基于包络线消除法的油菜氮素营养高光谱评价

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1、------------------------------------------------------------------------------------------------基于包络线消除法的油菜氮素营养高光谱评价第24卷第10期2008年10月农业工程学报TransactionsoftheCSAEVol.24No.10Oct.2008151张雪红1，刘绍民2，何蓓蓓3(1．南京信息工程大学遥感学院，南京210044；2．北京师范大学地理学与遥感科学学院,遥感科学国家重点实验室，环境

2、遥感与数字城市北京市重点实验室，北京100875；3．南京信息工程大学学生工作处，南京210044)摘要：该文将广泛应用于岩矿高光谱分析中的包络线消除法借用至鲜叶片的光谱分析及作物氮素营养状况评价。利用油菜主要生育期的不同氮处理下鲜叶片反射光谱及全氮含量数据，对鲜叶片可见光波段反射光谱进行包络线消除处理，以及吸收特征与叶片全氮含量的统计分析。结果表明：在可见光区域，叶片反射率随着施氮量的增加而减小，包络线消除处理扩大了原始反射光谱中由氮素胁迫引起的吸收特征微小变化。在油菜的苗期、现蕾期至开花始期三个生

3、育期中，550～750nm波段的红光吸收峰总面积、吸收峰左面积和吸收峰右面积均随着施氮量的增加而增大，面积归一化最大吸收深度均随着施氮量的增加而减小。相关分析表明，苗期叶片全氮含量与吸收特征参量相关性最为密切。进一步基于各光谱吸收特征参数建立了油菜氮素营养的评价模型，这些评价模型除现蕾期外，其他均达到了1%的极显著性水平。研究表明，利用包络线——————————————————————————————————————-------------------------------------------

4、-----------------------------------------------------消除法为定性和定量评价油菜氮素营养是可行的，苗期是利用光谱吸收特征来定量评价油菜氮素营养的最佳生育期。0?引言自20世纪70年代以来，许多学者对基于遥感方法来诊断植物叶片氮素方面进行了大量的基础研究，寻找出了氮素的敏感波段及反射率在不同氮素水平下的表现。氮素的敏感波段主要表现在如下光谱段：一是可见光区域。研究发现许多植物在缺氮时，无论是叶片还是植物冠层水平的可见光波段反射率都有所增加，且发现对氮含

5、量变化最敏感的波段在530～560nm[1,2]，此特征波段是氮素的间接吸收波段，主要通过叶绿素的多寡来间接体现。二是红外波段的1510，1690，1940，2060，2180，2300和2350nm附近[3]，这些波段则为氮素的直接吸收波段，主要通过蛋白质中的氨基酸吸收特征来表征[4]。目前基于遥感方法来诊断植物叶片氮素的研究大多数是利用可见光区域的氮素间接吸收波段，如通过光谱测定及其变量的运算（比如IR/red比值、红边参数、导数光谱），可以区分不同氮素营养水平[5-7]。基于红外波段的直接吸收波

6、段来诊断植物叶片氮素的研究，往往借助于在矿物高光谱分析中被广泛应用的包络线消除法[8]。这是由于氮素等叶片生化成分的在光谱上的吸收特征属于弱信息，包络线消除法的优势就是能够压抑背景光谱，扩大弱吸收特征信息。目前采用包络线消除法评价叶片收稿日期：2007-07-23——————————————————————————————————————-----------------------------------------------------------------------------------

7、-------------修订日期：2008-09-22氮素含量的研究大多数是基于干叶片。其原因是新鲜叶片的红外波段光谱特征主要受液态水控制，叶片的其他生化组分（如氮素、纤维素）吸收光谱特征往往被液态水的信息所掩盖[9,10]。Kokaly运用包络线消除法评价森林植被和水稻干叶的氮、木质素和纤维素，取得较为理想的效果[11,12]。也有学者利用氮素与叶绿素的强相关性，在不受水分直接影响的可见光550～750nm波段运用包络线消除法评价了氮素胁迫下热带草地冠层光谱的特征[13]，以及运用包络线消除法对作

8、物鲜叶氮素、冠层钾素信息进行诊断[14,15]。氮素的光谱特征为弱吸收信号，因此基于遥感方法诊断作物氮素营养状况一直研究的难点与热点。本文通过人为地控制油菜施氮量，同时基于油菜关键生育期的光谱数据以及配套生化参量的测量，采用包络线消除法对油菜鲜叶片的可见光波谱进行处理，充分发挥包络线消除法的优势挖掘作物鲜叶片光谱中的氮素吸收特征信息，并探讨其定量评价油菜氮素营养状况的可行性。11.1试验条件与方法基金项目：国家自然科学基金项目（40701130）；南京信