地球信息科学基础丛书：胁迫条件下的植物高光谱遥感实验研究 以条锈病、水浸与CO2泄漏胁迫为例 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2025

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蒋金豹，陈云浩，李京，张丽，何汝艳 等 著

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• 高光谱遥感
• 植物胁迫
• 条锈病
• 水浸胁迫
• CO2泄漏
• 地球信息科学
• 植物生理生态学
• 遥感应用
• 农业遥感
• 植物病害诊断

出版社： 科学出版社

ISBN：9787030483195

版次：1

商品编码：11977968

包装：平装

丛书名： 地球信息科学基础丛书

开本：16开

出版时间：2016-05-01

用纸：胶版纸

页数：170

字数：261000

正文语种：中文

内容简介

　　《地球信息科学基础丛书：胁迫条件下的植物高光谱遥感实验研究 以条锈病、水浸与CO2泄漏胁迫为例》是作者多年来从事植被胁迫光谱特征变化研究的成果。《地球信息科学基础丛书：胁迫条件下的植物高光谱遥感实验研究 以条锈病、水浸与CO2泄漏胁迫为例》主要介绍了小麦在条锈病及多种植被在C02泄漏、水浸胁迫下的光谱特征变化及识别模型。《地球信息科学基础丛书：胁迫条件下的植物高光谱遥感实验研究 以条锈病、水浸与CO2泄漏胁迫为例》共7章：第1章介绍研究背景及国内外研究现状；第2章介绍条锈病胁迫下小麦光谱变化特征与病情严重度反演；第3章介绍条锈病胁迫下小麦生理生化参数反演；第4章介绍水浸胁迫下多种植物单叶光谱变化分析与识别；第5章介绍C02泄漏胁迫下多种植物单叶光谱变化分析与识别；第6章介绍C02泄漏胁迫下植被冠层光谱特征分析与识别；第7章介绍模拟地下储存C02泄漏对地表生态环境影响的控制实验方法。
　　《地球信息科学基础丛书：胁迫条件下的植物高光谱遥感实验研究 以条锈病、水浸与CO2泄漏胁迫为例》可供从事高光谱遥感、农业信息技术、环境遥感、碳捕捉与储存方面的研究人员参考，也可作为上述研究领域的教学参考书。

内页插图

目录

前言

第1章 绪论
1．1 研究背景
1．2 高光谱遥感的概念
1．3 国内外研究现状

第2章 条锈病胁迫下小麦光谱变化特征与病情严重度反演
2．1 小麦条锈病胁迫实验设计
2．2 数据处理方法
2．3 利用高光谱指数识别小麦条锈病
2．4 利用高光谱指数与回归分析方法反演小麦条锈病严重度
2．5 利用主成分分析方法定量反演小麦条锈病严重度
2．6 利用REP与YEP反演小麦条锈病严重度
2．7 大豆在不同病害胁迫下其光谱特征及识别研究

第3章 条锈病胁迫下小麦生理生化参数反演
3．1 条锈病胁迫下小麦生理生化参数测量
3．2 条锈病胁迫下小麦叶绿素浓度高光谱遥感估测
3．3 条锈病胁迫下小麦叶片氮素含量高光谱遥感估测
3．4 条锈病胁迫下冬小麦冠层叶片全氮含量小波法估测
3．5 条锈病胁迫下小麦冠层叶绿素密度高光谱遥感估测
3．6 条锈病胁迫下冬小麦叶绿素密度投影寻踪降维方法估测
3．7 条锈病胁迫下小麦相对含水量高光谱遥感估测
3．8 利用红外归一化指数反演条锈病胁迫下的小麦叶面积指数

第4章 水浸胁迫下多种植物单叶光谱变化分析与识别
4．1 水浸胁迫实验设计与数据采集
4．2 数据处理以及分析方法
4．3 选择识别水浸胁迫下植物的单叶光谱与微分指数
4．4 不同植被在水浸胁迫下光谱变化及识别结果

第5章 CO2泄漏胁迫下多种植物单叶光谱变化分析与识别
5．1 CO2泄漏实验设计与数据采集
5．2 数据处理及分析方法
5．3 实验区内CO2空间分布情况
5．4 数据选择与奇异值处理方法
5．5 选择识别CO2胁迫下植物的单叶光谱与微分指数
5．6 不同植被在CO2胁迫下光谱变化及识别结果
5．7 大豆在CO2泄漏胁迫下的症状与单叶光谱特征

