氮素是作物生长发育过程中必需的营养元素,影响作物的产量和品质。作物氮素状况是评价作物长势的重要指标。传统的氮素诊断方法不仅费力费时,而且时效性差。为了提高氮肥利用率和氮素诊断的时效性,实时、快速、无损的遥感监测技术成为农业科研工作者研究的热点。高光谱遥感技术具有实时监测能力强、监测范围广、精度高等优点,能够显著增强对作物生理生化参数的探测手段和能力,提高监测作物生长和营养状况的精准性。本研究的目的是以不同类型小麦(春小麦和冬小麦)为研究对象,基于不同生态、气候、年份、品种、生育时期、施氮水平、种植密度等田间试验,综合运用生理生化测试、生长分析、高光谱遥感技术及数理统计分析等技术手段,分析不同栽培因子条件下氮素营养与小麦冠层高光谱特征间的关系,确立能够表征氮素营养状况的适宜的光谱指标和相应的监测模型,以期为小麦氮素营养状况的实时监测和精确诊断提供有效的技术支撑。主要研究结果如下:1小麦冠层光谱的方向性特征分析植被冠层的反射特性受多种因素的影响,例如,冠层的光谱学特性和几何形态;另外,在很大程度上还受入射光方向和反射方向的影响。这种反射通常采用二向性反射来表示。研究首先分析了随入射角和观测角的变化小麦冠层二向性反射的变化特征。结果表明,随着太阳天顶角的增加,不论主平面还是垂直平面二向反射率均增加;后向散射反射率高于前向散射反射率;冠层二向反射率随着观测天顶角的变化而变化,可见光波段的后向反射现象比近红外波段明显;“热点效应”一般出现在主平面后向散射方向上和太阳天顶角相同的观测天顶角附近。因此,为了减少观测方式带来结果的不确定性,应尽量选择在近红外波段和小的太阳天顶角下,选择适宜的观测角度和太阳天顶角,估算结构参数时尽量选择主平面进行遥感观测。基于这些光谱信息可以进一步研究如何利用冠层反射光谱监测小麦氮素营养状况。2栽培因子对冠层多角度反射光谱及其与叶片氮含量间相关性的影响作物的反射光谱曲线具有显著的特征,随着栽培因子、生育时期的不同表现出不同的光谱特征,可以反映作物的生长状况。作物冠层光谱分析是利用遥感技术无损监测作物生长状况的有效方法。本文基于不同小麦品种类型、施氮水平、种植密度等大田试验材料,利用冠层高光谱分析技术,提取典型特征波段,分析不同处理小麦冠层光谱特征,同时,运用相关分析研究不同栽培因子条件下冠层高光谱遥感特征与叶片氮含量的相关性。研究首先分析了不同施氮水平下小麦冠层光谱反射率的变化,随着生育时期的推进,高氮(N-H)处理和低氮(N-L)处理的冠层光谱在可见光波段反射率增大,而且N-L处理的冠层反射率大于N-H处理;在近红外波段,N-H处理冠层反射光谱随生育时期呈现出先增加后降低的趋势,N-L处理表现出降低的趋势;“热点效应”发生在主平面上可见光波段后向散射方向观测天顶角接近太阳天顶角处。另外,种植密度影响两种类型小麦冠层光谱特征存在差异,小麦冠层反射率随着种植密度的提高在可见光波段呈现降低的趋势;在近红外波段呈现增加的趋势。根据不同株型品种在主平面、垂直平面不同波段(波长)条件下对小麦冠层反射率的影响,发现主平面上可见光区域紧凑型小麦的反射率高于披散型小麦,但在近红外波段,两种品种类型小麦的反射率差别不大;在可见光区域,披散型小麦的冠层反射率在后向散射方向随观测天顶角的增加而显著增加,在前向散射方向随观测天顶角的增加而缓慢增加,后向反射率大于前向反射率;紧凑型小麦表现出后向散射方向随观测天顶角的增加显著增加,前向散射随观测天顶角的增加而降低。垂直平面上的反射率除表现出和主平面相似的现象外,在后向和前后还呈现一定的对称性,根据不同平面的光谱特征变化可以初步实现品种类型的遥感识别。不同观测角度下植被指数与叶片氮含量的相关分析表明,红光比值植被指数NDRE在所有观测角度与叶片氮含量相关性都较好,在-30°-+30°观测天顶角范围内,相关性R2达到0.804-0.875。因此,利用冠层高光谱特征监测小麦植株氮素营养,在一定的观测角度范围内可以快速有效地监测小麦生长状况,为小麦生产中氮素调控和精准管理提供方法支持。3基于垂直观测角度下水分不敏感光谱指数的小麦叶片氮含量监测氮素含量过高或过低都会引起作物群体、叶面积指数、叶绿素含量、盖度、蛋白质等的降低,进而影响作物的反射光谱。本文在综合分析小麦冠层光谱特征的基础上,从单一的垂直角度上研究了小麦叶片氮含量(LNC)和冠层高光谱及参数的定量关系。并在前人研究的基础上组合红边比值植被指数NDRE(790nm,720nm)和浮动水分指数FWBI(900,min930-980),构建了新植被指数NDRE/FWBI,并对其进行波段优化,其计算公式可以表示为[(R735-R720)*R900]/[Rmin(930-980)*(R735+R720)]。