本發(fā)明屬于衛(wèi)星遙感監(jiān)測技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種棗樹冠層葉綠素b含量的衛(wèi)星遙感監(jiān)測方法。
背景技術(shù)：
葉綠素是植物中的主要色素，也是最重要的色素，高等植物葉綠素由兩種，葉綠素a和葉綠素b，他們參與光能吸收、傳遞和轉(zhuǎn)化，控制著葉片吸收太陽輻射的量，從而控制著光合作用的潛力及初級生產(chǎn)力。利用葉綠素含量還可以進行準確地間接估計植物營養(yǎng)狀態(tài)。葉綠素的改變是環(huán)境脅迫和物候期的指示，在植物收到脅迫以及在衰老進程中，葉綠素含量會降低，葉綠素a和葉綠素b的壁紙也會因非生物因素的影響而發(fā)生變化。因此，測定總?cè)~綠素、葉綠素a、葉綠素b含量能夠洞察到有關(guān)植物與環(huán)境相互作用的有用信息。因此，在棗樹種植培育過程中，其中的葉綠素b也是一種非常重要的生物化學(xué)參數(shù)，快速獲取葉綠素b含量信息是監(jiān)測棗樹生長發(fā)育及品質(zhì)保證的前提。
傳統(tǒng)技術(shù)測量植物葉片葉綠素a濃度需要高效液相色譜法，這既耗費時間。人力，又對植物造成損傷，而且也很昂貴，另外，從田間到實驗室的運輸和樣本制備過程中很可能損失植物葉綠素b，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)測植物葉綠素b時間動態(tài)的能力。
而衛(wèi)星遙感可以快速、經(jīng)濟、環(huán)保、無損的監(jiān)測大面積(縣域尺度及以上或1萬畝及以上)棗樹冠層的葉綠素b含量。但目前關(guān)于利用衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)應(yīng)用于棗樹冠層葉綠素b含量的研究甚少，尤其是缺乏相應(yīng)的棗樹葉綠素b含量反演模型。
技術(shù)實現(xiàn)要素：
為了解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，本發(fā)明提供了一種棗樹冠層葉綠素b含量的衛(wèi)星遙感監(jiān)測方法，包括如下步驟：
S1：確定待監(jiān)測區(qū)域；
S2：下載待監(jiān)測區(qū)域的衛(wèi)星遙感影像；
S3：對下載的衛(wèi)星遙感影像進行幾何精校正；
S4：對幾何精校正后的衛(wèi)星遙感影像進行輻射校正；
S5：對輻射校正后的衛(wèi)星遙感影像進行大氣校正；
S6：對大氣校正后的衛(wèi)星遙感影像進行裁剪，得到監(jiān)測區(qū)域影像；
S7：計算監(jiān)測區(qū)域影像中每個像元的NR、NNIR、NG、NDVI、DVI共5個植被指數(shù)；
S8：將與每個像元對應(yīng)的5個植被指數(shù)NR、NNIR、NG、NDVI、DVI通過ENVI5.1軟件的波段運算功能代入棗樹冠層葉綠素b含量的模型，Y＝2.21818NR+0.1887608NNIR-2.408082NG+0.4591275NDVI+16.61039DVI+0.34954，計算出監(jiān)測區(qū)域中對應(yīng)像元的棗樹冠層葉綠素b含量；
其中，Y為棗樹冠層的葉綠素b含量，單位為mg/g。
優(yōu)選地，S2中，所述衛(wèi)星遙感影像來源于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的計算公式為：NR＝R/(NIR+R+G)；所述NNIR的計算公式為：NNIR＝NIR/(NIR+R+G)；所述NG的計算公式為：NG＝G/(NIR+R+G)；所述NDVI的計算公式為：NDVI＝(NIR-R)/(NIR+R)；所述DVI的計算公式為：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)明提供的棗樹冠層葉綠素b含量的衛(wèi)星遙感監(jiān)測方法，實現(xiàn)了待監(jiān)測區(qū)域快速、準確、經(jīng)濟、環(huán)保的獲取棗樹冠層葉綠素b含量數(shù)據(jù)，相較于傳統(tǒng)的室內(nèi)化學(xué)分析測定方法來講，該發(fā)明不需要配制任何化學(xué)試劑，避免了測定過程中化學(xué)尾液排放對環(huán)境的污染和對人體的傷害，同時也大大簡化了操作步驟，縮短了監(jiān)測時間，而相對于光譜測定方法來講，該發(fā)明的優(yōu)勢是在大面積棗園葉綠素b含量監(jiān)測時更快速、更省力、更經(jīng)濟。該發(fā)明能滿足農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中區(qū)域尺度的棗園能在短時間內(nèi)獲取棗樹冠層葉綠素b數(shù)據(jù)的需求，為棗樹田間管理提供依據(jù)，適合推廣應(yīng)用于區(qū)域尺度(縣域尺度及以上或1萬畝及以上)的棗樹冠層葉綠素b含量監(jiān)測。
附圖說明
圖1為本發(fā)明實施例中提供的棗樹冠層葉綠素b含量實測值與衛(wèi)星遙感監(jiān)測值散點圖(n＝30)。
具體實施方式
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)方案能予以實施，下面結(jié)合具體實施例對本發(fā)明作進一步說明，但所舉實施例不作為對本發(fā)明的限定。
