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高光谱遥感在监测植被生理参数的应用综述

高光谱遥感在监测植被生理参数的应用综述


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0引   言

传统的获取植物生理参数方法是在实验室进行生理生化实验,但是这种传统方法时间长,效率低,成本高,因此如 何及时、快速、高效并且可靠地获取植物生理参数已成为当前面临的重要问题。高光谱遥感技术具有非接触、对植物不造成伤害、操作 简单、时间成本低等优点可以获取植被光谱特征信息,因此该项技术的应用相比传统方法能够发挥更大的优势。叶片中的氮素、水等含量不仅会影响植物的生长,也能 够影响光谱对植物叶片的反射率。因此,探究是否可以用光 谱反射率来反映叶片中氮素、水的含量,如何高效、快速、 实时提取植物生理参数,进而利用高光谱遥感技术检测植物 生长发育、保证植物产量具有重要意义。


1 高光谱遥感简介

高光谱分辨率遥感技术是近几十年来出现和发展的对地观测的新技术,也是当前和未来对人类社会进步具有重大意 义的前沿技术。由于其具有光谱分辨率高、数据丰富等独特 性能,因而在环境保护、地质找矿、植物生长监测等许多方 面有着广泛的应用。经过20世纪80年代和90年代的发展,在 国际层面上已经有了较多的高光谱成像系统,尤其是在航空 系统中,已经有了航空系统运作的成功经验,现在正往航天领域应用。美国、加拿大、澳大利亚因资金、人才、技术等方面的优势,在航空、航天领域取得了较高的成就。除此之 外,高光谱遥感技术在资源、环境、农业、灾害防治、水利、 林业、矿产开采等领域也越来越受到欢迎。由于技术、资金、 人才的限制,我国1980年代才开始发展高光谱遥感技术,随 着我国经济、技术和教育的发展,高光谱遥感的应用正在进入快车道。相信随着技术的积累,必将实现更大的发展。高光谱分辨率遥感技术具有光谱分辨率高、提取的数据信息丰富等特点,在地物识别、管道泄漏信息的检测、海洋信息监测等方面有着广泛的应用。


2 监测植被生理参数

2.1 氮素的测定

氮素是植物生长所需的蛋白质、核酸、叶绿素及酶等其 他必不可少的营养元素的构成成分,它是能够直接影响作物的生长发育、保证植物品质和产量的重要生理生化参数。 氮素是对植物施肥过程中最难以掌握的肥料,施肥过量既增加成本,又破坏环境,因此探究如何精确定量地施加氮肥对植物生长和环境保护都有重要的意义。 借助莱森WNIR便携式地物光谱仪,采集棉花冠层高光谱数据,应用一阶微分光谱模型,反衍出基于光谱位置变量的分析方法,以红边积分面积(SDr)和冠层全氮(TN)含量为变量进行相关性分析。结果表明:红边积分面积变量与冠层TN含量呈显著的相关性,相关系数是0.7394(n=40),反演模型可以较为精确地估测棉花两个品种新陆早6号与8号冠层叶片的全氮含量,均方差(RMSE)分别为0.3859和0.4272。此项实验证明高光谱技术能够应用于棉花的参数预测上。沈掌泉等在前人研究的基础上,利用作物缺氮时下部叶片氮素向上部叶片转运的植物营养原理,率先提出利用上下部叶片光谱特性比值来诊断作物氮素营养的方法。结果表明,两个叶色差异较大品种的上下部叶片叶绿素计读数的比值,在水稻施肥适量时接近1,施肥不足时小于1,施肥过量时大于1。施肥越少比值越小,但施肥过量比值越大的趋势不明显。但是,通过上下部叶片叶绿素计读数比值的方法,建立适合不同品种、不同生育期等不同生长条件的诊断标准是可能的,值得进一步深入研究。马亚琴等在不同灌水量条件下,利用地物光谱仪对棉花进行高光谱扫描,获取光谱反射特征,接着对棉花单叶叶绿素含量和单叶全氮含量做相关性分析,建立一阶微分光谱模型,反衍出基于光谱位置变量的分析方法,以红边积分 面积(SDr)和冠层全氮(TN)含量变量,做相关性分析。结果表明:叶绿素含量与TN含量呈显著的正相关(R=0.8723**,n=39),叶绿素含量能高效的估计棉花单叶中TN含量。田永超等根据多年不同施氮水平和不同水稻品种的对比实验,获取冠层高光谱数据,系统分析了水稻的红边区域光谱、面积形状特征及其与叶层氮浓度的定量关系。结果表明,水稻冠层红边区域微分光谱随不同氮素水平变化出现“三峰”现象, 峰值分别出现在700nm、720nm和730nm附近,且3个波段的峰值高低发生交替变化。同时,以3个峰值波段为中心与x坐标轴组成的微分光谱面积和形状相应发生变化,发现基于任意两个峰值波段获得的红边子面积所构成的比值(双峰对称度)、归一化差值(归一化对称度)参数与叶层氮浓度具有密切的定量关系,可应用红边面积形状作为估测水稻叶层氮浓度的参数。由以上结果可知,利用高光谱的反射特征以及建立的相关的反射特征参数能够作为预测植物氮含量的参数。


