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基于光谱指数波段优化算法的小麦玉米冠层含氮量估测
  • ISSN号:1000-0593
  • 期刊名称:《光谱学与光谱分析》
  • 分类:S132[农业科学—农业基础科学]
  • 作者机构:[1]内蒙古农业大学生态环境学院,呼和浩特内蒙古010019, [2]Chair of Plant Nutrition, Department of Plant Sciences, Technical University of Munich, Emil-Ramann-Str. 2, D-85350 Freising-Weihenstephan, Germany
  • 相关基金:国家自然科学基金项目(31060273)和德国联邦教育及研究部项目(BMBF,FKZ0330800A)资助
中文摘要:

作物关键生育时期冠层氮素含量的实时监测对于优化氮肥用量和减少环境风险具有重要的意义。为了寻求预测不同作物氮素含量的最佳光谱参数,实现作物氮素无损营养诊断。本研究通过2008年—2011年在德国慕尼黑弗莱辛和河北曲周的不同氮量的小麦玉米田间试验,采用高光谱仪获取小麦玉米冠层的反射光谱,利用光谱理论模型进行光谱指数波段的优化,从而抽取不同冠层结构条件下的小麦玉米氮素营养敏感波段。结果表明与传统的基于红光的光谱指数相比,优化光谱指数显著提高了小麦玉米冠层氮素含量的预测能力,克服了传统的基于红光光谱指数的饱和问题。优化光谱指数的波段结合随着作物品种及其冠层结构的变化而变化,其优化波段范围主要集中在红边(730~760nm)和红边向近红外的过渡区域(760~880nm)。优化结果显示玉米最佳光谱指数为R_(λ766)/R_(λ738)-1,小麦最佳光谱指数为R_(λ796)/R_(λ760)-1,玉米小麦相结合优化后的最佳光谱指数为R_(λ876)/R_(λ730)-1。结果进一步验证了优化光谱指数估测的不同作物含氮量的预测值与实测值相关性最高,且验证偏差最小,证实了优化后的光谱特征参数可对不同作物氮素丰缺状况进行快速、准确、无损估测。试验结果也为设计作物冠层氮素传感器和更好的利用现有基于卫星的传感器实施区域上的作物氮素营养监测提供了理论基础。

英文摘要:

Nitrogen fertilizer plays a crucial role in keeping food production in pace with population growth.However,the exceeding application of nitrogen fertilizer causes environmental risks.Timely and accurate quantification of canopy nitrogen content in crops is important for the rational application of nitrogen fertilizer and reduction environmental risks.The current research aimed to remotely estimate canopy nitrogen content in winter wheat and summer maize.Experiments with different N rates for different cultivars of wheat and maize were conducted in southeast Germany and in the North China Plain from 2008 to 2011.The results showed that,compared with traditional red light based spectral parameters,optimized spectral parameters significantly improved the prediction capacity,overcoming saturation problem in deriving canopy nitrogen content of wheat and maize.Band combination of optimized parameters varied with the difference in species and canopy structure of crops.The optimized bands concentrated on 730~760and 760~800nm.The best performing spectral parameter was R_(λ766)/R_(λ738)-1for maize,R_(λ796)/R_(λ760)-1for wheat and R_(λ876)/R_(λ730)-1for wheat and maize combination.The validation results further confirmed that the optimized spectral parameters had the lowest predictive error,indicating that optimized spectral indices could estimate canopy nitrogen content of crops.In conclusion,the band optimization of spectral parameters is a promising approach to derive canopy N content in wheat and maize.The findings from this study may be useful for designing improved nitrogen diagnosis systems and for enhancing the applications of satellite-based sensors.

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期刊信息
  • 《光谱学与光谱分析》
  • 中国科技核心期刊
  • 主管单位:中国科学技术协会
  • 主办单位:中国光学学会
  • 主编:高松
  • 地址:北京海淀区魏公村学院南路76号
  • 邮编:100081
  • 邮箱:chngpxygpfx@vip.sina.com
  • 电话:010-62181070
  • 国际标准刊号:ISSN:1000-0593
  • 国内统一刊号:ISSN:11-2200/O4
  • 邮发代号:82-68
  • 获奖情况:
  • 1992年北京出版局编辑质量奖,1996年中国科协优秀科技期刊奖,1997-2000获中国科协择优支持基础性高科技学术期刊奖
  • 国内外数据库收录:
  • 俄罗斯文摘杂志,美国化学文摘(网络版),荷兰文摘与引文数据库,美国工程索引,美国生物医学检索系统,美国科学引文索引(扩展库),英国科学文摘数据库,日本日本科学技术振兴机构数据库,中国中国科技核心期刊,中国北大核心期刊(2004版),中国北大核心期刊(2008版),中国北大核心期刊(2011版),中国北大核心期刊(2014版),英国英国皇家化学学会文摘,中国北大核心期刊(2000版)
  • 被引量:40642