第6章 CO2泄漏胁迫下植被冠层光谱特征分析与识别
6．1 实验设计与数据采集
6．2 冠层光谱数据预处理方法
6．3 利用冠层光谱指数识别CO2泄漏胁迫下的草地与大豆
6．4 连续小波变换分析方法识别CO2泄漏胁迫下的草地
6．5 波段深度与吸收宽度识别CO2泄漏胁迫下草地与大豆
6．6 利用单叶与冠层微分光谱识别CO2泄漏胁迫大豆

第7章 模拟地下储存CO2泄漏对地表生态环境影响的控制实验方法
7．1 实验方案设计原理
7．2 实验方案设计
7．3 利用空间差分技术绘制土壤中CO2浓度分布图
参考文献
彩图

前言/序言

　　随着全球气候变暖，局地气候要素的异常变化会引发农作物病害，造成农作物减产，给我国粮食安全带来风险。而全球气候变暖，IPCC（Intergovernmental Panelon Climate Change）认为主要是温室气体（C02）过量排放造成的，希望把工业排放的C02进行液化后进行地下封存以减缓全球气候变暖速度。但储存在地下的C02存在发生泄漏的风险。
　　小麦条锈病是我国最为严重作物病害之一，一般发生区可损失产量10%-20%，严重流行区可达30%以上。常规的作物病害监测主要是植保人员通过田间调查，再运用经验辅助来判断，这种传统的方法耗时、费力，预报的精确度和时效性差，进而加大产量损失。随着现代农业发展，也迫切需要一种能够实时、科学、无损、快捷、大范围监测和诊断作物病害的技术手段。
　　IPCC于2005年撰写了《关于二氧化碳捕获和封存的特别报告》，随后法国、德国以及我国都先后试点碳捕捉与储存项目，但储存在地层深处的CO2气体发生轻微泄漏，究竟会对地表植被生态造成什么样的影响与风险，以及如何在储存区探测到微泄漏点，都是一个值得研究的问题。
　　考虑到地表植被在外界因素胁迫作用下其生长发育状态、生理生化参数都会受到影响，进而导致植被的光谱特征发生变化。随着近年高光谱遥感技术的快速发展，在农业、生态环境监测等领域得到广泛应用。
　　本书侧重于研究小麦在条锈病、多种植被在C02轻微泄漏及水浸胁迫下的光谱变化特征，为将来利用高光谱遥感技术识别胁迫作用下的植被提供了理论依据与技术方法。书中主要反映了近几年项目组科研成果，主要包括：国家科技支撑项目“旱区多遥感平台农田信息精准获取技术集成与服务”（2012BAHB04），国家自然科学基金“地下封存C02泄漏对地表植被影响的光谱响应实验研究”（41101397），“地下储存天然气微泄漏地表植被胁迫与适应特征的高光谱探测实验研究”（41571412），教育部博士点基金项目“地下储存的C02气体泄漏对地表植物的影响及其光谱响应规律模拟研究”（20100023120007），中央高校基本科研业务费专项资金项目“利用高光谱遥感监测废弃煤炭矿井封存温室气体泄漏点的关键技术研究”（2009QD13），国防科工委军转民用项目“作物病害高光谱遥感监测研究”（J220050001-06）。本书是著者研究团队与多家科研、教学单位通力合作取得的成果，同时也反映了培养的硕士、博士的部分研究成果。

