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夏玉米不同生育期叶片和冠层含水量的遥感反演

刘二华 周广胜 周莉 张峰

刘二华, 周广胜, 周莉, 等. 夏玉米不同生育期叶片和冠层含水量的遥感反演. 应用气象学报, 2020, 31(1): 52-62. DOI: 10.11898/1001-7313.20200105.
引用本文: 刘二华, 周广胜, 周莉, 等. 夏玉米不同生育期叶片和冠层含水量的遥感反演. 应用气象学报, 2020, 31(1): 52-62. DOI: 10.11898/1001-7313.20200105.
Liu Erhua, Zhou Guangsheng, Zhou Li, et al. Remote sensing inversion of leaf and canopy water content in different growth stages of summer maize. J Appl Meteor Sci, 2020, 31(1): 52-62. DOI:  10.11898/1001-7313.20200105
Citation: Liu Erhua, Zhou Guangsheng, Zhou Li, et al. Remote sensing inversion of leaf and canopy water content in different growth stages of summer maize. J Appl Meteor Sci, 2020, 31(1): 52-62. DOI:  10.11898/1001-7313.20200105

夏玉米不同生育期叶片和冠层含水量的遥感反演

DOI: 10.11898/1001-7313.20200105
资助项目: 

国家自然科学基金重点项目 41501047

国家自然科学基金重点项目 31661143028

中国气象局气候变化专项 CCSF201801

公益性行业(气象)科研专项(重大专项) GYHY201506019

详细信息
    通信作者:

    周广胜, zhougs@cma.gov.cn

Remote Sensing Inversion of Leaf and Canopy Water Content in Different Growth Stages of Summer Maize

  • 摘要: 高光谱遥感技术监测作物含水量是了解作物生长状况的重要技术。为实现夏玉米不同生育期叶片和冠层含水量的快速、精细化、无损监测,本文基于2014年和2015年的6—10月华北夏玉米不同生育期不同灌水量干旱模拟试验数据构建了植被水分指数(WIMSIGVMI)、复比指数(WNVWCG)和红边反射率曲线面积(Darea)的夏玉米冠层等效水厚度(EWTC)和叶片可燃物含水量(FMC)的反演模型。结果表明:6个指标反演夏玉米三叶期的EWTC模型均未达到0.05显著性水平,三叶期后各指标反演EWTC模型均达到0.01的显著性水平,且总体而言模型精度从高到低为抽雄期、拔节期、灌浆期、成熟期和七叶期。6个指标反演七叶期和拔节期的FMC均达到0.01显著性水平。因此,同一光谱指标反演夏玉米不同生育期叶片和冠层含水量的精度差异较大。光谱指标反演夏玉米叶片和冠层含水量指标的精度与夏玉米生育期有很大关系,进而提出了夏玉米不同生育期含水量反演模型。研究结果可为准确模拟夏玉米不同生育期含水量提供技术支撑。
  • 图  1  夏玉米含水量随生育期的变化特征

    Fig. 1  Variation characteristics of water content in summer maize growth stages

    图  2  夏玉米抽雄期冠层光谱反射率变化特征

    Fig. 2  Variation characteristics of spectral reflectance in knotting stage

    图  3  基于WI指数建立不同生育期夏玉米含水量模型

    Fig. 3  Water content models established on WI in different summer maize growth stages

    图  4  基于MSI指数建立不同生育期夏玉米含水量模型

    Fig. 4  Water content models established on MSI in different summer maize growth stages

    图  5  基于GVMI指数建立不同生育期夏玉米含水量模型

    Fig. 5  Water content models established on GVMI in different summer maize growth stages

    图  6  基于WNV指数建立不同生育期夏玉米含水量模型

    Fig. 6  Water content models established on WNV in different summer maize growth stages

    图  7  基于WCG指数建立不同生育期夏玉米含水量模型

    Fig. 7  Water content models established on WCG in different summer maize growth stages

    图  8  基于Darea建立不同生育期夏玉米含水量模型

    Fig. 8  Water content models established on Darea in different summer maize growth stages

