植物色素及氮素含量高光譜遙感估算模型的元分析.pdf

1、色素和氮素是植物葉片中兩種重要的生化組分，色素含量的變化可用于評(píng)估植物的光合能力和初級(jí)生產(chǎn)力，氮素參與植物體內(nèi)多項(xiàng)生理代謝過程，對(duì)植物營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)有明顯的調(diào)控作用。因此定量監(jiān)測(cè)植物色素和氮素含量隨時(shí)間和空間的變化對(duì)環(huán)境及農(nóng)業(yè)領(lǐng)域相關(guān)研究有重要意義。
　　 遙感技術(shù)的迅猛發(fā)展為監(jiān)測(cè)植物色素及氮素含量提供了新的技術(shù)手段，植物色素和氮素含量的高光譜遙感估算方法在不同尺度上都得到了廣泛的應(yīng)用，不同研究者提出了多種色素及氮素含量遙感估算模型，

2、但各研究的結(jié)果并不一致:不同的遙感估算模型選用了不同的反演波段，取得了不同的估算精度，這是因?yàn)閱我粚?shí)驗(yàn)受多種因素影響，反演波段選擇和模型估算精度存在不確定性。
　　 為了對(duì)各研究的結(jié)果進(jìn)行綜合的統(tǒng)計(jì)分析，確定反演波段的集中分布趨勢(shì)，評(píng)估各影響因素對(duì)模型估算精度的影響，本研究應(yīng)用元分析這一權(quán)威的定量綜述方法，以反演波段為研究參量，以估算模型的調(diào)整決定系數(shù)為效應(yīng)值，開展了以下幾方面工作:
　　 (1)不同尺度色素遙感估算最佳

3、光譜區(qū)間和波段的確定對(duì)各色素的波段分布情況的統(tǒng)計(jì)分析表明，各尺度色素遙感估算的最佳光譜區(qū)間絕大部分位于“綠峰”、“紅邊”和近紅外范圍內(nèi)。這三個(gè)區(qū)域內(nèi)不同色素的光譜吸收特征存在差異，通過不同的波段組合方式增強(qiáng)目標(biāo)色素的光譜特征，減弱其他色素和背景散射的影響，可以實(shí)現(xiàn)不同色素含量的估算。
　　 在此基礎(chǔ)上，利用關(guān)聯(lián)規(guī)則挖掘算法，確定了色素遙感反演的最佳波段。葉片尺度各色素遙感估算的最佳波段分別為:花青素，550-560nm與700-

4、710nm，550-560nm、700-710nm與780-790nm;類胡蘿卜素，530-540nm與570-580nm;葉綠素，700-710nm與750-760nm，550-560nm與750-760nm;葉綠素a與葉綠素最佳波段相同;葉綠素b，630-640nm與800-810nm，650-660nm、670-680nm與700-710nm。在冠層和景觀尺度，波段之間的關(guān)聯(lián)性降低，未能確定色素遙感估算的最佳波段。
　　

5、(2)不同尺度色素含量遙感估算模型效應(yīng)值的比較分析利用隨機(jī)效應(yīng)模型分別計(jì)算了各色素估算模型的效應(yīng)值，對(duì)結(jié)果的比較分析表明:葉片尺度的研究數(shù)量多于冠層尺度，冠層尺度多于景觀尺度;每個(gè)尺度中，對(duì)葉綠素含量估算的研究最多，其次為葉綠素a，對(duì)類胡蘿卜素、葉綠素b和花青素含量估算的研究較少;葉片尺度各色素含量與遙感變量之間的關(guān)聯(lián)性強(qiáng)于冠層和景觀尺度。
　　 (3)各尺度氮素反演波段的統(tǒng)計(jì)分析對(duì)反演波段的統(tǒng)計(jì)分析表明:在葉片尺度，波段集中分

6、布在550nm、700nm和2160-2180nm區(qū)域，其中鮮葉集中分布在可見光區(qū)域的550nm和700nm，而干葉集中分布在近紅外區(qū)域的2050nm和2180nm，兩者的波段分布存在顯著差異。在冠層尺度，波段集中分布在400-900nm的可見光范圍內(nèi)，與鮮葉的波段分布趨勢(shì)相似。在景觀尺度，波段集中分布趨勢(shì)不明顯。
　　 為揭示氮素反演波段所代表的物理意義，將各尺度氮素反演波段與氮素吸收區(qū)間進(jìn)行了對(duì)比，結(jié)果表明從葉片尺度到景觀尺

7、度，反演波段集中于氮素吸收區(qū)間的趨勢(shì)逐漸不明顯，在所有吸收波段中，640-660nm和2060nm在三個(gè)尺度都被選為氮素反演波段，前者為葉綠素吸收波段，后者為蛋白質(zhì)吸收波段，這表明綜合利用葉綠素和蛋白質(zhì)的吸收波段，有可能構(gòu)建通用的氮素估算模型。
　　 (4)評(píng)估氮素濃度取值范圍和葉片類型對(duì)氮素含量遙感估算模型效應(yīng)值的影響將氮素濃度取值范圍劃分為大中小三個(gè)水平，用隨機(jī)效應(yīng)模型分別計(jì)算各個(gè)水平的效應(yīng)值，結(jié)果表明:三個(gè)水平中，中氮素濃

8、度取值范圍的效應(yīng)值最高，其次為大氮素濃度取值范圍，小氮素濃度取值范圍的效應(yīng)值最低。由小到中氮素濃度取值范圍，效應(yīng)值顯著升高，這是由于隨著因變量取值范圍的擴(kuò)大，回歸方程的斜率變大，模型效應(yīng)值隨之增大。從中到大氮素濃度范圍，效應(yīng)值降低，這是因?yàn)槿~片氮素含量與光譜變量之間的關(guān)系是非線性的，但所收集文獻(xiàn)中絕大部分(91％)的研究都選用線性回歸模型，使用線性回歸模型擬合非線性關(guān)系會(huì)出現(xiàn)一定偏差，在高氮素濃度取值范圍，偏差體現(xiàn)得更為明顯。