從反射光譜估算光合特性：光譜指數(shù)、數(shù)值反演和偏最小二乘回歸的綜合

日期： 2020-05-28

瀏覽次數(shù): 240

植被冠層的光合特性是基于地球系統(tǒng)模型進(jìn)程的重要參數(shù)，可用于理解全球碳循環(huán)。然而這些地球系統(tǒng)模型缺乏光合特性連續(xù)的時(shí)空信息，導(dǎo)致了很大的不確定性，無(wú)法解釋碳的源和匯以及大氣層與陸地生物圈的交換。此外，光合速率的準(zhǔn)確表征對(duì)于重設(shè)光合作用途徑以提高作物產(chǎn)量至關(guān)重要。選擇新品種需要在給定環(huán)境中將基因型與表型聯(lián)系起來(lái)，但尚未以高通量方式實(shí)現(xiàn)，這成為植物育種的主要瓶頸之一。為此，作為全球糧食安全問(wèn)題解決方案的一部分，迫切需要光合特性高通量表征技術(shù)的進(jìn)步，這對(duì)于深刻理解全球環(huán)境變化至關(guān)重要。

基于此，作者研究了安裝在移動(dòng)平臺(tái)上的高光譜成像相機(jī)是否能解決這些問(wèn)題，重點(diǎn)研究三種主要方法-基于偏最小二乘法回歸（PLSR）的反射光譜，光譜指數(shù)以及數(shù)值模型反演，以從11個(gè)煙草品種冠層高光譜反射率估算光合特性。結(jié)果表明，基于PLSR建立的反射光譜和光譜指數(shù)模型預(yù)測(cè)V_cmax和J_max的R²為~0.8，高于數(shù)值反演的預(yù)測(cè)結(jié)果（R²為~0.6）。與反射光譜的PLSR相比，光譜指數(shù)的PLSR預(yù)測(cè)V_cmax（R²?= 0.84 ± 0.02, RMSE = 33.8 ± 2.2 μmol m^?2?s^?1）的結(jié)果更好，預(yù)測(cè)J_max（R²?= 0.80 ± 0.03, RMSE = 22.6 ± 1.6 μmol m^?2?s^?1）的結(jié)果相似。光譜重采樣的進(jìn)一步分析表明，可以在約10個(gè)光譜帶中以小于14.7 nm的光譜分辨率預(yù)測(cè)V_cmax和J_max。這些結(jié)果對(duì)于改善光合作用途徑和跨尺度的光合作用制圖具有重要意義。

試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)選擇了包括野生和轉(zhuǎn)基因品系在內(nèi)的11個(gè)煙草品種，用于評(píng)估三種估計(jì)光合特性方法的性能。（a）基于地面的高通量表型平臺(tái)用于收集高光譜圖像。（b）2017年6月22、26、27日，7月6、7、12、31日，2017年8月18日和2018年7月24、25日測(cè)量的光合變量V_cmax和J_max值（用于構(gòu)建預(yù)測(cè)模型）的范圍。從上到下的線分別表示最小值，平均值和最大值。

從反射光譜估算光合特性：光譜指數(shù)、數(shù)值反演和偏最小二乘回歸的綜合

圖像預(yù)處理

圖3a顯示了2017年6月27日，從品種4上收集的原始圖像。圖像預(yù)處理包括3個(gè)步驟；（1）輻射定標(biāo)，在此期間，將原始圖像轉(zhuǎn)換為絕對(duì)光譜輻射度，（2）利用K均值聚類算法進(jìn)行圖像分類（圖3b）以及（3）反射率計(jì)算。該程序系統(tǒng)在地塊水平上的多個(gè)作物品種的高通量表型研究中非常重要。

從反射光譜估算光合特性：光譜指數(shù)、數(shù)值反演和偏最小二乘回歸的綜合

從反射光譜估算光合特性：光譜指數(shù)、數(shù)值反演和偏最小二乘回歸的綜合.pdf

上一篇：棄土基質(zhì)的光譜發(fā)射率庫(kù)下一篇：高光譜遙感監(jiān)測(cè)水稻缺水脅迫的各種建模方法的比較

News / 相關(guān)新聞 More

ASD | LabSpec地物光譜儀在反演土壤水分特征曲線方面的應(yīng)用

2024 - 11 - 07

對(duì)地表入滲和蒸發(fā)通量的分配，以及準(zhǔn)確量化不同空間尺度下土壤與大氣之間的質(zhì)量和能量交換過(guò)程，都需要了解土壤的水文性質(zhì)（如土壤水分特征曲線和導(dǎo)水率特征曲線）。土壤水分特征曲線（SWRC）描述了在基質(zhì)勢(shì)下土壤水分含量的平衡情況，是重要的水文特性，與土壤孔隙的大小分布和結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，受土壤結(jié)構(gòu)、質(zhì)地、有機(jī)物和粘土礦物等因素的影響。傳統(tǒng)測(cè)量SWRC的實(shí)驗(yàn)室方法繁瑣，數(shù)據(jù)往往不完整，且只覆蓋有限的水分含量范圍。近年來(lái)，近程和遙感技術(shù)得到了廣泛關(guān)注，特別是在光學(xué)域內(nèi)的土壤反射光譜已被用于獲取土壤礦物學(xué)和化學(xué)成分、有機(jī)物含量、粒度分布及水分含量等信息。這些研究為衛(wèi)星遙感提供了大尺度測(cè)繪的基礎(chǔ)。傳統(tǒng)方法主要依賴光譜轉(zhuǎn)移函數(shù)，盡管能有效推斷土壤水力特性，但需大量數(shù)據(jù)進(jìn)行模型校準(zhǔn)。本文提出了一種新的實(shí)驗(yàn)室方法，通過(guò)水分含量依賴的短波紅外（SWIR）土壤反射光譜直接估計(jì)SWRC，利用最近開(kāi)發(fā)的前向輻射傳輸模型，僅...

