作物冠层色素含量及其垂直分布遥感监测研究

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1、密级:博士学位论文作物冠层色素含量及其垂直分布遥感监测研究作者姓名：孔维平指导教师:黄文江研究员叶回春博士中国科学院遥感与数字地球研究所学位类别:理学博士学科专业:地图学与地理信息系统研究所:中国科学院遥感与数字地球研究所2018年6月RemotemonitoringofcroppigmentcontentanditsverticaldistributionwithincanopiesADissertationSubmittedtoTheUniversityofChineseAcademyofSciencesInp

2、artialfulfillmentoftherequirementForthedegreeofDoctorofPhilosophyByWeipingKongDissertationSupervisor:ProfessorWenjiangHuang:AssociateSupervisor:Dr.HuichunYeInstituteofRemoteSensingandDigitalEarth,ChineseAcademyofSciencesJune,2018中国科学院大学研究生学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的学

3、位论文是本人在导师的指导下独立进行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确方式标明或致谢。作者签名：日期：中国科学院大学学位论文授权使用声明本人完全了解并同意遵守中国科学院有关保存和使用学位论文的规定，即中国科学院有权保留送交学位论文的副本，允许该论文被查阅，可以按照学术研究公开原则和保护知识产权的原则公布该论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存、汇编本学

4、位论文。涉密及延迟公开的学位论文在解密或延迟期后适用本声明。作者签名：导师签名：日期：日期：致谢本研究得到国家重点研发计划项目“地球资源环境动态监测技术”课题“遥感立体协同观测与地表要素高精度反演（2016YFB0501501）”和国家自然科学基金项目“类胡萝卜素探测作物养分胁迫的光谱诊断机理与方法研究（41571354）”、“玉米冠层氮素养分垂直分布遥感监测研究(41501468)”、“结合形态和营养指标的小麦长势遥感监测方法(41601466)”的资助，在此表示感谢。作者：孔维平2018年5月摘要摘要叶绿素和类

5、胡萝卜素是作物叶片中的两大主要的光合色素，是表征其光合作用能力和生长状况的重要指示因子，研究作物色素含量及其在冠层内部的垂直分布的时空动态变化对于长势监测、胁迫诊断、制定施肥决策、指导农业生产及病虫害监测等具有重大意义。遥感技术为作物冠层色素及其垂直分布反演和监测提供了及时有效的手段。然而，国内外关于此方面的研究还存在一些问题，例如：光谱指数对高含量的类胡萝卜素的饱和局限性、下垫面土壤和不同品种作物株型干扰降低类胡萝卜素反演精度、叶片叶绿素含量垂直分布遥感监测机理方法的不成熟，以及基于新发卫星数据特征的叶绿素含量监

6、测方法有待研究等。针对以上研究中的局限性，本文以冬小麦为主，开展了基于近地和模拟高光谱数据的类胡萝卜素含量遥感反演、基于多角度高光谱数据的类胡萝卜素含量遥感反演、叶绿素垂直分布多角度高光谱遥感监测和基于Sentinel-2卫星数据的叶绿素含量遥感反演等四部分的研究工作，得到的主要结论如下：（1）针对类胡萝卜素含量遥感反演，研究人员提出了光谱指数，但一些指数对于高含量的类胡萝卜素存在饱和局限性，本研究基于实测高光谱数据构建了兼具抗饱和性和对冠层类胡萝卜素含量变化高度敏感的三角形比值指数（Carotenoidtrian

7、gleratioindex,CTRI），并运用PROSPECT5+SAIL辐射传输模型研究了该指数的抗饱和性物理机制。与其他光谱指数相比，CTRI指数与冠层类胡萝卜素含量之间呈现线性关系，模型反演精度高，可表征整体类胡萝卜素含量的动态变化。（2）尝试采用非垂直多角度方式获取的光谱数据反演了作物冠层类胡萝卜素含量，研究表明，与垂直观测方式相比，20°到40°后向散射方向上获取的光谱反射率信息提高了类胡萝卜素含量的反演精度，特别是30°后向散射方向上以500nm为中心的吸收深度和吸收面积光谱特征变量极大地减弱了作物株型

8、2和土壤背景的影响，与冠层类胡萝卜素含量相关性最高，反演模型R和RMSE2分别为0.79和19.03mg/m（3）采用多角度观测方式获取的冠层光谱数据可较为有效地探测作物叶片I作物冠层色素含量及其垂直分布遥感监测研究叶绿素含量垂直分布，但一些机理性问题，如叶绿素不同光谱吸收波段在冠层内部的穿透能力和用于反演的光谱指数形式需要进一步的研究。本文按照小麦不同叶位