苹果树冠氮素含量高光谱探测机理与模型研究

The nitrogen content of the apple tree has very impotant influence on the yield and quality of the apple tree,and the traditional nitrogen determination method can not meet with rapid and nondestructive monitoring for large-area fruit tree.The research about the hyperspectral remote sensing detection mechanism and quantitative relation model of the apple tree nitrogen content is very important theoretical and practical application value for quick and nondestructive scientific managerment of the apple tree nutrient.Based on the previous related research,this project aims at different growth periods and different age of the apple tree,especially in full apple crown,detecting hyperspectral data about the leaves at different parts,using different angles detection the the apple tree crown,crown and the background soil mixture.The hyperspectral detection mechanism is revealed nitrogen content of the apple crown at different detection ways.With the synchronous test of the nitrogen content in the laboratory,this research systematically analyzes the defferent levels of hyperspectral detection of nitrogen content in quantitative relationship in the apple tree leaves,pure crown and canopy ect.,and establishes the quantitative relation model between hyperspectral data and the nitrogen content,and uses independent test data to assess and test the precision of model.It is to relealize the nitrogen content rapid and nondestrutive hyperspectral monitoring of the apple tree,to provide the theory basis and the technical support in precision and inforamtization scientific nutrient management for the apple tree.

苹果树氮素含量对苹果产量品质有非常重要的影响。传统的氮素检测方法无法满足对大面积果树快速、无损监测的需要，研究苹果树冠氮素含量的高光谱遥感探测机理与定量关系模型，对快速、无损的果树养分科学管理具有十分重要的理论意义和实际应用价值。在前期相关研究的基础上，本项目拟针对不同生育期不同树龄的苹果树、尤其以盛果期的苹果树，通过对树冠不同部位的叶片、采用不同探测角度对树冠、树冠与背景土壤混合的高光谱探测，揭示树冠氮素含量的高光谱探测机理；结合同步氮素含量实验室测定结果，系统分析苹果树冠叶片、纯树冠和冠层等不同层次的高光谱数据与氮素含量的定量关系，建立基于高光谱数据的氮素含量定量关系模型；利用独立试验数据，评估与验证模型的精度，实现苹果树氮素含量的快速、无损高光谱监测，为苹果树精准化与信息化养分科学管理提供理论依据和技术支撑。

高光谱遥感是遥感领域发展的前沿，植被化学成分的估测是高光谱遥感的研究热点之一。本研究以山东省烟台栖霞市果园为研究区，以苹果树叶片和冠层为研究对象，针对不同生育期盛果期的苹果树，通过野外对苹果树冠层与背景土壤的高光谱探测，来揭示苹果叶片和冠层氮素含量的高光谱特征与机理；结合实验室内测定的氮素含量，系统分析了苹果树叶片和冠层高光谱数据与氮素含量之间的定量关系，筛选出了敏感光谱波段，构建了特征光谱参量，建立了基于高光谱数据的氮素含量定量关系模型；利用独立试验数据，评估与验证了模型的精度，实现了苹果树氮素含量的快速、无损高光谱监测。项目的研究任务已基本完成，项目研究取得的成果已发表相关论文14篇（已标注国家自然科学基金资助），其中SCI收录3篇。培养硕士生研究生9名，其中6名已顺利毕业，3名在读。项目的主要研究结果包括：（1）阐明了苹果叶片在不同水分含量、不同叶绿素含量、不同氮素含量和不同病害胁迫的高光谱特征与机理；（2）阐明了不同叶绿素含量、不同氮素含量苹果冠层的高光谱特征与机理；（3）建立了苹果叶片水分、叶绿素和氮素含量的高光谱估测模型，并进行了精度验证；（4）建立了苹果冠层叶绿素和氮素含量的高光谱估测模型，并进行了精度验证；（5）建立了基于SVM 与RF的苹果树冠LAI高光谱估测模型，并进行了精度验证；（6）设计与建立了苹果冠层/叶片高光谱数据库系统，方便了对高光谱数据批量录入、存储、导出与数据处理。该研究将为苹果树精准化与信息化养分科学管理提供理论依据和技术支撑。