基于高光谱的小麦株型与籽粒蛋白品质监测

【摘要】：基于当前对小麦株型与品质信息快速获取的迫切需要,本研究在大田条件下,采用高光谱仪,对小麦不同株型品种冠层光谱特点及叶绿素含量与品质指标、光谱特征参量的相关性进行了分析,并对田间小麦高光谱仪获取籽粒氮素营养状况的方法进行了比较,取得了以下几个方面的进展: 1、不同株型小麦品种在近红外波段(700～1300nm)冠层光谱反射率表现为生育前期平展型品种高于直立型品种,以拔节期的差异为最显著,其后随着生育进程推进差异逐渐变小。相同植被覆盖度(COV)条件下,直立型品种的归一化差异植被指数(NDVI)高于平展型品种,且随着COV的增加,差异逐渐变小,二者的变化关系可以较好地体现直立型品种株型紧凑和平展型品种株型披散的特点。基于小麦冠层叶面积指数(LAI)与NDVI(680,890)的显著正相关性,提出利用NDVI和COV的关系可以实现对小麦株型的识别,并以小麦拔节期为最佳识别阶段。 2、对冠层结构指标叶向值(LOV)、LAI与光谱特征参量的相关分析发现,前期(以拔节期为主)LOV影响大,后期主要受LAI的影响。拔节期不同群体小麦按株型和群体大小可聚类为4类(A-株型直立,群体较小;B-株型直立,群体较大;C-株型披散,群体较小;D-株型披散,群体较大)。不同类组冠层光谱反射率在400-700nm范围内反射率由高到低的顺序为ABCD,700-1150nm范围内顺序与其相反,并且差异更加明显。利用拔节期反射率R890和拔节期到孕穗期光谱反射率的增量ΔR890空间分布的差异可以实现对不同小麦群体类型的区分。 3、小麦冠层不同叶组叶片叶绿素含量呈现由上而下递减的变化趋势,顶层(L1)中层(L2)下层(L3),其梯度变化因不同生育时期和不同株型而异,不同叶组之间的梯度以平展型品种大于直立型品种。L1和L2之间叶绿素含量的差值(DCC)与小麦品质参数、冠层光谱特征参量具有显著的相关性。筛选出敏感测试时期为灌浆期,敏感参量为籽粒蛋白质含量(GPC)和560nm的反射峰深度P_Depth560。基于三者间的相关关系,分别建立了平展型品种和直立型品种GPC的预测模型,并初步通过验证。 4、采用近地高光谱仪探头垂直、水平和倾斜10～20°等不同观测角度对产量形成期冬小麦不同部位器官进行了光谱测定与分析。不同测定方法所获得的小麦光谱反射率变化曲线均呈典型植被波谱曲线特征,并具有相同的变化趋势,但其反射率的大小具有明显差异:相对于传统方法探头由上而下垂直测得的冠层光谱反射率,探头水平对着特定层测得的光谱反射率与该层穗或叶片含氮量具有较强的相关性。确定了670-683nm为穗层全氮含量(ETNC)的敏感波段,并不受品种类型影响;基于穗层光谱反射率(Rel)—ETNC—GPC三者之间的相关性,建立了利用比值植被指数RVI[890,670]预测GPC的模拟模型。验证结果表明,相对于以往基于冠层光谱的传统测试方法,基于穗层光谱的RVI[890,670]对GPC的预测精度明显提高:决定系数R~2由0.662提高到0.865,总均方根差RMSE由0.851降低到0.734。本研究为实现田间条件下小麦氮素及相关品质指标的便携式监测仪的开发研制提供了依据。

【学位授予单位】：中国农业科学院
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2005
【分类号】：S512.1