    表  1  2014年夏玉米生长季灌水设置

    Table  1  Irrigation treatments of summer maize growth in 2014

    处理 占7月降水量的百分比/% 灌水量/mm
    A 20 30
    B 40 60
    C 60 90
    D 80 120
    E 100 150
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    表  2  2015年夏玉米生长季灌水设置

    Table  2  Irrigation treatments of summer maize growth in 2015

    处理 土壤相对湿度
    A1 全生育期55%±5%
    B1 全生育期35%±5%
    C1 拔节前保持75%±5%, 拔节后加灌16 mm
    D1 拔节前保持75%±5%, 拔节后不再灌水
    E1 全生育期75%±5%
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    表  3  不同光谱指数反演夏玉米冠层和叶片尺度含水量模型精度(R2)

    Table  3  The model precision of canopy and leaf level water content of summer maize using different spectral indices (R2)

    光谱指数 尺度 三叶期 七叶期 拔节期 抽雄期 灌浆期 成熟期
    WI 冠层 0.02 0.50* 0.80* 0.95* 0.71* 0.72*
    叶片 0.67* 0.59* 0.02 0.06 0.06
    MSI 冠层 0.10 0.56* 0.82* 0.91* 0.80* 0.64*
    叶片 0.08 0.58* 0.59* 0.02 0.06 0.04
    GVMI 冠层 0.31 0.51* 0.83* 0.91* 0.77* 0.67*
    叶片 0.32 0.58* 0.58* 0.03 0.05 0.02
    WNV 冠层 0.36 0.67* 0.91* 0.89* 0.87* 0.75*
    叶片 0.54* 0.58* 0.53* 0.009 0.05 0.01
    WCG 冠层 0.28 0.61* 0.92* 0.88* 0.82* 0.71*
    叶片 0.45 0.59* 0.55* 0.001 0.05 0.06
    Darea 冠层 0.35 0.59* 0.87* 0.91* 0.78* 0.72*
    叶片 0.41 0.61* 0.59* 0.02 0.06 0.07
    注:*表示达到0.01显著性水平。
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    表  4  不同生育期夏玉米含水量光谱指数模型验证

    Table  4  Model verification in summer maize growth stages

    生育期 光谱指数 模拟值(x)与观测值(y)拟合方程 R2 均方根误差
    拔节期 WI y=1.12x-0.0018 0.65* 0.0054
    MSI y=1.37x-0.0021 0.66* 0.0059
    GVMI y=1.30x-0.0015 0.66* 0.0058
    WNV y=1.06x+0.002 0.65* 0.0062
    WCG y=1.15x+0.0024 0.63* 0.0067
    Darea y=1.2388x-0.002 0.64* 0.0056
    抽雄期 WI y=0.73x+0.0016 0.63* 0.0057
    MSI y=1.01x-0.0016 0.72* 0.0041
    GVMI y=0.87x+0.003 0.67* 0.0045
    WNV y=0.78x+0.0005 0.67* 0.0041
    WCG y=1.09x-0.0033 0.72* 0.0042
    Darea y=0.858x-0.0012 0.69* 0.0057
    灌浆期 WI y=0.74x-0.0025 0.69* 0.0084
    MSI y=1.19x-0.0064 0.74* 0.0058
    GVMI y=1.46x-0.0079 0.72* 0.0056
    WNV y=0.93x+0.0010 0.71* 0.0054
    WCG y=0.92x+0.0013 0.74* 0.0050
    Darea y=1.11x+0.0014 0.68* 0.0050
    成熟期 WI y=1.25x-0.0014 0.54* 0.0051
    MSI y=1.60x-0.0032 0.55* 0.0059
    GVMI y=1.57x-0.0071 0.55* 0.0060
    WNV y=1.28x+0.0011 0.56* 0.0059
    WCG y=1.16x+0.0013 0.55* 0.0056
    Darea y=1.02x+0.0053 0.55* 0.0072
    注:*表示达到0.01显著性水平。
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出版历程
  • 收稿日期:  2019-03-19
  • 修回日期:  2019-07-11
  • 刊出日期:  2020-01-31

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