本發(fā)明屬于衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種棗樹(shù)冠層類(lèi)胡蘿卜素含量的衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)方法。

背景技術(shù)：

類(lèi)胡蘿卜素是植物色素中的第二大類(lèi)主要色素，是紅色、橙色或黃色的四萜類(lèi)物質(zhì)，它由胡蘿卜素和葉黃素組成；類(lèi)胡蘿卜素同樣能吸收太陽(yáng)輻射能，并將能量貢獻(xiàn)給光合作用，它是天線(xiàn)色素與反應(yīng)中心色素復(fù)合物的組分，當(dāng)輻射能超過(guò)光合作用所需時(shí)，類(lèi)胡蘿卜素組分葉黃素循環(huán)會(huì)耗散過(guò)剩能量，從而保護(hù)反應(yīng)中心。依賴(lài)葉黃素循環(huán)的熱耗散在高等植物中是一種關(guān)鍵的能量耗散機(jī)制，葉黃素與光合作用的光能利用率是緊密相關(guān)的，因此，從類(lèi)胡蘿卜素濃度能提供更多有關(guān)植被生理狀態(tài)的補(bǔ)充信息。

在棗樹(shù)種植培育過(guò)程中，類(lèi)胡蘿卜素是一種非常重要的生物化學(xué)參數(shù)，快速獲取類(lèi)胡蘿卜素含量信息是監(jiān)測(cè)棗樹(shù)生長(zhǎng)發(fā)育及品質(zhì)保證的前提。

傳統(tǒng)技術(shù)測(cè)量植物葉片類(lèi)胡蘿卜素濃度需要高效液相色譜法，這既耗費(fèi)時(shí)間。人力，又對(duì)植物造成損傷，而且也很昂貴，領(lǐng)外，從田間到實(shí)驗(yàn)室的運(yùn)輸和樣本制備過(guò)程中很可能損失植物類(lèi)胡蘿卜素，從而導(dǎo)致植物色素含量發(fā)生變化，因此，傳統(tǒng)技術(shù)所具有的破壞性性質(zhì)及諸多不足，限制了監(jiān)測(cè)植物類(lèi)胡蘿卜素時(shí)間動(dòng)態(tài)的能力。

而衛(wèi)星遙感可以快速、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保、無(wú)損的監(jiān)測(cè)大面積(縣域尺度及以上或1萬(wàn)畝及以上)棗樹(shù)冠層的類(lèi)胡蘿卜素含量。但目前關(guān)于利用衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)應(yīng)用于棗樹(shù)冠層類(lèi)胡蘿卜素含量的研究甚少，尤其是缺乏相應(yīng)的棗樹(shù)類(lèi)胡蘿卜素含量反演模型。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種棗樹(shù)冠層類(lèi)胡蘿卜素含量的衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)方法，包括如下步驟：

S1：確定待監(jiān)測(cè)區(qū)域；

S2：下載待監(jiān)測(cè)區(qū)域的衛(wèi)星遙感影像；

S3：對(duì)下載的衛(wèi)星遙感影像進(jìn)行幾何精校正；

S4：對(duì)幾何精校正后的衛(wèi)星遙感影像進(jìn)行輻射校正；

S5：對(duì)輻射校正后的衛(wèi)星遙感影像進(jìn)行大氣校正；

S6：對(duì)大氣校正后的衛(wèi)星遙感影像進(jìn)行裁剪，得到監(jiān)測(cè)區(qū)域影像；

S7：計(jì)算監(jiān)測(cè)區(qū)域影像中每個(gè)像元的NR、MSAVI2、GSAVI、GOSAVI、GMSAVI2、GDVI、DVI共7個(gè)植被指數(shù)；

S8：將與每個(gè)像元對(duì)應(yīng)的7個(gè)植被指數(shù)NR、MSAVI2、GSAVI、GOSAVI、GMSAVI2、GDVI、DVI通過(guò)ENVI5.1軟件的波段運(yùn)算功能代入棗樹(shù)冠層類(lèi)胡蘿卜素含量的模型，

Y＝0.3209648NR-0.06380936MSAVI2-0.07388984GSAVI-0.1325935GOSAVI-0.05366499GMSAVI2-0.02665145GDVI-0.03155722DVI+0.21882，計(jì)算出監(jiān)測(cè)區(qū)域中對(duì)應(yīng)像元的棗樹(shù)冠層類(lèi)胡蘿卜素含量；

