干旱区棉田水分遥感监测模型研究

论文摘要

棉花是新疆生产建设兵团（简称兵团）最具优势的经济作物之一,是兵团经济发展和广大团场职工的主要收入来源,但是由于该地区水资源极度缺乏,而且棉花种植相对集中,造成棉花花铃期水资源紧张,导致部分棉田受旱,很大程度上减少了棉花的产量。本文从实际农业应用的需求分析入手,以新疆棉花的监测应用为目标,开展模型和方法的研究,并在最后初步实现了棉田旱情的监测的实验。针对棉花作物的特点,我们首先在实验观测的基础上对模型进行了改进。首先利用几种不同棉田水分测试方法进行比较,特别针对棉花需水敏感时期花铃期,我们设计了小区水分试验和大田验证,同时利用TM卫星数据在遥感图像中准确获取棉田水分状况信息,提取中分辨率图像上的棉花田块水分指数开展了研究。并在最后开展了新疆棉花大田旱情监测的应用试验。本文的研究内容主要包括以下几方面：（1）利用几种不同的棉田水分测试方法进行棉田水分监测,同时比较几种方法的优缺点,并通过试验证明了利用近地高光谱遥感方法的快捷准确性,通过研究发现冠层反射率在不同干旱胁迫程度下的差异在近红外波段700-1300nm和中红外波段1600-1899nm的差异尤为显著。（2）作物水分状况是评价作物长势、提高作物产量和改进作物品质的重要因子。棉花精准生产对于无损、快速的植株水分含量监测技术有着迫切需求。通过研究冠层尺度下棉花植株水分含量与高光潜参数的定量关系并建立植株含水量估测模型,以期实现植株水分状况的无损监测。通过连续2年不同灌水量试验,采集棉花不同生育期冠层高光谱数据并同步测定植株含水量,分析棉花冠层高光谱参数与植株水分含量间的关系,建立基于高光谱参数的植株水分含量估算模型。表明：棉花植株水分含量随着灌水量的增加呈现出上升的趋势,不同时期的棉花植株水分含量与光谱反射率在可见光波段（400-700nm）呈先增后降的趋势,在近红外700-1300nm波段范围呈先上升后下降的趋势,而在1300-1800nm波段范围的呈先下降后上升的趋势。以WI1、NDWI.WI,/NDWI等3种光谱参数建立的棉花群体植株水分含量监测模型,分别在棉花蕾期、开花期、盛铃期等3个关键生育期,对植株水分含量的预测精度最高,预测相对误差平均低于13%,能够较准确的反演不同生育阶段棉花植株水分含量。用WIl.NDWI.WI1/NDWI等光谱参数所建植株水分预测模型分别是棉花蕾期、开花期、盛铃期和吐絮期群体植株水分含量监测的最佳模型。（3）文中采用2009年7月和8月TM5数据,在获得NDVI和Ts后,构建NDVI-Ts特征空间。以NDVI-Ts特征空间为基础,建立反映旱情的TVDI指数。利用TVDI对2009年7月和8月的棉田旱情进行评价,并利用同步的表层土壤湿度数据对该旱情指标进行验证。结果表明,TVDI与土壤湿度显著相关,用来评价旱情是合理的。利用NDWI与土壤湿度的无相关性,与植株含水量显著相关,用来评价植株含水量状况时合理的,NDWI较好的反映出叶面含水特征。为了明确叶面含水与上壤湿度的关系,对叶面含水量与土壤湿度相关性分析,其相关性并不高说明叶面含水量对上壤水分的变化并不明显。因此虽然此段时期的NDWI在一定程度上反映了叶面含水,但不能及时反映土壤的含水变化情况。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景与意义
• 1.1.1 干旱及农业干旱的概念
• 1.1.2 干旱的分级与主要指标
• 1.1.3 新疆棉田水分监测应用需求及发展趋势
• 1.2 作物水分监测综述
• 1.2.1 遥感监测土壤水分研究进展
• 1.2.2 几种常用土壤水分遥感监测模型
• 1.2.3 各方法的优缺点比较
• 1.2.4 遥感监测水分研究的发展趋势
• 1.2.5 结语
• 第二章 试验设计
• 1 试验区介绍
• 2 研究内容
• 2.1 几种棉田水分监测方法比较
• 2.2 棉花植株水分含量的高光谱监测模型研究
• 2.3 基于卫星遥感数据进行棉田水分监测
• 3 研究方法与数据获取
• 3.1 卫星遥感数据获取及处理方法
• 3.2 光谱数据获取及处理方法
• 3.3 农学参数获取
• 4 技术路线
• 第三章 几种棉田水分监测方法比较
• 1 材料与方法
• 1.1 试验区概括
• 1.2 试验方法
• 1.2.1 铝盒称重法
• 1.2.2 时域反射仪法（TDR）
• 1.2.3 冠气温差法
• 1.2.4 高光谱法
• 2 结果与分析
• 2.1 不同棉田植株水分监测方法准确性分析
• 2.2 不同棉田土壤水分监测相关分析
• 3 本章小结
• 第四章 棉花植株水分含量的高光谱监测模型研究
• 1 材料与方法
• 1.1 试验设计
• 1.2 测定方法
• 1.2.1 光谱数据测定
• 1.2.2 样本获取和植株含水率测定
• 1.3 数据分析方法
• 2 结果与分析
• 2.1 不同水分处理棉花冠层植株、叶片含水量及其冠层光谱变化特征
• 2.2 冠层植株含水量、叶片含水量与冠层光谱反射率的相关分析
• 2.3 冠层VWC和LWC与作物水分指数的相关关系
• 2.4 基于作物水分指数的棉花冠层植株含水量估测模型的精度检验
• 3 本章小结
• 第五章 利用卫星遥感进行北疆棉田水分监测研究
• 1 材料与方法
• 1.1 试验区概括
• 1.2 测定方法
• 1.3 数据分析方法
• 2 结果与分析
• 2.1 基于LandSat 5 TM影像的Ts-NDVI特征空间构建
• 2.2 基于TVDI的土壤水分监测模型及其验证
• 2.3 基于NDWI的土壤水分监测模型及其验证
• 3 本章小结
• 第六章 结论与展望
• 1 结论
• 2 讨论
• 3 展望
• 参考文献
• 作者简介及论文发表情况
• 致谢
• 石河子大学硕士研究生学位论文 导师评阅表