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類胡蘿卜素含量的衛(wèi)星遙感監(jiān)測方法。
背景技術(shù)：
類胡蘿卜素是植物色素中的第二大類主要色素，是紅色、橙色或黃色的四萜類物質(zhì)，它由胡蘿卜素和葉黃素組成；類胡蘿卜素同樣能吸收太陽輻射能，并將能量貢獻給光合作用，它是天線色素與反應(yīng)中心色素復(fù)合物的組分，當輻射能超過光合作用所需時，類胡蘿卜素組分葉黃素循環(huán)會耗散過剩能量，從而保護反應(yīng)中心。依賴葉黃素循環(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，從類胡蘿卜素濃度能提供更多有關(guān)植被生理狀態(tài)的補充信息。
在棗樹種植培育過程中，類胡蘿卜素是一種非常重要的生物化學(xué)參數(shù)，快速獲取類胡蘿卜素含量信息是監(jiān)測棗樹生長發(fā)育及品質(zhì)保證的前提。
傳統(tǒng)技術(shù)測量植物葉片類胡蘿卜素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，領(lǐng)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類胡蘿卜素，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)測植物類胡蘿卜素時間動態(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)棗樹冠層的類胡蘿卜素含量。但目前關(guān)于利用衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)應(yīng)用于棗樹冠層類胡蘿卜素含量的研究甚少，尤其是缺乏相應(yīng)的棗樹類胡蘿卜素含量反演模型。
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類胡蘿卜素含量的衛(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、MSAVI2、GSAVI、GOSAVI、GMSAVI2、GDVI、DVI共7個植被指數(shù)；
S8：將與每個像元對應(yīng)的7個植被指數(shù)NR、MSAVI2、GSAVI、GOSAVI、GMSAVI2、GDVI、DVI通過ENVI5.1軟件的波段運算功能代入棗樹冠層類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，計算出監(jiān)測區(qū)域中對應(yīng)像元的棗樹冠層類胡蘿卜素含量；
其中，Y為棗樹冠層的類胡蘿卜素含量，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MSAVI2的計算公式為：MSAVI2＝0.5*[2*(NIR+1)-SQRT((2*NIR+1)2-8*(NIR-R))]；所述GSAVI的計算公式為：GSAVI＝1.5*[(NIR-G)/(NIR+G+0.5)]；所述GOSAVI的計算公式為：GOSAVI＝(NIR-G)/(NIR+G+0.16)；所述GMSAVI2的計算公式為：GMSAVI2＝0.5*[2*(NIR+1)-SQRT((2*NIR+1)2-8*(NIR-G))]；所述GDVI的計算公式為：GDVI＝NIR–G；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)明提供的棗樹冠層類胡蘿卜素含量的衛(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)保的獲取棗樹冠層類胡蘿卜素含量數(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)勢是在大面積棗園類胡蘿卜素含量監(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)獲取棗樹冠層類胡蘿卜素數(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)的棗樹冠層類胡蘿卜素含量監(jiān)測。
附圖說明
圖1為本發(fā)明實施例中提供的棗樹冠層類胡蘿卜素含量實測值與衛(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。
一種棗樹冠層類胡蘿卜素含量的衛(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)建棗樹冠層類胡蘿卜素含量的反演模型，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)星監(jiān)測區(qū)域影像上利用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)。
同時，采集對應(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點法取樣，然后混合成一個樣，取樣時需均勻的采集棗樹冠層上、中、下部位的葉片，采集好的樣品帶回實驗室后烘干研磨成粉狀樣品，進行化學(xué)分析測定其胡蘿卜素含量。
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)分析方法獲得的類胡蘿卜素含量標準結(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，則只選取其中與類胡蘿卜素含量相關(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個植被指數(shù)作為棗樹冠層類胡蘿卜素含量的建模因子。
根據(jù)30個采用傳統(tǒng)的室內(nèi)化學(xué)分析方法獲得的類胡蘿卜素含量數(shù)據(jù)與其對應(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)建棗樹冠層類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為棗樹冠層的類胡蘿卜素含量，單位為mg/g。
將剩余30個取樣單元的NR、MSAVI2、GSAVI、GOSAVI、GMSAVI2、GDVI、DVI數(shù)值代入棗樹冠層類胡蘿卜素含量的模型進行反演：
Y＝0.3209648NR-0.06380936MSAVI2-0.07388984GSAVI-0.1325935GOSAVI-0.05366499GMSAVI2-0.02665145GDVI-0.03155722DVI+0.21882，計算其對應(yīng)的類胡蘿卜素含量數(shù)據(jù)，并將其與傳統(tǒng)的室內(nèi)化學(xué)分析方法的測定結(jié)果進行比較，檢驗該模型的反演精度。
表1是利用傳統(tǒng)的室內(nèi)化學(xué)分析方法獲取的棗樹冠層類胡蘿卜素含量的真實值與利用上述棗樹冠層類胡蘿卜素含量衛(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棗樹冠層類胡蘿卜素含量測定值與衛(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是棗樹冠層類胡蘿卜素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0.66，均方根誤差(RMSE)僅有0.015mg/g，平均絕對誤差(MAE)只有0.012mg/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)測棗樹冠層類胡蘿卜素含量。
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。