其中，Y為棗樹(shù)冠層的類(lèi)胡蘿卜素含量，單位為mg/g。

優(yōu)選地，S2中，所述衛(wèi)星遙感影像來(lái)源于Landsat 8衛(wèi)星，所述Landsat 8衛(wèi)星空間分辨率為30米。

更優(yōu)選地，S7中，所述NR的計(jì)算公式為：NR＝R/(NIR+R+G)；所述MSAVI2的計(jì)算公式為：MSAVI2＝0.5*[2*(NIR+1)-SQRT((2*NIR+1)²-8*(NIR-R))]；所述GSAVI的計(jì)算公式為：GSAVI＝1.5*[(NIR-G)/(NIR+G+0.5)]；所述GOSAVI的計(jì)算公式為：GOSAVI＝(NIR-G)/(NIR+G+0.16)；所述GMSAVI2的計(jì)算公式為：GMSAVI2＝0.5*[2*(NIR+1)-SQRT((2*NIR+1)²-8*(NIR-G))]；所述GDVI的計(jì)算公式為：GDVI＝NIR–G；所述DVI的計(jì)算公式為：DVI＝NIR–R；

其中，G代表Landsat 8衛(wèi)星遙感影像大氣校正后的TM3波段的反射率，其波段區(qū)間為0.525-0.600μm；R代表Landsat 8衛(wèi)星遙感影像大氣校正后的TM4波段的反射率，其波段區(qū)間為0.630-0.680μm；NIR代表Landsat 8衛(wèi)星遙感影像大氣校正后的TM5波段的反射率，其波段區(qū)間為0.845-0.885μm。

優(yōu)選地，S3-S5中，所述幾何精校正、所述輻射校正、所述大氣校正均在軟件ENVI5.1中完成。

更優(yōu)選地，所述大氣校正采用FLAASHAtmospheric Correction方法。

本發(fā)明提供的棗樹(shù)冠層類(lèi)胡蘿卜素含量的衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)方法，實(shí)現(xiàn)了待監(jiān)測(cè)區(qū)域快速、準(zhǔn)確、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保的獲取棗樹(shù)冠層類(lèi)胡蘿卜素含量數(shù)據(jù)，相較于傳統(tǒng)的室內(nèi)化學(xué)分析測(cè)定方法來(lái)講，該發(fā)明不需要配制任何化學(xué)試劑，避免了測(cè)定過(guò)程中化學(xué)尾液排放對(duì)環(huán)境的污染和對(duì)人體的傷害，同時(shí)也大大簡(jiǎn)化了操作步驟，縮短了監(jiān)測(cè)時(shí)間，而相對(duì)于光譜測(cè)定方法來(lái)講，該發(fā)明的優(yōu)勢(shì)是在大面積棗園類(lèi)胡蘿卜素含量監(jiān)測(cè)時(shí)更快速、更省力、更經(jīng)濟(jì)。該發(fā)明能滿(mǎn)足農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中區(qū)域尺度的棗園能在短時(shí)間內(nèi)獲取棗樹(shù)冠層類(lèi)胡蘿卜素?cái)?shù)據(jù)的需求，為棗樹(shù)田間管理提供依據(jù)，適合推廣應(yīng)用于區(qū)域尺度(縣域尺度及以上或1萬(wàn)畝及以上)的棗樹(shù)冠層類(lèi)胡蘿卜素含量監(jiān)測(cè)。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明實(shí)施例中提供的棗樹(shù)冠層類(lèi)胡蘿卜素含量實(shí)測(cè)值與衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)值散點(diǎn)圖(n＝30)。

具體實(shí)施方式

為了使本領(lǐng)域技術(shù)人員更好地理解本發(fā)明的技術(shù)方案能予以實(shí)施，下面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明，但所舉實(shí)施例不作為對(duì)本發(fā)明的限定。

一種棗樹(shù)冠層類(lèi)胡蘿卜素含量的衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)方法，具體包括以下步驟：

查詢(xún)Landsat8衛(wèi)星在該待監(jiān)測(cè)區(qū)域的過(guò)境時(shí)間，該Landsat8衛(wèi)星的分辨率為30米，衛(wèi)星過(guò)境時(shí)如果天氣晴朗無(wú)云，下載Landsat8衛(wèi)星在該待監(jiān)測(cè)區(qū)域當(dāng)日的遙感影像。本實(shí)施例的具體實(shí)施時(shí)間為2016年8月9日，待監(jiān)測(cè)區(qū)域?yàn)樾陆粠?1團(tuán)地域內(nèi)的巴山公司的紅棗基地，當(dāng)日天空晴朗無(wú)云。本實(shí)施例共采集了60個(gè)棗樹(shù)冠層的樣品，其中30個(gè)樣品用于構(gòu)建棗樹(shù)冠層類(lèi)胡蘿卜素含量的反演模型，另外30個(gè)用于檢驗(yàn)?zāi)Ｐ偷姆囱菥取?/p>

