一种利用花后NDVI动态分析禾谷类作物冠层衰老进度的方法技术

本发明专利技术公开了一种利用花后NDVI动态分析禾谷类作物冠层衰老进度的方法。包括：获取花后NDVI动态并进行数据平滑、获取花后ΔNDVI动态并进行Gauss拟合、对应划分各衰老阶段并计算各衰老相关指标。本发明专利技术通过获取不同品种冠层NDVI信息并构造相关衰老指标来分析不同品种的衰老进度，以达到鉴选品种的目的。新方法克服了传统基于叶片器官化学成分或生理指标测定时的费时、低效等缺点，同时不对衰老进程设定数学上的限定，充分考虑了作物自身生长发育的规律性变化，能够快速无损满足谷类作物衰老进程评估的需求。

【技术实现步骤摘要】
一种利用花后NDVI动态分析禾谷类作物冠层衰老进度的方法
本专利技术涉及作物冠层衰老诊断领域，具体涉及一种利用遥感植被指数NDVI来定量分析禾谷类作物冠层衰老进度的方法。
技术介绍
衰老是生物必然经历的生命过程，是任何物种都难以逃脱的宿命。对谷类作物来说，衰老是旧生命体死亡，新生命体孕育的桥梁，是谷类作物得以生生不息的重要保障。研究衰老过程，可以帮助人们揭示谷类作物生长规律，以便更好地顺应天时地利采取有力措施获得更高收益。前人针对衰老的发生，提出了众多假说，其中包括基因的时空调控假说、光碳失衡假说、营养胁迫假说和激素平衡假说(魏道智，1998)。而衰老的调控机制，目前接受度较高的是自由基理论和细胞程序性死亡理论(陈睿，2012)。衰老的发生和发展时刻左右作物的长势状态，最终影响作物产量和品质。关于作物衰老进程的划分，1968年Goldthwaite将叶片叶绿素降解过程分为滞后期(Lagphase)和对数期(Logphase)，滞后期期间叶绿素降解较为缓慢，直到下降至叶片叶绿素含量最高值的80-90％，而对数期的叶片叶绿素含量则呈现指数降低。张荣铣等(1992)在研究叶片叶绿素和光合速率时，提出小麦叶片展开后叶绿素含量将经历缓降期和速降期两个时期，当叶绿素含量下降到叶片展开时的80％为缓衰期的转折点，此后进入速降期，光合速率下降到最大值的50％时为光合高值持续期的截止。以上均是基于旗叶或者某个叶片器官对衰老做出的划分，而衰老是植物冠层整体性的行为，需要统一考虑，仅仅依靠叶片尺度进行衰老进程的划分能否表达整个冠层群体值得商榷。澳大利亚学者Christopher在2014年提出了一种基于冠层NDVI指数的冠层衰老划分方法：以有效积温为横轴，统计花后冠层NDVI随积温的动态变化，并使用Logistic方程对NDVI趋势进行拟合；设置花后NDVI值下降到NDVI最大可变区间的90％、50％和10％三个节点来反映冠层衰老进程。这个方法明显的特点是从冠层角度衡量作物衰老进程，较前人基于器官水平的衰老评估有较大的改进。然而，众多关于衰老进程的划分都涉及到人为设定的数值下降比例，而作物生长发育是基因和环境共同作用的结果，很难用固定的数学规律去统一界定。因此，开发一种不设定衰老变化比例的方法或基于作物冠层自身变化规律的方法来分析冠层衰老进程是有意义和必要的。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种通过获取禾谷类作物群体花后冠层NDVI动态来分析禾谷类作物冠层衰老进程的方法。本专利技术的方法与其它分析方法的显著区别在于本专利技术是一种无损分析方法，不需要到田间测量生理生化指标，同时不设定数学百分比来量化冠层衰老的进程。本专利技术所提供的分析禾谷类作物冠层衰老进程的方法，包括如下步骤：1)通过田间调查，记录作物群体的具体开花日期，精确到某一自然日；2)获取作物冠层花后NDVI动态，即，从开花到植株枯萎的NDVI值，绘制花后NDVI值动态曲线；3)对获取的花后NDVI值动态曲线进行数据平滑处理；4)计算花后NDVI值日下降量动态(即ΔNDVI动态)，绘制花后ΔNDVI值曲线；5)对获取的花后ΔNDVI值曲线进行拟合处理；6)将拟合后的ΔNDVI值曲线分成三段：Ⅰ低值水平区间段，Ⅱ上升区间段，Ⅲ下降区间段；7)按照对应花后时间将区间Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ分别配对到步骤3)中数据平滑处理后的NDVI值动态曲线上，计算如下指标：缓衰期RSP、速衰期SFP、持绿期SPC、衰老量SR、衰老比例SP、最大NDVI日衰量ΔNDVImax、平均NDVI日衰量mΔNDVI，缓衰期平均NDVI日衰量mΔNDVIRSP和速衰期平均NDVI日衰量mΔNDVISFP其中，RSP为区间Ⅰ包括的天数；SFP为区间Ⅱ包括的天数；SPC为区间Ⅲ包括的天数；SR为开花期NDVI值(花后0天的NDVI值)和Q点处的NDVI值的差值；SP为SR和开花期NDVI值(花后0天的NDVI值)的比值；ΔNDVImax为NDVI最大日衰量；mΔNDVI为平均NDVI日衰量；mΔNDVIRSP为缓衰期平均NDVI日衰量；mΔNDVISFP为速衰期平均NDVI日衰量；8)根据步骤7)获得的一系列指标分析和比较不同冠层群体的花后衰老状况。上述方法步骤1)中，所述作物群体为单一品种(系)的大田栽培群体；所述具体开花日期为参照Zadoks标准群体进入GS65的日期，即大田作物50％穗部开花或散粉为进入开花期的日期；上述方法步骤2)中，NDVI值由红光波段的反射率和近红外光波段反射率计算得出，计算公式为：NDVI＝(NIR-Red)/(NIR+Red)，NIR为近红外光波段反射率，Red为红光波段反射率；上述方法步骤3)中，采用Savitzky-Golay滤波法对曲线进行数据平滑处理，具体可为：使用Origin软件中的Savitzky-Golay滤波法对曲线进行数据平滑处理；上述方法步骤4)中，ΔNDVI由当天的NDVI值减去后一天的NDVI值得到，计算公式为：ΔNDVIi＝NDVIi-NDVIi+1，i≥0，NDVIi表示花后第i天的NDVI值；上述方法步骤5)中，采用Gauss函数对花后ΔNDVI值曲线进行拟合；更具体地，使用Origin软件中Gauss函数对花后ΔNDVI值曲线进行拟合；步骤6)中，根据ΔNDVI值曲线的趋势来判断：Ⅰ区数值处于水平且数值较低，Ⅱ区数值处于显著上升区间至峰值，Ⅲ区为峰值至下降区间；上述方法步骤7)中，与区间Ⅰ对应的NDVI区间段命名为缓衰期RSP(RelativesteadyphaseofNDVI)；与区间Ⅱ对应的NDVI期间段命名为速衰期SFP(NDVIsharpfallphase)；与区间Ⅲ对应的NDVI区间段命名为枯黄期CP(Chlorosisphase)；区间Ⅰ和区间Ⅱ可合并区间为区间Ⅳ，对应的NDVI区间段命名为持绿期SPC(Stay-greenphaseofcanopy，SPC)；缓衰期和速衰期的转折点为P点，速衰期与枯黄期的转折点为Q点，对应的NDVI值为NDVIp和NDVIQ；衰老量SR(SenescenceratebasedonNDVI)为开花期NDVI值和Q点处的NDVI值(NDVIQ)的差值；衰老比例SP(SenescencepercentagebasedonNDVI)为衰老量SR和开花期NDVI值的比值；最大NDVI日衰量ΔNDVImax，ΔNDVImax＝NDVIQ-NDVIQ+1；平均NDVI日衰量mΔNDVI，mΔNDVI＝SR/SPC；缓衰期平均NDVI日衰量mΔNDVIRSP为缓衰期期间NDVI日衰量的平均值；速衰期平均NDVI日衰量mΔNDVISFP为速衰期期间NDVI日衰量的平均值。利用花后NDVI动态分析禾谷类作物冠层衰老进度的方法在禾谷类作物品种筛选和种植指导中的应用本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种分析禾谷类作物冠层衰老进程的方法，包括如下步骤：/n1)通过田间调查，记录作物群体的具体开花日期，精确到某一自然日；/n2)获取作物冠层花后NDVI动态，即，从开花到植株枯萎的NDVI值，绘制花后NDVI值动态曲线；/n3)对获取的花后NDVI值动态曲线进行数据平滑处理；/n4)计算花后NDVI值日下降量动态(即ΔNDVI动态)，绘制花后ΔNDVI值曲线；/n5)对获取的花后ΔNDVI值曲线进行拟合处理；/n6)将拟合后的ΔNDVI值曲线分成三段：Ⅰ低值水平区间段，Ⅱ低值到峰值上升区间段，Ⅲ峰值后下降区间段；/n7)按照对应花后时间将区间Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ分别配对到步骤3)中数据平滑处理后的NDVI值动态曲线上，计算如下指标：缓衰期RSP、速衰期SFP、持绿期SPC、衰老量SR、衰老比例SP、最大NDVI日衰量ΔNDVI