一種棗樹冠層葉綠素b含量的衛(wèi)星遙感監(jiān)測方法，具體包括以下步驟：
查詢Landsat8衛(wèi)星在該待監(jiān)測區(qū)域的過境時間，該Landsat8衛(wèi)星的分辨率為30米，衛(wèi)星過境時如果天氣晴朗無云，下載Landsat8衛(wèi)星在該待監(jiān)測區(qū)域當(dāng)日的遙感影像。本實施例的具體實施時間為2016年8月9日，待監(jiān)測區(qū)域為新疆一師11團地域內(nèi)的巴山公司的紅棗基地，當(dāng)日天空晴朗無云。本實施例共采集了60個棗樹冠層的樣品，其中30個樣品用于構(gòu)建棗樹冠層葉綠素b含量的反演模型，另外30個用于檢驗?zāi)Ｐ偷姆囱菥取?/p>
下載該監(jiān)測區(qū)域的衛(wèi)星遙感影像后，對衛(wèi)星遙感影像進行幾何精校正，然后對幾何精校正后的衛(wèi)星遙感影像進行輻射校正，接著對輻射校正后的衛(wèi)星遙感影像進行大氣校正，最后對大氣校正后的衛(wèi)星遙感影像進行裁剪，裁剪出監(jiān)測區(qū)域影像。上述幾何精校正、輻射校正、大氣校正依次進行，且在軟件ENVI5.1中完成。
在監(jiān)測區(qū)域影像內(nèi)，以相對于實際地面面積為30m*30m且邊線的朝向為正南正北或正東正西方向的的正方形作為一個像元，隨機選取多個像元作為對應(yīng)多個待監(jiān)測的取樣單元，并以選取的取樣單元的對角線交叉點為中心，記錄該中心的地理坐標信息，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點法取樣，相鄰兩個取樣單元的中心點之間的距離不小于50米，本實例共采集60個取樣單元的信息。在裁剪后的Landsat 8衛(wèi)星影像上利用ArcGis軟件的Extraction功能提取每個取樣單元的棗樹冠層的TM3波段、TM4波段、TM5波段的反射率。
然后通過TM3波段、TM4波段、TM5波段的反射率數(shù)據(jù)計算每個取樣單元的棗樹冠層的NG、NR、NNIR、RVI、GRVI、DVI、GDVI、NDVI、GNDVI、SAVI、GSAVI、OSAVI、GOSAVI、MSAVI2、GMSAVI2、RDVI、GRDVI共17個植被指數(shù)。
具體的，上述各植被指數(shù)的具體計算公式為：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。
將每個取樣單元內(nèi)采集的棗樹冠層樣品采用傳統(tǒng)的室內(nèi)化學(xué)分析方法獲得的葉綠素b含量標準結(jié)果與NG、NR、NNIR、RVI、GRVI、DVI、GDVI、NDVI、GNDVI、SAVI、GSAVI、OSAVI、GOSAVI、MSAVI2、GMSAVI2、RDVI、GRDVI數(shù)值進行相關(guān)性矩陣分析，選擇相關(guān)性達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)性達極顯著水平，則只選取其中與葉綠素b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、NNIR、NG、NDVI、DVI共5個植被指數(shù)作為棗樹冠層葉綠素b含量的建模因子。
根據(jù)30個采用傳統(tǒng)的室內(nèi)化學(xué)分析方法獲得的葉綠素b含量數(shù)據(jù)與其對應(yīng)的取樣單元的NR、NNIR、NG、NDVI、DVI數(shù)值，采用偏最小二乘法構(gòu)建棗樹冠層葉綠素b含量的模型，其模型為：Y＝2.21818NR+0.1887608NNIR-2.408082NG+0.4591275NDVI+16.61039DVI+0.34954；其中，Y為棗樹冠層的葉綠素b含量，單位為mg/g。
將剩余30個取樣單元的NR、NNIR、NG、NDVI、DVI數(shù)值代入棗樹冠層類葉綠素b含量的模型進行反演：Y＝2.21818NR+0.1887608NNIR-2.408082NG+0.4591275NDVI+16.61039DVI+0.34954，計算其對應(yīng)的葉綠素b含量數(shù)據(jù)，并將其與傳統(tǒng)的室內(nèi)化學(xué)分析方法的測定結(jié)果進行比較，檢驗該模型的反演精度。
表1是利用室傳統(tǒng)的室內(nèi)化學(xué)分析方法獲取的棗樹冠層葉綠素b含量的真實值與利用上述棗樹冠層葉綠素b含量衛(wèi)星遙感監(jiān)測模型得到的監(jiān)測值的統(tǒng)計數(shù)據(jù)。
表1棗樹冠層葉綠素b含量測定值與衛(wèi)星遙感監(jiān)測結(jié)果的對比(樣本數(shù)為30)
從表1可知，真實值與監(jiān)測值二者的平均值、最大值、最小值非常相近。圖1是棗樹冠層葉綠素b含量檢測值與真實值的擬合程度。其中真實值的測定方法為國標法開氏-蒸餾法。真實值與檢測值之間的決定系數(shù)(R2)達到0.72，均方根誤差(RMSE)僅有0.08mg/g，平均絕對誤差(MAE)只有0.07mg/g，說明模型具有高精度預(yù)測的能力。該結(jié)果表明，本發(fā)明的方法可以準確、快速的監(jiān)測棗樹冠層葉綠素b含量。
以上所述實施例僅是為充分說明本發(fā)明而所舉的較佳的實施例，其保護范圍不限于此。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)明的保護范圍之內(nèi)，本發(fā)明的保護范圍以權(quán)利要求書為準。