下載該監(jiān)測(cè)區(qū)域的衛(wèi)星遙感影像后，對(duì)衛(wèi)星遙感影像進(jìn)行幾何精校正，然后對(duì)幾何精校正后的衛(wèi)星遙感影像進(jìn)行輻射校正，接著對(duì)輻射校正后的衛(wèi)星遙感影像進(jìn)行大氣校正，最后對(duì)大氣校正后的衛(wèi)星遙感影像進(jìn)行裁剪，裁剪出監(jiān)測(cè)區(qū)域影像。上述幾何精校正、輻射校正、大氣校正依次進(jìn)行，且在軟件ENVI5.1中完成。

在監(jiān)測(cè)區(qū)域影像內(nèi)，以相對(duì)于實(shí)際地面面積為30m*30m且邊線(xiàn)的朝向?yàn)檎险被蛘龞|正西方向的的正方形作為一個(gè)像元，隨機(jī)選取多個(gè)像元作為對(duì)應(yīng)多個(gè)待監(jiān)測(cè)的取樣單元，并以選取的取樣單元的對(duì)角線(xiàn)交叉點(diǎn)為中心，記錄該中心的地理坐標(biāo)信息，以代表該取樣單元的位置信息，在所述取樣單元內(nèi)采用5點(diǎn)法取樣，相鄰兩個(gè)取樣單元的中心點(diǎn)之間的距離不小于50米，本實(shí)例共采集60個(gè)取樣單元的信息。在裁剪后的Landsat 8衛(wèi)星監(jiān)測(cè)區(qū)域影像上利用ArcGis軟件的Extraction功能提取每個(gè)取樣單元的棗樹(shù)冠層的TM3波段、TM4波段、TM5波段的反射率。然后通過(guò)TM3波段、TM4波段、TM5波段的反射率數(shù)據(jù)計(jì)算每個(gè)取樣單元的棗樹(shù)冠層的NG、NR、NNIR、RVI、GRVI、DVI、GDVI、NDVI、GNDVI、SAVI、GSAVI、OSAVI、GOSAVI、MSAVI2、GMSAVI2、RDVI、GRDVI共17個(gè)植被指數(shù)。

同時(shí)，采集對(duì)應(yīng)取樣單元的葉片，具體為在與上述同一取樣單元內(nèi)采用5點(diǎn)法取樣，然后混合成一個(gè)樣，取樣時(shí)需均勻的采集棗樹(shù)冠層上、中、下部位的葉片，采集好的樣品帶回實(shí)驗(yàn)室后烘干研磨成粉狀樣品，進(jìn)行化學(xué)分析測(cè)定其胡蘿卜素含量。

具體的，上述各植被指數(shù)的具體計(jì)算公式為：NG＝G/(NIR+R+G)；NR＝R/(NIR+R+G)；NNIR＝NIR/(NIR+R+G)；RVI＝NIR/R；GRVI＝NIR/G；DVI＝NIR–R；GDVI＝NIR-G；NDVI＝(NIR-R)/(NIR+R)；GNDVI＝(NIR-G)/(NIR+G)；SAVI＝1.5*[(NIR-R)/(NIR+R+0.5)]；GSAVI＝1.5*[(NIR-G)/(NIR+G+0.5)]；OSAVI＝(NIR-R)/(NIR+R+0.16)；GOSAVI＝(NIR-G)/(NIR+G+0.16)；MSAVI2＝0.5*[2*(NIR+1)-SQRT((2*NIR+1)²-8*(NIR-R))]；GMSAVI2＝0.5*[2*(NIR+1)-SQRT((2*NIR+1)²-8*(NIR-G))]；RDVI＝SQRT(NDVI*DVI)；GRDVI＝SQRT(GNDVI*GDVI)；其中，上述各計(jì)算公式中，G代表Landsat 8衛(wèi)星遙感影像大氣校正后的TM3波段的反射率，其波段區(qū)間為0.525-0.600μm；R代表Landsat 8衛(wèi)星遙感影像大氣校正后的TM4波段的反射率，其波段區(qū)間為0.630-0.680μm；NIR代表Landsat 8衛(wèi)星遙感影像大氣校正后的TM5波段的反射率，其波段區(qū)間為0.845-0.885μm。

