冬小麦叶片光合特征高光谱遥感估算模型的比较研究

摘要：

[目的]光合作用是农作物产量和品质形成的基础,农作物光合参数的准确定量遥感反演不仅能够了解农作物的生长发育和有机物累积状况,还能为基于遥感的生态系统过程模型提供参考.为快速准确的估算光合特征参量,本研究综合原始光谱、3种传统光谱变换技术和4种模拟方法构建冬小麦3种光合参数的高光谱反演模型,探讨高光谱反演冬小麦光合参数的可行性,对比不同类别光谱和模拟方法的适用性.[方法]本研究基于氮肥施用条件冬小麦气体交换和高光谱田间试验,获取不同叶位叶片的最大净光合速率(Amax)、PS Ⅱ有效光化学量子产量(Fv'/Fm')、光化学猝灭系数(qP)和高光谱反射率,并对原始高光谱进行倒数、对数和一阶微分变换.根据3种光合参数和4种光谱的相关性分析结果,筛选显著性水平优于0.01的波段作为输入变量,采用偏最小二乘(PLS)、支持向量机(SVM)、多元线性回归(MLR)和人工神经网络(ANN)等方法建立冬小麦叶片光合参量反演模型,以建模和验证的决定系数(R2)和均方根误差(RMSE)为依据,对不同模型的模拟精度进行比较分析.[结果](1)3种光合参数和4种光谱的相关性分析结果表明,原始、倒数和对数光谱对3种光合参数(Amax、Fv'/Fm'和qP)的敏感谱区均集中在400-750 nm波谱区间,一阶导数光谱对3个光合参数的敏感谱区为470-560、630-700和700-770 nm波谱区间.(2) Amax、Fv'/Fm'和qP的最优反演模型组合分别为基于倒数光谱的MLR模型、基于一阶导数光谱的MLR模型和基于原始光谱的MLR模型.模型的建模R2分别为0.75、0.65和0.65,验证R2分别为0.73、0.59和0.44,表明基于高光谱模拟Amax和Fv'/Fm'切实可行,模拟qP的有效性需要进一步验证.(3)不同变换的光谱表现能力不同,以PLS模拟Amax为例,光谱的表现能力顺序为原始光谱＞倒数光谱＞对数光谱＞一阶导数光谱.(4)不同模型的估算能力也存在明显差异,以基于原始光谱的Amax模拟为例,不同模型的估算能力顺序为MLR＞ PLS＞ ANN＞ SVM.[结论]通过对比分析4种光谱和4种模拟方法对3种冬小麦光合参数的高光谱反演结果发现,Amax和Fv'/Fm'可以很好通过高光谱进行模拟,而高光谱对qP解释能力偏低,有待进一步研究.高光谱信息对冬小麦光合参量具有较强的敏感性,同时受光谱类型和模拟方法的影响,可以用来监测冬小麦光合能力的动态变化,为把握农作物生长状况提供依据.

关键词：光合参量、偏最小二乘、支持向量机、多元线性回归、神经网络、高光谱

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资助基金：国家重点研发计划2018YFF0213602;国家自然科学基金41571323;北京市农林科学院博士后基金

在线出版日期：2019-04-19（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）

页数：共13页

页码：616-628