比较常用高光谱参数和新植被指数NDRE/FWBI与LNC的关系,建立回归方程,根据两者间的决定系数R2及均方根误差RMSE确立氮素营养状况的定量监测模型。研究结果表明,传统的植被指数中R705/(R717+R491)和mND705与小麦冠层叶片氮含量的相关性较好,回归方程的R2分别为0.832和0.818,均方根误差RMSE分别为0.401和0.417。新构建的植被指数NDRE/FWBI与叶片氮含量的相关性最好,方程拟合R2为0.843,均方根误差RMSE为0.382。另外,经不同年际独立数据的检验表明,以NDRE/FWBI参数为变量的模型叶片氮含量的预测精度最高,R2为0.861,预测的均方根误差(RMSE)为0.384,平均相对误差(RE)为15.6%。和普通的光谱参数相比,利用新构建植被指数NDRE/FWBI建立的叶片氮素监测模型能够有效地评价小麦氮素营养状况。4基于水分不敏感光谱指数的适宜观测角度范围及叶片氮含量广适性监测模型与单一角度遥感观测相比,多角度多时相的对地物目标观测,能够更为详细可靠的获取目标物的光谱信息。在研究垂直方向观测小麦冠层的基础上,通过获取不同气候和地理条件下中国和加拿大地区的大田试验光谱数据,分析了主平面13个不同观测角度下植被指数与小麦氮素营养状况间的定量关系。小麦冠层叶片氮含量的敏感光谱参数主要是红边指数,如mND705,RI-1DB和NDRE与叶片氮含量密切相关,方程拟合程度较好。为了进一步消弱外界和观测角度对色素监测的影响,提高典型植被指数估测叶片氮含量的稳定性和广适性,我们分析了新植被指数估算叶片氮含量的角度效应及估算精度间的差异。新建植被指数NDRE/FWBI表现出最佳性能,对叶片氮含量方程拟合效果得到明显改善。观测天顶角范围为0°到-20°,方程拟合决定系数R2达到0.838,均方根误差RMSE为0.36;其次是观测天顶角为0°到-30°,方程拟合R2为0.835,均方根误差RMSE为0.366。考虑到观测角度范围越广越适宜大田生产,我们选择观测天顶角为0°到-30°建立了不同栽培因子条件下统一模型预测叶片氮含量。经独立试验资料检验表明,以参数mND705、RI-1DB和NDRE/FWBI为变量的估算模型中,新构建植被指数NDRE/FWBI表现最好,预测精度R2为0.839,预测的平均相对误差(RE)为14.28%。所以,在一定的观测角度范围内,不同种植区域、年度、品种、种植密度、氮素水平、生育时期间可以使用统一的光谱模型估测小麦叶片氮素营养状况。5基于多角度高光谱遥感的小麦植株氮积累量估测植株氮素积累量(PN A)是植株氮浓度与干物质量的乘积,能够反映作物群体生长状况及氮素营养水平。本研究以连续两年不同试验条件下大田试验为依托,采集了小麦不同生育期的田间冠层多角度高光谱数据,分析植株氮积累量与多个光谱参数的定量关系及最佳观测角度。结果表明,选定的多个光谱参数与不同试验条件下的植株氮积累量的相关性最好的观测角均在0°--20°区域。通过13个观测角度下各个参数与氮积累量相关性均值比较,发现观测角度为-20°时,相关系数均值最高。其中参数DVI(810,560)、DIDA、VIopt、DDn和DD与植株氮积累量相关性较好,R分别为0.832、-0.877、0.858、-0.872和0.868。经不同年际独立试验数据的检验表明,以参数DIDA为变量建立的植株氮积累量模型预测精度最高,其次分别为DDn、VIopt、DD,DVI最小,其预测演精度R2分别为0.870、0.827、0.82、0.813、0.775。因此,利用-20°观测角DIDA建立的模型可以有效诊断不同试验条件下小麦植株氮积累量的动态变化,该方法为快捷和精确评估小麦植株氮积累量提供了新的研究思路。总之,本文综合分析了小麦冠层的光谱反射特性,分别从单一垂直角度和多角度研究了小麦冠层高光谱反射特征及多种光谱指数与叶片氮含量的关系,构建了叶片氮含量估算方程,确立了拟合度较好的光谱监测模型。独立试验数据检验表明,基于垂直观测角度下构建的高光谱指数WRNI,即[(R735-R720)*R900]/[Rmin(930-980)*(R735+R720)]可以实时评价小麦冠层叶片氮含量;而多角度遥感数据在作物结构参数提取方面比常规观测数据更具优势,新的参数WRNI不仅降低了对观测角度的依赖性,而且还增加了模型的稳定性,可以称为广角适应性氮指数。试验证明,不论是在中国还是加拿大,所有观测角度下新构建的植被指数WRNI与叶片氮含量的相关性都高于其他植被指数,不同试验条件下估测小麦冠层叶片氮含量的精度都是较高的。不过,模型的稳定性和实用性还需在其他作物中进一步验证。