干旱灾害会场-s511.3下午2014气象年会

植被高光谱反射率对干旱胁迫响应研究进展报告人：林毅辽宁省气象服务中心/沈阳农业大学2014气象年会交流S5干旱灾害风险评估与防控林毅

张玉书

王宏博1引言

2不同干旱胁迫下植被高光谱反射率特征研究3植被反射光谱对水分敏感性研究4干旱胁迫下植物生理变化对高光谱反射率的影响研究5研究展望概要

中国每年因各类自然灾害造成粮食损失近200亿公斤,农业气象灾害导致的损失占60%以上,其中旱灾危害最为严重。1.引言随着高光谱应用技术的发展,监测农作物生育期内的高光谱变化,研究农作物的高光谱反射率与水分关系，利用统计方法建立模型，可以为监测评估、精细化定量分析土壤和作物水分状况提供帮助。

本文主要介绍前一部分，建模方法种类繁多这里不做介绍。推荐张佳华教授的论文《植被含水量光学遥感估算方法研究进展》1.引言采集作物高光谱反射率数据图片来自网络2.1不同土壤水分环境下植被高光谱反射率的变化情况2.不同干旱胁迫下植被高光谱反射率特征研究主要研究土壤水分环境对作物高光谱反射率的影响，通常在控水环境下进行研究（左图）。结论：可见光波段内的光谱反射率随着缺水程度增加而增大,并且不同水分处理样本的增加幅度基本一致。1.干旱胁迫下植被高光谱反射率的差异性研究严重干旱胁迫(W6)的冠层光谱反射率高于其他处理,且水分条件较好处理(W1和W2)的光谱反射率低于水分条件较差的处理(W5和W6)。结论：在作物生长不同时期，由于水分环境造成的光谱反射率差异化非常大。在烟草伸根期和旺长期,近红外光区的光谱反射率随土壤水分的增加而升高.成熟期则呈相反趋势,且光谱反射率在旺长期达到最高值。1.干旱胁迫下植被高光谱反射率的差异性研究在伸根期和旺长期的近红外区域内，含水量45%处理的光谱反射率最低，85%处理反射率最高，65%处理的反射率位于两者中间。在成熟期趋势相反。旺长期反射率较其他生长期更高。不同水分环境下，作物冠层的反射率有差别，但这种差别会根据光谱波段、作物生长期的不同而变化，所以研究还需根据作物生长期分波段分析数据。小结2.2干旱胁迫对植被一阶微分光谱的影响

光谱反射率的一阶微分能够去除部分噪声，不少学者利用光谱一阶微分反射率及红边幅值、红边面积分析不同水分胁迫的影响。2.不同干旱胁迫下植被高光谱反射率特征研究结论：小麦受水分胁迫后，红边位置出现开花期之前的红移和开花期之后的蓝移现象。1.干旱胁迫下植被高光谱反射率的差异性研究孕穗期W1处理的一阶微分主峰的峰值位置在728nm左右，W2处理水分含量低于W1处理，主峰峰值位置在W1曲线右侧。由此可见受到水分胁迫后主峰位置向长波方向发生了移动（红移）。1.干旱胁迫下植被高光谱反射率的差异性研究新陆早6号在S2、S3灌量水平下,红边向长波方向移动了5nm,新陆早8号在S2

灌量水平下,红边向长波方向移动了6nm,即棉花盛花期发生干旱胁迫有红移现象发生。在植被开花期前的生长旺盛时期，当受到水分胁迫作用后，植被的红边位置容易出现红移现象。而在开花期后趋势相反，在受到水分胁迫作用后，成熟期植被红边位置发生蓝移。小结

研究反射光谱与植被叶片水分相关性是利用遥感手段反演水分的一个重要步骤，很多学者通过实验发现某些波段的反射率能够反映水分情况。3.植被反射光谱对叶片水分敏感性研究1.干旱胁迫下植被高光谱反射率的差异性研究1971年Thomas通过实验得到结论并指出1450nm和1930nm波段的反射率与叶片的相对含水率呈显著相关性。1989年Curran的研究结果表明在植被叶子反射光谱区,1450nm附近的光谱反映叶片水分的吸收作用。2000年2001年王纪华、赵春江、田庆久发现小麦叶片相对水分含量与光谱反射率在1450nm附近水的特征吸收峰深度和面积呈现良好的线性正相关关系，通过光谱反射率可以诊断小麦缺水状况。200420062013周顺利、冯先伟、付彦博等发现玉米叶片、棉花叶片、紫花苜蓿等植被在1450nm附近波段的反射率均表现出对叶片含水率敏感，选择该波段可排除其他因素干扰。2009孙俊利用逐步回归法，结合相关性分析并参照分子光谱敏感波段表对各区间的敏感波段进行取舍。最终确定600、740、810、960、1200、1490、1660nm可作为水稻叶片的光谱敏感波段。2011张晓东等发现油菜含水率的显著相关区域主要出现在近红外高反射平台区，在960和1450和1650nm附近的光谱反射率与水分状态显著相关。国内外学者对不同作物进行了高光谱反射率同叶片水分含量的研究，而1450nm附近光谱反射率对叶片水分敏感多次在研究中得到验证！在进行利用高光谱数据反演叶片水分时可以留意!

