基于光谱参数和Cu2+吸收机理的玉米叶片铜污染预测研究

依据多个浓度梯度下Cu~(2+)胁迫的玉米盆栽实验,通过采用多种光谱特征参数、红边位置(REP)、红边一阶微分包围面积(FAR)和归一化植被指数(NDVI)等光谱参量;以及另五种植被指数(红边归一化植被指数NDVI_(705),改进红边比值植被指数mSR_(705),改进红边归一化植被指数mNDVI_(705),光化学植被指数PRI和结构不敏感色素指数SIPI);并结合Cu~(2+)的光谱吸收机理,同时基于玉米叶片的反射光谱和Cu~(2+)含量实验室实测数据,开展了玉米叶片光谱参数及植被指数与铜污染程度预测的相关性分析研究。实验结果表明:本文提到的大部分光谱参数及植被指数与叶片中Cu~(2+)含量具有一定的相关性;随着Cu~(2+)浓度增加,盆栽玉米在低于200μg/g浓度时仍可正常生长;而在高于浓度为200μg/g后生长受到抑制。玉米受Cu~(2+)污染时,在Cu~(2+)特征吸收峰810 nm处反射率有下降趋势,与无Cu~(2+)污染时反射率上升的趋势相反,说明Cu~(2+)光谱吸收机理可以用来区分和预测玉米是否受到Cu~(2+)污染。     

重构玉米叶片光谱的铜铅污染区分与其含量反演方法

利用经验模态分解(empirical mode decomposition,EMD)、自相关函数一阶导数比值差(ratio difference of autocorrelation function first-order derivative,_(RDA))和多重分形理论,结合玉米盆栽实验,研究了铜(Cu~(2+))、铅(Pb~(2+))离子不同胁迫梯度下玉米叶片光谱去噪、叶片重金属污染的Cu和Pb元素区分以及叶片中Cu、Pb元素含量预测方法。通过光谱数据的EMD去噪与重构处理,得到不同浓度Cu、Pb胁迫下玉米叶片重构光谱;利用光谱自相关函数一阶导数(autocorrelation function first derivative,AFFD)及其比值差(_(RDA)),建立了Cu~(2+)、Pb~(2+)不同胁迫梯度下玉米叶片重构光谱的_(RDA)变化量(Cu_(RDA)、Pb_(RDA))计算公式;依据_(RDA)变化量曲线中紫光、绿峰、红光、红边、近谷、近峰多个波谱特征区间的Cu_(RDA)和Pb_(RDA)计算值,可明显地区分出叶片的Cu、Pb污染类别;另外,根据实测的玉米叶片中叶绿素、Cu~(2+)、Pb~(2+)含量与叶片重构光谱的多重分形谱参量之间相关性,构建了叶片中Cu~(2+)、Pb~(2+)含量反演的线性回归预测模型,经验证模型精度较高。     

重构玉米叶片光谱的铜铅污染区分与其含量反演方法研究

利用经验模态分解(empirical mode decomposition,EMD)、自相关函数一阶导数比值差(ratio difference of autocorrelation function first-order derivative,_(RDA))和多重分形理论,结合玉米盆栽实验,研究了铜(Cu~(2+))、铅(Pb~(2+))离子不同胁迫梯度下玉米叶片光谱去噪、叶片重金属污染的Cu和Pb元素区分以及叶片中Cu、Pb元素含量预测方法。通过光谱数据的EMD去噪与重构处理,得到不同浓度Cu、Pb胁迫下玉米叶片重构光谱;利用光谱自相关函数一阶导数(autocorrelation function first derivative,AFFD)及其比值差(_(RDA)),建立了Cu~(2+)、Pb~(2+)不同胁迫梯度下玉米叶片重构光谱的_(RDA)变化量(Cu_(RDA)、Pb_(RDA))计算公式;依据_(RDA)变化量曲线中紫光、绿峰、红光、红边、近谷、近峰多个波谱特征区间的Cu_(RDA)和Pb_(RDA)计算值,可明显地区分出叶片的Cu、Pb污染类别;另外,根据实测的玉米叶片中叶绿素、Cu~(2+)、Pb~(2+)含量与叶片重构光谱的多重分形谱参量之间相关性,构建了叶片中Cu~(2+)、Pb~(2+)含量反演的线性回归预测模型,经验证模型精度较高。     

