基于改进型光化学植被指数（PRI）的冬小麦水胁迫监测研究

Monitoring crop water stress using remote sensing techniques is vital for food security in China under global climate changes. Photochemical Reflectance Index (PRI) reflects the rapid change of photosynthesis, and thus has been used for detecting pre-visual water stress of crops. However, it is not very effective to apply PRI to monitoring water stress during different growth stages of crops, because PRI is affected by natural dynamics of pigment content and leaf area index (LAI) during growth stages. Although pigment content and LAI are inherently correlated, current researches usually treat them as independent factors when studying the impacts of pigment content and LAI on PRI. This research will investigate the impacts of the interactive changes in pigment content and LAI on PRI as well as on the evaluation of water stress with PRI during different growth stages of winter wheat. Based on this investigation, this study will modify the existing PRI to reduce the effect of pigment content and LAI on PRI, build the model to monitor water stress of winter wheat for each studied growth stage, and evaluate the effect of the model for different growth stages of winter wheat. This research will provide solid evidence and effective methods for applying hyperspectral remote sensing to large-scale detection of pre-visual water stress and early warning of drought for crops.

利用遥感技术有效及时地监测农作物水胁迫状态对我国在全球气候变化下的粮食安全有着重要意义。光化学植被指数（PRI）由于能够反映光合作用的快速变化，已被用于农作物的早期水胁迫监测。然而基于PRI的水胁迫监测受农作物生长过程中色素含量和叶面积指数(LAI)的变化的影响，使其很难有效地用于不同生长阶段，且目前的研究都将色素含量和LAI视为相对独立的因子分析其对PRI的影响。本研究将以冬小麦为研究对象，分析在其不同生育期内，色素含量和LAI的联动变化对PRI以及利用PRI进行水胁迫监测的影响，在此基础之上，改进经典的PRI以减小色素含量和LAI对PRI水胁迫监测的干扰，针对所研究的各个生育期，建立基于改进型PRI的冬小麦早期水胁迫监测模型并评价其在不同生育期的适用性， 为推动高光谱遥感大范围监测农作物早期水胁迫和干旱预警提供理论依据和有效方法。

光化学植被指数(PRI)由于能够反映光合作用的快速变化，已被用于农作物的早期水胁迫监测。然而基于PRI的水胁迫监测受农作物生长过程中色素含量和叶面积指数(LAI)的变化的影响，使其很难有效地用于不同生长阶段。本研究以冬小麦为研究对象，以相对含水量作为水胁迫指标（RWC）, 开展了两年的冬小麦水胁迫盆栽试验，测量了冬小麦孕穗期至开花期间的冠层高光谱影像和生理生化参数。分析了冬小麦色素含量和 LAI 的联动变化对 PRI 和 PRI 水胁迫监测的影响，发现PRIml（以515nm作为参考波段）与RWC有较强的相关系，但同时受LAI和色素含量的影响较小。基于冬小麦冠层高光谱影像，分析混有不同比例的阴影叶子的冬小麦冠层PRI在水胁迫进程中的变化，及其对估测水胁迫指标的影响。结果表明，对于不受水胁迫的情况下，阴影下的叶子的PRI的值比阳光照射下的叶子的PRI的值要高，而水胁迫下的情况与之相反，但阴影叶子在冠层光谱中的比例对于水胁迫监测的建模精度影响不显著。尝试各种改进PRI的方式以加强PRI对于水胁迫指标的敏感性，降低PRI对于LAI和色素含量的敏感性。但尝试的改进方法对于冬小麦水胁迫监测并没有显著提高，结果表明PRIml估测RWC的精度最高，建立了基于PRIml的冬小麦水胁迫估测模型。本项目的创新点在于分析了不同比例的阴影叶子对冠层PRI在水胁迫状态下的变化以及对PRI水胁迫监测的影响。利用PRI进行重要生育期内的冬小麦水胁迫监测结果虽然不够理想，但为更好地利用PRI监测农作物重要生育期内的水胁迫提供了证据。