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《浙江大学》 2013年
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植物色素及氮素含量高光谱遥感估算模型的元分析

魏晨  
【摘要】:色素和氮素是植物叶片中两种重要的生化组分,色素含量的变化可用于评估植物的光合能力和初级生产力,氮素参与植物体内多项生理代谢过程,对植物营养生长有明显的调控作用。因此定量监测植物色素和氮素含量随时间和空间的变化对环境及农业领域相关研究有重要意义。 遥感技术的迅猛发展为监测植物色素及氮素含量提供了新的技术手段,植物色素和氮素含量的高光谱遥感估算方法在不同尺度上都得到了广泛的应用,不同研究者提出了多种色素及氮素含量遥感估算模型,但各研究的结果并不一致:不同的遥感估算模型选用了不同的反演波段,取得了不同的估算精度,这是因为单一实验受多种因素影响,反演波段选择和模型估算精度存在不确定性。 为了对各研究的结果进行综合的统计分析,确定反演波段的集中分布趋势,评估各影响因素对模型估算精度的影响,本研究应用元分析这一权威的定量综述方法,以反演波段为研究参量,以估算模型的调整决定系数为效应值,开展了以下几方面工作: (1)不同尺度色素遥感估算最佳光谱区间和波段的确定 对各色素的波段分布情况的统计分析表明,各尺度色素遥感估算的最佳光谱区间绝大部分位于“绿峰”、“红边”和近红外范围内。这三个区域内不同色素的光谱吸收特征存在差异,通过不同的波段组合方式增强目标色素的光谱特征,减弱其他色素和背景散射的影响,可以实现不同色素含量的估算。 在此基础上,利用关联规则挖掘算法,确定了色素遥感反演的最佳波段。叶片尺度各色素遥感估算的最佳波段分别为:花青素,550-560nm与700-710nm,550-560nm、700-710nm与780-790nm;类胡萝卜素,530-540nm与570-580nm;叶绿素,700-710nm与750-760nm,550-560nm与750-760nm;叶绿素a与叶绿素最佳波段相同;叶绿素b,630-640nm与800-810nm,650-660nm、670-680nm与700-710nm。在冠层和景观尺度,波段之间的关联性降低,未能确定色素遥感估算的最佳波段。 (2)不同尺度色素含量遥感估算模型效应值的比较分析 利用随机效应模型分别计算了各色素估算模型的效应值,对结果的比较分析表明:叶片尺度的研究数量多于冠层尺度,冠层尺度多于景观尺度;每个尺度中,对叶绿素含量估算的研究最多,其次为叶绿素a,对类胡萝卜素、叶绿素b和花青素含量估算的研究较少;叶片尺度各色素含量与遥感变量之间的关联性强于冠层和景观尺度。 (3)各尺度氮素反演波段的统计分析 对反演波段的统计分析表明:在叶片尺度,波段集中分布在550nm、700nm和2160-2180nm区域,其中鲜叶集中分布在可见光区域的550nm和700nm,而干叶集中分布在近红外区域的2050nm和2180nm,两者的波段分布存在显著差异。在冠层尺度,波段集中分布在400-900nm的可见光范围内,与鲜叶的波段分布趋势相似。在景观尺度,波段集中分布趋势不明显。 为揭示氮素反演波段所代表的物理意义,将各尺度氮素反演波段与氮素吸收区间进行了对比,结果表明从叶片尺度到景观尺度,反演波段集中于氮素吸收区间的趋势逐渐不明显,在所有吸收波段中,640-660nm和2060nm在三个尺度都被选为氮素反演波段,前者为叶绿素吸收波段,后者为蛋白质吸收波段,这表明综合利用叶绿素和蛋白质的吸收波段,有可能构建通用的氮素估算模型。 (4)评估氮素浓度取值范围和叶片类型对氮素含量遥感估算模型效应值的影响 将氮素浓度取值范围划分为大中小三个水平,用随机效应模型分别计算各个水平的效应值,结果表明:三个水平中,中氮素浓度取值范围的效应值最高,其次为大氮素浓度取值范围,小氮素浓度取值范围的效应值最低。由小到中氮素浓度取值范围,效应值显著升高,这是由于随着因变量取值范围的扩大,回归方程的斜率变大,模型效应值随之增大。从中到大氮素浓度范围,效应值降低,这是因为叶片氮素含量与光谱变量之间的关系是非线性的,但所收集文献中绝大部分(91%)的研究都选用线性回归模型,使用线性回归模型拟合非线性关系会出现一定偏差,在高氮素浓度取值范围,偏差体现得更为明显。 对干叶和鲜叶效应值的比较分析表明:干叶的效应值显著高于鲜叶。这是因为鲜叶的氮素遥感估算受多种因素影响,比经过烘干和研磨的干叶困难得多。
【学位授予单位】:浙江大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2013
【分类号】:S127;Q946

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【参考文献】
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