More

LI-2100 | 基于水分利用策略和植物性狀確定坡耕地玉米種植適宜土壤厚度

2024 - 10 - 29

水資源在糧食生產(chǎn)和生態(tài)修復(fù)中的關(guān)鍵作用，特別是在頻繁出現(xiàn)的高溫、干旱等極端天氣條件下，威脅糧食生產(chǎn)，加速土地退化。研究指出，中國(guó)作為人均水資源低于世界平均水平的國(guó)家，農(nóng)業(yè)用水已占全國(guó)總用水量的60%以上，但整體用水效率較低且區(qū)域差異顯著。尤其在山區(qū)和丘陵地區(qū)，土壤侵蝕和厚度減少嚴(yán)重影響了蓄水能力，加劇了干旱頻發(fā)和作物減產(chǎn)的風(fēng)險(xiǎn)。為應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)，本文強(qiáng)調(diào)了通過(guò)優(yōu)化農(nóng)業(yè)管理實(shí)踐，提高用水效率，以緩解干旱脅迫，維持作物產(chǎn)量的重要性。本次田間試驗(yàn)在中國(guó)科學(xué)院鹽亭紫色土農(nóng)業(yè)生態(tài)站進(jìn)行，該站位于中國(guó)四川盆地中北部，海拔400-600m（東經(jīng)105° 27’，北緯 31°16’）（圖 1）。該地區(qū)屬于中亞熱帶季風(fēng)氣候，平均氣溫 17.3℃。年平均降水量為826mm，蒸發(fā)量為680 mm。降雨分布不均，約70%的年降水發(fā)生在夏秋季，季節(jié)性干旱頻繁，主要發(fā)生在春季和初夏。圖1...

More

Resonon | Pika IR+高光譜成像儀在考古學(xué)方面的應(yīng)用

2024 - 10 - 29

考古學(xué)雖然常與發(fā)掘相關(guān)，但許多遺址仍需通過(guò)地表上的文物和其他特征來(lái)進(jìn)行識(shí)別。對(duì)這些地表考古記錄的分析不僅可以揭示不同定居時(shí)期的信息，還能展示土地的農(nóng)業(yè)、生產(chǎn)或儀式用途，以及景觀中人、物、思想的流動(dòng)模式。本文介紹了一種利用機(jī)載高光譜短波紅外 (SWIR) 圖像的新方法，用于記錄和分析地表考古材料。SWIR 光可以區(qū)分不同類型的巖石、礦物和土壤，地質(zhì)學(xué)家經(jīng)常利用這一原理繪制地質(zhì)圖。Resonon Pika IR+高光譜成像儀能夠以優(yōu)于10厘米的空間分辨率收集SWIR圖像，從而識(shí)別并表征地表文物。本文探討了在NASA Space Archaeology 資助下進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)，展示了這項(xiàng)技術(shù)的潛力和挑戰(zhàn)，特別是在成功定位和表征單個(gè)文物方面，同時(shí)指出了未來(lái)發(fā)展的關(guān)鍵方向。作者團(tuán)隊(duì)將 Resonon Pika IR+高光譜成像儀安裝在 DJI M600上（圖 1）。還在機(jī)身頂部安裝了額外的 GPS 天線桿...

More

2018–2019年大興安嶺北部近地表土壤凍融期森林土壤CO2和CH4通量

2024 - 10 - 21

高緯度苔原和針葉林、中緯度闊葉林和草原、高山和高原地區(qū)普遍存在季節(jié)性、晝夜性甚至持續(xù)數(shù)小時(shí)的凍融循環(huán)。北半球近55%的陸地面積經(jīng)歷季節(jié)性凍融，土壤凍融循環(huán)持續(xù)時(shí)間從幾天到150天不等。頻繁的凍融循環(huán)改變了土壤微生物群落結(jié)構(gòu)和代謝，加速土壤有機(jī)質(zhì)的分解，并以溫室氣體（如CO2、CH4和N2O）或溶解有機(jī)碳（DOC）的形式排放。這些過(guò)程已成為生態(tài)學(xué)、凍土學(xué)和生物地球化學(xué)研究的重點(diǎn)。凍融循環(huán)對(duì)地表土壤CO2和CH4通量的影響備受關(guān)注。一項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)，積雪對(duì)冬季土壤呼吸的影響是短暫的，厚度變化對(duì)CO2通量影響小。了解活動(dòng)層過(guò)程對(duì)多年凍土區(qū)土壤CO2和CH4動(dòng)態(tài)的響應(yīng)和反饋至關(guān)重要。凍融循環(huán)頻率和持續(xù)時(shí)間對(duì)高寒地區(qū)土壤碳通量具有重要調(diào)控作用。不同生態(tài)系統(tǒng)在融化期具有較高的CO2和CH4通量，研究表明，在近地表土壤凍結(jié)期間CO2通量達(dá)到峰值，隨后顯著下降。春季融化期（20-30天）的甲烷通量...

More

【關(guān)閉窗口】【打印】