將每個(gè)取樣單元內(nèi)采集的棗樹(shù)冠層樣品采用傳統(tǒng)的室內(nèi)化學(xué)分析方法獲得的類(lèi)胡蘿卜素含量標(biāo)準(zhǔn)結(jié)果與NG、NR、NNIR、RVI、GRVI、DVI、GDVI、NDVI、GNDVI、SAVI、GSAVI、OSAVI、GOSAVI、MSAVI2、GMSAVI2、RDVI、GRDVI數(shù)值進(jìn)行相關(guān)性矩陣分析，選擇相關(guān)性達(dá)極顯著水平的植被指數(shù)作為建模入選因子，但如果入選的植被指數(shù)之間的自相關(guān)性達(dá)極顯著水平，則只選取其中與類(lèi)胡蘿卜素含量相關(guān)性最高的植被指數(shù)作為入選因子。

根據(jù)以上方法本次共選出NR、MSAVI2、GSAVI、GOSAVI、GMSAVI2、GDVI、DVI共7個(gè)植被指數(shù)作為棗樹(shù)冠層類(lèi)胡蘿卜素含量的建模因子。

根據(jù)30個(gè)采用傳統(tǒng)的室內(nèi)化學(xué)分析方法獲得的類(lèi)胡蘿卜素含量數(shù)據(jù)與其對(duì)應(yīng)的取樣單元的NR、MSAVI2、GSAVI、GOSAVI、GMSAVI2、GDVI、DVI數(shù)值，采用偏最小二乘法構(gòu)建棗樹(shù)冠層類(lèi)胡蘿卜素含量的模型，其模型為：Y＝0.3209648NR-0.06380936MSAVI2-0.07388984GSAVI-0.1325935GOSAVI-0.05366499GMSAVI2-0.02665145GDVI-0.03155722DVI+0.21882。

其中，Y為棗樹(shù)冠層的類(lèi)胡蘿卜素含量，單位為mg/g。

將剩余30個(gè)取樣單元的NR、MSAVI2、GSAVI、GOSAVI、GMSAVI2、GDVI、DVI數(shù)值代入棗樹(shù)冠層類(lèi)胡蘿卜素含量的模型進(jìn)行反演：

Y＝0.3209648NR-0.06380936MSAVI2-0.07388984GSAVI-0.1325935GOSAVI-0.05366499GMSAVI2-0.02665145GDVI-0.03155722DVI+0.21882，計(jì)算其對(duì)應(yīng)的類(lèi)胡蘿卜素含量數(shù)據(jù)，并將其與傳統(tǒng)的室內(nèi)化學(xué)分析方法的測(cè)定結(jié)果進(jìn)行比較，檢驗(yàn)該模型的反演精度。

表1是利用傳統(tǒng)的室內(nèi)化學(xué)分析方法獲取的棗樹(shù)冠層類(lèi)胡蘿卜素含量的真實(shí)值與利用上述棗樹(shù)冠層類(lèi)胡蘿卜素含量衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)模型得到的監(jiān)測(cè)值的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。

表1棗樹(shù)冠層類(lèi)胡蘿卜素含量測(cè)定值與衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)結(jié)果的對(duì)比(樣本數(shù)為30)

從表1可知，真實(shí)值與監(jiān)測(cè)值二者的平均值、最大值、最小值非常相近。圖1是棗樹(shù)冠層類(lèi)胡蘿卜素含量檢測(cè)值與真實(shí)值的擬合程度。其中真實(shí)值的測(cè)定方法為國(guó)標(biāo)法開(kāi)氏-蒸餾法。真實(shí)值與檢測(cè)值之間的決定系數(shù)(R²)達(dá)到0.66，均方根誤差(RMSE)僅有0.015mg/g，平均絕對(duì)誤差(MAE)只有0.012mg/g，說(shuō)明模型具有高精度預(yù)測(cè)的能力。該結(jié)果表明，本發(fā)明的方法可以準(zhǔn)確、快速的監(jiān)測(cè)棗樹(shù)冠層類(lèi)胡蘿卜素含量。

以上所述實(shí)施例僅是為充分說(shuō)明本發(fā)明而所舉的較佳的實(shí)施例，其保護(hù)范圍不限于此。本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明基礎(chǔ)上所作的等同替代或變換，均在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)，本發(fā)明的保護(hù)范圍以權(quán)利要求書(shū)為準(zhǔn)。