株受害或死亡的短时间低温灾害。多发生在春季3月-4月,冬小麦正值拔节期,幼穗分化则处于雌雄蕊分化到药隔形成期,小花正在发育形成。遭受晚霜冻害时,叶绿素组织遭受破坏,光合作用减弱,细胞结构发生改变,水分吸收、运输、转化等机能衰退;外部形态特征未见明显变化,幼穗分化受到影响,致使成熟时出现抽穗而无籽的“哑穗”、“白穗”等现象,导致产量受损。这种受冻后短期内外表不显症状的现象给冬小麦晚霜冻害早期判别带来困难。

冬小麦受晚霜冻影响的外部症状短期内不明显的特点,为红边光谱的应用提供了契机。

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1、什么是红边参数?

红边(red edge)是红光波段叶绿素强吸收和近红外波段叶片内部多次散射形成的强反射共同作用而引起的叶片反射光谱急剧变化区域,范围在670-780nm之间。

当农作物受到各种胁迫时,红边位置(REP)向短波段方向移动,这一特征得到广泛应用,并已拓展至冬小麦晚霜冻害胁迫研究领域。红边位置定义为最大一阶导数光谱对应的波长。

2、如何提取红边位置?

由于受农作物一阶导数光谱的“双峰”或“多峰”现象影响,REP易出现断续特征而对胁迫的敏感性降低。为克服这一问题,逐渐发展起一系列提取REP的方法。

目前,主要有两类,一类是基于反射光谱,如线性4点插值方法和倒高斯拟合方法;一类是基于导数光谱,如最大一阶导数方法、多项式拟合方法和线性外推方法。除 REP 外,其他红边参数如红边振幅(Dr)、红边面积(SDr)、最小振幅(Drmin)、红边振幅与最小振幅比值(Dr/rmin)以及红边振幅与红边面积比值 (Dr/SDr)等, 亦常用于农作物各类胁迫研究中。

红边位置(ERP)提取方法如下:

(1) 最大一阶导数方法(maximum forst derivative spec-trumFD)。REP定义为红边区域内反射光谱的最大一阶导数对应的波长。一阶导数可由反射光谱的一阶差分转换求得。

(2) 多项式拟合方法(polynomial fitting techniquePOLY)。运用5次多项式函数对红光区最小反射率与最大近红外反射率(红肩)对应的光谱区间进行拟合。将拟合曲线进行一阶差分变换求得一阶导数,REP即可由最大一阶导数来确定。

(3) 倒高斯拟合方法(inverted Gaussian fotting techniqueIG)。运用倒高斯(IG)模型拟合670~780nm波段范围内的光谱反射率。REP可通过以下4个步骤求得。一是将670~685780~795nm光谱区间的平均反射率分别作为R0Rs的估计值;二是将IG拟 合曲线进行对数变换,得到

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B(λ)是λ的线性函数;三是在685~780~nm光谱区间内对B(λ)和λ进行线性拟合,估算出斜率a1和截距a0 ,利用公式,求得λδ;最后计算REPREP=λδ。

3、红边参数在研究晚霜冻影响下的冬小麦冠层中的作用

在肉眼可观察出农作物灾害胁迫症状之前,便可探测到胁迫信息,从而实现早期诊断的目的,这是高光谱技术的一大优势。

由于高光谱遥感数据具有光谱波段划分细、数量多等特点,有利于选择各种单一地物光谱区分明显的波段,将混合光谱反演成为单一光谱。通过红边参数及时检测到冬小麦受冻症状,将有助于各项田间管理措施的有效实施。二是晚霜冻过程模拟。

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红色边缘参数的比较

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田间移动式霜箱霜冻试验中一阶导数光谱及其与霜冻温度的相关性

 

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