基于星-地遥感数据耦合的苹果树冠层氮素营养反演机理与方法

Nitrogen nutrition of remote sensing inversion is very important to guide the precise fertilization of fruit trees. But how to couple the remote sensing data and ground hyperspectral data to evaluate the nitrogen content of the apple canopy is still difficult. The study area is Qixia city of Shandong province. Based on the previous researches, the satellite remote sensing images, ground hyperspectra and canopy nitrogen content of full bearing period apple trees in the four crucial growth periods are used to carry out five main researches. They are (1)Comparativing analysis the apple canopy spectral characteristics based on ground hyperspectral data and satellite remote sensing image; (2)Inversing and verifing the apple canopy reflectance based on coupling the remote sensing data and ground hyperspectral data. (3) Constructing and screening vegetation indices of the apple tree canopy nitrogen status. (4) Establishing the remote sensing inversion model of the apple tree canopy nitrogen status ,analysising its mechanism and (5) Determining and verifing the model, then putting it into application of apple trees canopy nitrogen inversion model. It is aimed to illustrate the mechanism and method of the apple tree nitrogen situation evaluation, and to achieve rapidly and accurate evaluation of apple tree nitrogen situation. Then it can provide theoretical basis and technical support for apple trees’ precision fertilization and information management.

果树氮素营养遥感反演对指导果树精准施肥具有非常重要的意义，但如何将卫星遥感与地面高光谱数据耦合，探索苹果树冠层氮素营养反演的机理与方法仍是一个难点。本项目在前期研究的基础上，以山东省烟台市栖霞果园为研究区，采用卫星遥感、地面高光谱和冠层氮素测试相结合的方法，针对盛果期苹果树氮素营养四个关键生育期，重点研究五个方面的内容：（1）基于地面高光谱与卫星遥感影像的苹果树冠层光谱特征对比研究；（2）基于星-地遥感数据耦合的苹果树冠层反射率反演与精度验证；（3）苹果树冠层氮素含量植被指数的构建与筛选；（4）苹果树冠层氮素含量遥感反演模型的建立与机理分析；（5）苹果树冠层氮素含量遥感反演模型的精度验证、优选及反演应用。本研究旨在阐明苹果树冠层氮素营养反演的机理与方法，实现苹果树氮素营养状况的快速准确获取，以期为苹果树精准施肥与信息化管理提供理论依据与技术支撑。

植被氮素营养遥感反演一直是遥感技术应用领域研究的热点问题之一。研究利用地面高光谱数据与卫星遥感数据耦合，提高植被氮素营养遥感反演的精度，对指导植被的精准施肥具有重要的理论与实践意义。在前期研究的基础上，以山东省烟台市栖霞果园为研究区，针对盛果期苹果树新梢旺长期、春梢停止生长期和秋梢停止生长期氮素营养的关键物候期，通过获取研究区苹果树冠层的高光谱数据和Landsat-8、Sentinel-2A、HJ1A-HIS、GF-1、GF-6遥感影像数据，对比分析了地面高光谱与遥感影像的苹果树冠层光谱特征，进行了不同数据源遥感数据耦合的苹果树冠层反射率反演，完成了苹果树冠层氮素含量植被指数的构建与筛选，建立了苹果树冠层氮素含量遥感反演模型，利用独立试验数据，对遥感反演模型进行了精度检验与优选。项目的主要研究结果包括：（1）阐明了不同物候期与不同氮素含量的地面高光谱与遥感影像的苹果树冠层光谱特征的差异与成因机理；（2）明确了不同数据源遥感数据耦合的苹果树冠层反射率反演的方法；（3）筛选了与苹果树氮素含量相关的光谱敏感波段，构建了不同物候期苹果树冠层的植被指数，研究运用相关分析、主成分分析等方法，得到了苹果树冠层氮素含量的最佳植被指数；（4）建立了苹果树冠层氮素含量遥感反演模型，对遥感反演模型进行了精度检验与优选，确定了苹果树冠层氮素含量遥感反演的最佳模型，并进行了研究区苹果树冠层氮素含量的空间反演。研究结果可以实现苹果树氮素含量的快速与无损监测，为苹果树精准化与信息化养分科学管理提供了理论依据和技术支撑。项目研究任务已基本完成，项目研究取得的成果为已发表相关研究论文14篇（已标注），其中SCI收录6篇，授权专利1项，软件著作权登记1项，培养硕士研究生14名，其中12名已完成学位论文毕业，其中3名硕士研究生获得了国家奖学金，3名硕士研究生考取了博士研究生继续深造。