2.2 水含量

叶片水含量是植物生理生化参数中一个非常重要的参数, 含水量的多少能够影响植物对其他营养元素的吸收和利用、 营养的植物光合作用,进而影响植物的生长和发育,从而影响作物的产量。因此,如何对缺水植物或者含水量过多的植 物进行水的调节、应用高光谱技术检测植物的水含量,对植 物的生长发育具有重要的作用。

方美红等采用小波分析方法,验证叶片含水量对光谱反射率的影响特征,bior1.5小波函数在尺度为200nm、波段位置为1405nm和1488nm的小波系数具有用来反演叶片含水量的能力。基于以上研究,建立了叶片含水量与叶片反射率光谱 bior1.5 小波系数的反演模型。模型精度验证结果表明,反演模型不仅比传统反演模型有更高的反演精度,而且模型对其他植物更是具有更高的普遍适用性。

王纪华等采用高光谱技术探索了小麦光谱反射特征近红外(NIR)波段与叶片含水量之间的关系。研究结果表明:该波段在大气窗口之内受大气层水的干扰较小,1165~1185Lm间的特征光谱反射率与小麦叶片的含水量呈显著的负相关。根据数据建立了小麦叶片含水量与吸收深度、吸收面积之间的线性关系和线性回归表达式,也就是建立了一种反演模型, 其模型验证精度达到满意的程度,表明可以利用光谱反射率来预测小麦叶片的水含量的方法。


3 结  论

与以往传统的提取植物生理生化参数的方法相比,高光 谱遥感技术具有其独特的优势,能够实现快速、高效且可靠 的获取植物生理参数;与传统的多光谱遥感或宽波段遥感相 比,高光谱遥感不仅能真实全面地反映各类植被的光谱特征及相关的差异,而且还能定性地描述植物生理生化参数的状 况,定量地预测植物生理生化参数的含量,对预测植物生长 发育和保证植物产量具有重要意义。因此,可以应用高光谱 遥感技术对植物的生长状况和产量进行实时的监测和评估。

3.1 强化施工技术管理

俗话说,没有规矩不成方圆。对于煤矿井巷工程管理而言,要充分发挥快速掘进技术的价值作用,企业及相关管理 人员必须根据实际情况及组织结构建立科学合理、切实可行的规章制度,并且创设专门的管理部门对整个工程流程进行监督管理,规范并约束施工人员,使整个过程更为流畅快捷。与此同时,在具体的快速掘进技术使用过程中,企业还应当注重人员的合理配置,选择最符合现场施工环境的技术及标 准规范,这样才能发挥出快速掘进技术的价值,推动整体工作的有序开展。

一方面,当煤矿井巷工程遇到巷道两端被破坏时,技术人员可以及时采用支护方式进行有效的控制,减轻巷道内部的整体压力,提高工作进度;另一方面,在实践工作过程中,为了确保安全性和规范性,要求技术人员必须在具体的工作面上放置支护顶板,通过这样的方式实现二次支护,有效避 免安全事故的发生。

3.2 积极运用光爆锚喷支护新兴技术手段

光爆锚喷支护技术是近年来兴起的一种新型技术手段, 从本质上来讲,该手段提高了工作效率,使整个工程更为顺畅,提高成品质量,使整个煤面光洁平整,也避免了掘进过度或不足等现象的发生。与此同时,现场施工人员及负责人还应当深入分析井巷的实际特征及情况,设置相应的支护参数。


4 结束语

综上所述,为了切实提高快速掘进技术的效率、质量,技术人员及管理人员必须完善并优化井巷的运输管理系统, 强化施工技术的管理效率,积极运用光爆锚喷支护新型技术手段。


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