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叶片的内部结构和生化组分决定了叶片的光谱，而这些结构和组分又都直接与水分含量息息相关。但由于专业所限，对生理机制的探讨比较局限，这里只做简单介绍。4植物生理变化对高光谱反射率的影响研究一般来说，

由于光合色素的强烈吸收作用，叶片的光谱反射率拥有在可见光（400-700nm波段）反射率低的特征。不同水分环境下在可见光范围内的光谱反射率与叶绿素含量、光合速率和植株生物量等表现出相反的趋势（梁太波

等.水分胁迫对烤烟生理特性和光谱特征的影响）。4植物生理变化对高光谱反射率的影响研究近红外波段高反射率的现象是由于叶肉造成的光强烈散射。在近红外区植被的反射率主要受叶子内部结构、生物、蛋白质和纤维素等影响。（赵俊芳

等.受蚜虫危害与干旱胁迫的冬小麦高光谱判别）4植物生理变化对高光谱反射率的影响研究

利用高光谱数据反演水分含量研究已经在玉米、水稻、小麦等大田作物中广泛开展，并已应用到烟草、葡萄等一些经济作物上，由于该方法估测植被水分含量快速有效且不对植被造成破坏，具有广阔的应用前景。植被种类千差万别，即使同一植被也可能由于地域性差异表现出不同的高光谱数据特征。所以对于干旱胁迫作用下的高光谱变化，应当缩小所研究的作物区域，范围过大反而不具有代表性。5研究展望1丛建鸥,李宁,许映军,等．干旱胁迫下冬小麦产量结构与生长、生理、光谱指标的关系[J].中国生态农业学报，2010,18(1):67-71.2王宏博,冯锐,纪瑞鹏,等.干旱胁迫下春玉米拔节—吐丝期高光谱特征[J].光谱学与光谱分析,2012,32(12)：3358-3362.3王小平,郭铌.遥感监测干旱的方法及研究进展[J].干旱气象，2003，21（4）：76-81.4PlazaA，BenediktssonJA，BoradmanJW，etal．RemoteSensingofEnvironment，2009.113（1）：s110.5谭昌伟,郭文善,朱新开,等.不同条件下夏玉米冠层反射光谱响应特性的研究[J]．农业工程学报,2008,24(9):131-135.6张磊,刘静,张学艺,等.宁南山区冬小麦冠层高光谱特征及其对干旱的响应[J].干旱地区农业研究，2010,28（2）：12-16.7谷艳芳,丁圣彦,陈海生,等.干旱胁迫下冬小麦高光谱特征和生理生态响应[J].生态学报，28(6):2690-2697.8龙光强,陈功,郭滨,等.干旱胁迫下马蹄金草坪反射光谱研究[J].云南农业大学学报,2008,23(4):468-473.9贾方方,马新明,李春明,等.不同水分处理对烟草叶片高光谱及红边特征的影响[J].中国生态农业学报,2011,19(6):1330−1335.10贺可勋,赵书河,来建斌,等.水分胁迫对小麦光谱红边参数和产量变化的影响[J].光谱学与光谱分析,2013,33(8):2143−2147.11孙莉,陈曦,包安明,等.在水分胁迫下棉花冠层叶片全氮含量的高光谱遥感估算模型研究[J].遥感技术与应用,2005,20(3):315-320.12ThomasJR,NamkenLN,OertherGF,etal.Estimatingleafwatercontentbyreflectancemeasurement[J].AgronomyJournal,1971,63:845-847.13CurranPJ.Remotesendingoffoliarchemistry.RemoteSensingofEnvironment1989,30:271-278）14CarterGA.Primaryandsecondaryeffectsofwatercontentofthespectralreflectanceofleaves[J].AmericanJournalofBotany,1996,78(7):916-924.15DobrowskiSZ,PushnikJC.Zarco-TejadaPJ.etal.Simplereflectanceindicestrackheatandwaterstressinducedchangesinstead-statechlorophyIIfluorescenceatthecanopyscale[J].RemoteSensingofEnvironment,2005,97:403-414.16王纪华,赵春江,郭晓维,等.用光谱反射率诊断小麦叶片水分状况的研究[J].中国农业科学,2001,34(1):104-107.17王纪华,赵春江,郭晓维,等.利用遥感方法诊断小麦叶片含水量的研究[J].华北农学报,2001,15(4):68-72.18田庆久,宫鹏,赵春江,等.用光谱反射率诊断小麦水分状况的可行性分析[J].科学通报,2000,45(24):2645-2650.19冯先伟,陈曦,包安明，等.水分胁迫条件下棉花生理变化及其高光谱响应分析[J].干旱地区地理，2004,27（2）：250-255.20周顺利,谢瑞芝,蒋海荣,等.用反射率、透射率和吸收率分析玉米叶片水分含量时的峰值波长选择[J].农业工程学报，2006,22（5）：28-31.21付彦博,范燕敏,盛建东,等.紫花苜蓿冠层反射光谱与叶片含水率关系研究[J].光谱学与光谱分析,2013,33(3):766-769.22孙俊,毛罕平,羊一清,等.基于冠层光谱特性的水稻叶片含水率模型[J].农业工程学报,2009,25(9)：133-136.23张晓东,毛罕平,左志宇,等.干旱胁迫下油菜含水率的高光谱遥感估算研究[J].安徽农业科学,2011,39(30)：18451-18452,18487.24梁守真,施平,马万栋,等.植被叶片光谱及红边特征与叶片生化组分关系的分析[J].中国生态农业学报,2010,18(4)：804-809.25沈艳,牛铮,王汶,等.基于导数光谱变量叶片含水量模型的建立[J].地理与地