【技术特征摘要】
1.一种分析禾谷类作物冠层衰老进程的方法，包括如下步骤：
1)通过田间调查，记录作物群体的具体开花日期，精确到某一自然日；
2)获取作物冠层花后NDVI动态，即，从开花到植株枯萎的NDVI值，绘制花后NDVI值动态曲线；
3)对获取的花后NDVI值动态曲线进行数据平滑处理；
4)计算花后NDVI值日下降量动态(即ΔNDVI动态)，绘制花后ΔNDVI值曲线；
5)对获取的花后ΔNDVI值曲线进行拟合处理；
6)将拟合后的ΔNDVI值曲线分成三段：Ⅰ低值水平区间段，Ⅱ低值到峰值上升区间段，Ⅲ峰值后下降区间段；
7)按照对应花后时间将区间Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ分别配对到步骤3)中数据平滑处理后的NDVI值动态曲线上，计算如下指标：缓衰期RSP、速衰期SFP、持绿期SPC、衰老量SR、衰老比例SP、最大NDVI日衰量ΔNDVImax、平均NDVI日衰量mΔNDVI，缓衰期平均NDVI日衰量mΔNDVIRSP和速衰期平均NDVI日衰量mΔNDVISFP
其中，RSP为区间Ⅰ包括的天数；
SFP为区间Ⅱ包括的天数；
SPC为区间Ⅲ包括的天数；
SR为开花期NDVI值和Q点处的NDVI值的差值；
SP为SR和开花期NDVI值的比值；
ΔNDVImax为NDVI最大日衰量；
mΔNDVI为平均NDVI日衰量；
mΔNDVIRSP为缓衰期平均NDVI日衰量；
mΔNDVISFP为速衰期平均NDVI日衰量；
8)根据步骤7)获得的一系列指标分析和比较不同冠层群体的花后衰老状况。


2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤1)中，所述具体开花日期为参照Zadoks标准群体进入GS65的日期，即大田作物50％穗部开花或散粉为进入开花期的日期。


3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于：步骤2)中，NDVI值由红光波段的反射率和近红外光波段反射率计算得出，计算公式为：NDVI＝(NIR-Red)/...

【专利技术属性】
技术研发人员：王志敏，周晓楠，刘影，张英华，孙振才，李伟，高艳梅，秦伟龙，王剑，
申请(专利权)人：中国农业大学，
类型：发明
国别省市：北京;11