铅离子胁迫下盆栽玉米叶片光谱微分的红边响应研究

基于重金属铅(Pb)污染的盆栽实验玉米,采用光谱仪和叶绿素仪测量了不同浓度Pb~(2+)胁迫下玉米老、中、新叶片的反射光谱及其叶绿素含量;也运用质谱仪测定了不同胁迫浓度叶片中Pb~(2+)含量。对玉米老、中、新叶片中的叶绿素含量与各类叶片及土壤中的Pb~(2+)浓度进行了相关性分析;并为了区分玉米叶片铅离子污染程度和预测Pb~(2+)含量,提出了红边一阶微分曲线面积比值(FARR)和红边一阶微分峰前面积(FABR)参数;同时与常规红边一阶微分包围面积(FAR)、红边一阶微分曲线陡峭度(FCDR)、红边位置(REP)以及红边最大值(MR)作运用比较,实验结果表明,玉米叶片中的叶绿素含量从新叶、中叶到老叶逐渐增加,并随着土壤中Pb~(2+)浓度的升高而降低;受到Pb~(2+)胁迫时,新叶片到老叶片的REP"蓝移"更为明显;FARR和FABR在Pb~(2+)的胁迫程度区分和污染监测方面比FAR、FCDR、REP、MR具有更好的预测效果。     

北碚447锦橙叶片农学参数与其反射光谱的相关性研究

以锦橙叶片为材料,采用野外光谱辐射仪测量叶片的光谱反射率,并对叶片进行水分、氮、钾、磷、叶绿素的含量测定,计算光谱反射率一阶微分、二阶微分.采用统计学相关分析法,分析叶片农学参数与反射光谱之间的相关关系.结果表明:农学参数中只有磷含量与叶片原始光谱反射率有显著性相关,且与反射率一阶微分、二阶微分的相关系数大于与原始光谱反射率的相关系数.所有测定的农学参数都与叶片光谱反射率一阶微分、二阶微分之间均有显著性相关,其中氮含量与反射率一阶微分、二阶微分相关性最强,相关系数绝对值达到0.9以上.这说明利用微分技术可以增强叶片农学参数与光谱信息的相关性,并为高光谱遥感定量估算锦橙农学参数提供理论依据.     

博斯腾湖西岸湖滨绿洲土壤含盐量高光谱估算

以博斯腾湖西岸湖滨绿洲土壤盐分及其对应的高光谱数据为研究对象,对原始光谱反射率(R)进行均方根(R)、对数(lg R)、倒数(1/R)、对数倒数(1/lg R)变换,引入分数阶微分对变换的光谱反射率进行0～2内的微分预处理,通过显著性检验优选特征波段,并利用特征波段进行偏最小二乘回归的建模和验证。结果表明:1)通过显著性检验较多的特征波段是:1/R为691个波段,比通过原始波段多226个波段;且随着阶数的增加,在各阶数中通过显著性检验的波段数量呈先增加后减少的趋势;通过数量较多的特征波段是1/R的0. 4阶和0. 6阶,分别为145、150;2)原始光谱反射率的相关性极大值绝对值是:2阶为0. 53,其他4种数学变换的相关性极大值绝对值比R高0. 11～0. 16,特征波段主要集中在600～1 000 nm和2 020～2 330 nm;3)在原始光谱反射率及其变换值的各分数阶微分利用偏最小二乘回归建模中,1/lgR的0. 2阶建立的模型为最佳模型,R_C~2=0. 78,RMSE_C=1. 56,R_V~2=0. 63,RMSE_V=1. 44。     

铜铅重金属胁迫下玉米光谱分形维数与污染监测研究

通过设定不同浓度梯度的重金属Cu、Pb胁迫下的玉米盆栽试验,利用美国高性能地物光谱仪SVC HR-1024I对不同浓度铜铅污染的玉米老、中、新叶片进行光谱测量,同时采用SPAD-502叶绿素含量测定仪测定各类叶片中叶绿素含量相对值,并通过化学方法测定不同胁迫程度下玉米叶片中的铜铅含量。在分析玉米叶片中Cu、Pb含量与光谱曲线的绿峰高度(GH)、红谷深度(RD)、蓝边(DB)、红边最大值(MR)、红边面积(FAR)、红边一阶微分曲线陡峭度(FCDR)之间相关性的基础上,利用分形理论对叶片410~780 nm之间的光谱曲线进行分形测量,提出运用光谱曲线分形维数(FRAC)对受不同浓度重金属铜铅污染的玉米叶片进行污染监测,同时对相同浓度铜铅胁迫下的老、中、新叶片也进行了光谱响应研究。结果表明,随着叶片中重金属含量增加光谱曲线分形维数也逐渐增大,同等浓度重金属铜铅胁迫程度下,分形维数从新叶到老叶逐渐减小,并且发现光谱曲线分形维数与绿峰高度、红谷深度、红边面积具有较好的相关性,说明光谱曲线分形维数不仅可以综合描述曲线的光谱特性,还能定量反映玉米叶片受重金属铜铅污染程度及其健康状况。因此,光谱曲线分形维数可以作为玉米叶片重金属污染监测的一种新方法。     

分数阶微分Whittaker平滑器

目前Whittaker Smoother(WS)算法应用广泛，该算法的核心在于用整数阶微分来表示粗糙度.但整数阶微分表示过于单一，不够灵活，不能真实反映出信号的粗糙度.相反分数阶微分表示丰富，可以更好地描述真实信号的粗糙度.因此，本文用分数阶微分来改进WS算法，使它更加灵活有效.采用Riemann-Liouvile(RL)和Grumwald-Letnikov(GL)两种不同的分数阶微分计算方法来实现分数阶WS算法.此外，通过数学推导，实现分数阶WS算法的自动选参.含有尖锐峰的核磁共振谱实验结果表明:分数阶WS算法可以提取更多的真实信息;Marzipan红外光谱实验结果表明:与原有整数阶WS算法相比，光谱定量分析的精度更高.     

谐波分析重金属铜铅胁迫玉米的污染效应

提出了谐波分析法监测玉米的重金属污染效应。通过设置不同浓度Cu和Pb胁迫下的玉米盆栽实验,测得了玉米冠层叶片光谱、叶绿素以及Cu含量。利用谐波分析技术将玉米叶片光谱特征信息转化为以振幅和相位的能量谱特征信息,提取低次谐波振幅和初始相位,分析了振幅和相位与玉米的健康状况以及重金属污染效应之间的关系。实验结果和分析表明,振幅反映着光谱的能量信息,与叶片中的Cu离子含量有很强的相关性;初始相位携带着光谱辐射峰值的位置信息,与玉米叶片中重金属含量以及叶片光谱的红边位置具有一定的线性比例关系。因此,可以通过光谱谐波分解的振幅和相位间接的判断Cu和Pb胁迫玉米的污染程度。     

锶胁迫条件下生菜光谱效应特征

锶（Sr）胁迫条件下生菜的反射光谱特征会发生明显改变。通过室内生菜水培试验，获取了36个不同生长期、6个不同锶浓度胁迫的生菜叶片400～950 nm波段区间的生化参数信息（叶绿素含量、细胞结构、叶片金属含量）和反射光谱信息，利用光谱技术并结合数学统计方法研究了生菜叶片7个光谱特征参数与实测叶片锶元素含量之间的相关性，优选了较敏感光谱特征参数，建立了其与生菜叶片锶含量的线性回归模型。结果表明，锶胁迫生菜叶片叶绿素含量呈先上升后下降的规律，细胞结构差异不明显。锶胁迫生菜叶片反射光谱直观上无规律，通过采用光谱技术方法分析得出锶胁迫生菜叶片的红边波段位置先“红移”再“蓝移”，红谷波段位置则“红移”，植被指数B4/B3比值先升高后降低，红边归一化植被指数（NDVI）值随着锶浓度的升高而降低。相关性及线性回归模型分析表明红边波段位置与叶片锶含量显著相关。本文为下一步基于光谱特征的叶片重金属含量反演模型的构建提供了较好的数据源和基础理论。     

基于高分五号卫星数据的红树林群落光谱特征分析

为解决高分五号(GF-5)高光谱数据空间分辨率较低的问题，本研究采用葛拉姆-施密特(Gram-Schmidt, GS)正交变换融合算法对GF-5高光谱数据与高分二号(GF-2)数据进行空谱融合，利用1 m分辨率的GF-5高光谱数据结合实地样本数据提取不同红树林群落与互花米草群落的平均反射率，通过包络线去除与一阶微分计算的方法分析不同红树林群落与互花米草群落的复合光谱特征，从光谱特征探讨红树林群落的可分性。结果表明，在原始光谱曲线680-900、980-1 320、1 530-1 750 nm区间4种群落的光谱差异最大；经过包络线去除与一阶微分计算后的4种群落的光谱反射率分别在1 170-1 400 nm与1 330-1 470 nm波长范围处表现出明显差异。综上可知，不同红树林群落与互花米草的光谱反射率在近红外波段范围内的差异性最大，近红外波段可作为识别不同红树林群落与互花米草的优势波段。     

In situ hyperspectral data analysis for pigment content estimation of rice leaves

Analyses of the correlation between hyperspectral reflectance and pigment content including chlorephyll-a, chlorephyll-b and carotenoid of leaves in different sites of rice were reported in this paper. The hyperspectral reflectance of late rice during the whole growing season was measured using a Spectroradiometer with spectral range of 350 - 1050 nm and resolution of 3 nm. The chlorophyll-a, chlorephyll-b and carotenoid contents in rice leaves in rice fields to which different levels of nitrogen were applied were measured. The chlorephyll-a content of upper leaves was well correlated with the spectral variables. However, the correlation between both chlorephyll-b and careteniod and the spectral variables was far from that of chlorophyll-a. The potential of hyperspectral reflectance measurement for estimating chlorophyll-a of upper leaves was evaluated using univariate correlation and multivariate regression analysis methods with different types of predictors. This study showed that the most suitable estimated model of chlorephyll-a of upper leaves was obtained by using some hyperspectral variables such as SDr , SDb and their integration.     

Cu~(2+)对UV-nTiO_2光催化降解抗生素的影响研究

Cu~(2+)是环境中常见二价金属离子,但其对光催化降解抗生素废水的影响有待探明。为此,构建UV-nTiO_2体系并探究Cu~(2+)共存下三类抗生素(磺胺类抗生素、氯霉素类抗生素及四环素类抗生素)的光催化降解特性。结果表明,Cu~(2+)可显著影响抗生素光催化降解且呈"低浓度促进,高浓度抑制"效应。当Cu~(2+)浓度介于0.001～0.03mol/L时,抗生素降解半衰期(T_(0.5))可降低15%～90%;当浓度介于0.01～0.1mol/L时,T_(0.5)可增大1.5～4倍。结果也表明,Cu~(2+)浓度和T_(0.5)之间的关系可通过正弦函数进行表征(R~20.905),且Cu~(2+)对抗生素光催化降解效率的影响和抗生素的结构特征显著相关(P 0.05)。     

铅锌矿区毛轴蕨反射波谱特征及其机理分析

为了研究铅锌矿对植物反射光谱的影响,以毛轴蕨野外测试光谱和叶灰分微量元素含量为基础,分析铅锌矿区和对照区毛轴蕨光谱特征和微量元素含量特征,并研究红边蓝移量和叶绿素归一化指数与各微量元素含量的相关性.结果表明:矿区毛轴蕨在近红外区域反射率要低于背景区,毛轴蕨红边位置发生了2～20nm的蓝移,根据叶微量元素含量分析确定毛轴蕨叶对铅、锌、锰、锶、钡、砷6种元素有较强的积累作用;毛轴蕨红边蓝移偏移量与锰、锶、铅、锌、钡、砷等几种微量元素含量均成正相关,除锶元素外,叶绿素归一化指数与几种主要元素均成负相关.     

Study on the biomass change derived from the hyperspectral data of cotton leaves in canopy under moisture stress

In this study, an ASD spectrometer made in USA is used to derive the hyperspectral data of cotton leaves in canopy in north Xinjiang. The integral area variables of red edge are used to estimate the total nitrogen (TN) content in cotton leaves in canopy. The first order differential of reflective spectra is carried out. The analysis methods based on the spectral position variables are derived from the first order differential spectral data. The analysis on the correlation between the integral area of red edge (SDr, regarded as the independent variable) and the TN content (regarded as the function) is carried out, and the correlation mathematical model between the integral area of red edge and the TN content in canopy leaves of cotton varieties named as Xinluzao No.6 is developed. The analysis on the correlation between the chlorophyll content and the TN content in single cotton leaves in canopy growing under the irrigation with different water volumes is carried out. The results show that there is a significant positive correlation between the chlorophyll content and the TN content (R = 0.8723, n = 39), and the data of chlorophyll content can be used to estimate the TN content in single cotton leaves; the correlation between the integral area variable of red edge and the TN content in cotton leaves in canopy is significant, their correlation coefficient is 0.7394 (n = 40), the TN contents in canopy leaves of cotton varieties named as Xinluzao No. 6 and No. 8 can be accurately estimated by using the developed model, and their RMSE values are 0.3859 and 0.4272 respectively. After researching, it is considered that there is an applying potential to use the integral area variables of red edge for estimating the TN content in cotton leaves in canopy, and the mathematical model developed with the third-side area variables has a high applying value in deriving the TN content in crop canopy. It is also considered that it is feasible to recognize the moisture stress suffered by cotton plants by researching the shift and change extent of red edge, and the key is to develop the corresponding rational recognition index system.

     

小麦叶片电阻抗图谱参数对重金属胁迫的响应

 为了研究小麦在重金属胁迫下电阻抗图谱参数的规律,测定了小麦叶片在重金属离子Zn²⁺、Pb²⁺、Cr（Ⅲ）、Cu²⁺、Ni²⁺、Cr（Ⅵ）6种离子胁迫下的胞外电阻、胞内电阻、弛豫时间和弛豫时间分布系数,并通过回归分析建立上述电阻抗图谱参数与重金属离子浓度之间的关系。研究表明,随着重金属离子浓度的增加,小麦叶片的胞外电阻和弛豫时间表现为减小,胞内电阻和弛豫时间分布系数增加,与其他4种离子相比,Cu²⁺和Cr(Ⅵ)离子更能显著减小胞外电阻和弛豫时间的数值,可以用弛豫时间来预测小麦叶片受重金属毒害的程度。研究表明,弛豫时间的变化基本满足logistic模型。