地球信息科学基础丛书：胁迫条件下的植物高光谱遥感实验研究 以条锈病、水浸与CO2泄漏胁迫为例 图书简介 本书深入探讨了在多种胁迫条件下，植物对高光谱遥感信号的响应机理，旨在为理解和监测陆地生态系统健康提供先进的技术手段和理论基础。我们聚焦于三种典型且具有广泛代表性的胁迫类型：植物病害（以小麦条锈病为代表）、环境胁迫（水浸）以及人为因素导致的非生物胁迫（CO2泄漏）。通过严谨的室内外实验设计、精细的高光谱数据采集与处理，以及多层次的遥感信息反演模型构建，本书系统性地揭示了植物在不同胁迫下的生理生化变化如何映射到其高光谱反射特征的变化，并进一步探索了如何利用这些变化进行早期、准确的胁迫识别、定量评估及空间分布预测。 核心研究内容与科学价值 一、 植物病害胁迫（以小麦条锈病为例）的高光谱遥感响应 小麦条锈病是一种危害性极大的真菌性病害，其发生和发展会显著影响小麦的生长发育和产量。病害初期，往往在肉眼可见的症状出现之前，植物内部已经发生了复杂的生理生化改变，包括光合作用效率的下降、叶绿素含量的变化、细胞结构的破坏以及次级代谢产物的合成等。这些内部变化会直接影响叶片的光学特性，特别是其在高光谱范围内（从可见光到近红外，乃至短波红外）的反射率曲线。 本书的这一部分，将详细阐述： 生理生化变化与高光谱特征的关联： 我们将通过对比健康小麦与感染条锈病小麦的生理生化指标（如叶绿素a、叶绿素b、类胡萝卜素含量，以及气孔导度、蒸腾速率等）与同期采集的高光谱数据，建立两者之间的量化联系。例如，病害导致叶绿素降解，会在可见光区域（尤其是绿光和红光）引起反射率的变化；细胞结构的破坏和含水量下降则会影响近红外反射率。 条锈病早期识别的高光谱指数开发与验证： 针对病害早期，叶绿素含量可能尚未发生明显下降，但其他生理指标已有所改变，我们重点开发和评估能够捕捉这些早期信号的光谱指数。这可能包括利用特定波段的组合，或者计算更复杂的窄波段光谱特征，以期在肉眼可见病斑出现前实现病害的遥感预警。 病害严重程度反演模型构建： 结合病害的发生面积和感染程度，利用高光谱数据反演不同程度的条锈病感染。这需要建立从光谱反射率到病害指数（例如，条锈病叶片面积指数、病情指数等）的回归模型。我们尝试了多种模型，包括线性回归、多元回归、支持向量机（SVM）、随机森林（RF）等，并对其精度进行评估。 空间尺度上的病害监测应用： 将实验室和试验田的研究结果，通过无人机或卫星平台采集的高光谱数据，进行大范围条锈病监测的应用探索，分析不同传感器、不同分辨率下的监测效能。 二、 水浸胁迫下的植物高光谱遥感响应 长期或短期水浸是影响陆地植被生存和分布的重要环境因素。水浸会导致土壤缺氧，影响植物根系呼吸，进而导致一系列生理生化反应，包括能量代谢紊乱、光合色素分解、细胞膜透性改变、渗透调节物质积累等。这些变化同样会在植物叶片的高光谱反射率曲线上留下印记。 本研究的这一部分，将聚焦于： 水浸引起的生理变化及其光谱响应： 详细分析不同水浸时长和程度对植物（例如，水稻、玉米等敏感作物）生理状态（如根系活力、叶片含水量、叶绿素含量、气孔关闭程度）的影响，并将其与高光谱反射率在不同波段的变化关联起来。例如，缺氧导致的叶片黄化会显著改变可见光区域的光谱特征；细胞膨压下降和含水量降低会影响近红外反射率。 水浸胁迫识别的高光谱特征提取： 探索能够区分水浸和正常生长条件下植物的光谱特征。这可能包括分析植被指数（如NDVI、EVI等）在水浸条件下的变化趋势，以及一些特定窄波段的敏感性。 水浸胁迫程度定量评估模型： 基于高光谱数据，构建模型以定量评估水浸胁迫的严重程度。这需要理解不同程度水浸对植物生理指标造成的差异，并将其与光谱反射率进行关联。例如，研究如何利用高光谱数据估算淹水后的植物生理胁迫指数。 淹水区域和淹水后恢复监测： 利用高光谱遥感技术，对水浸发生区域进行识别和绘制，并进一步监测水浸后植物的恢复状况。这对于灾害评估和农业管理具有重要意义。 三、 CO2泄漏胁迫下的植物高光谱遥感响应 CO2泄漏，尤其是在地下储层或管道泄漏的情况下，可能导致植物根区土壤CO2浓度升高，对植物产生毒性效应，影响其正常的生理代谢。这种非生物胁迫虽然不像病害那样直观，但其潜在的影响同样不容忽视。 本书的这一部分，将深入研究： CO2泄漏对植物生理生化的影响机制： 探讨高浓度CO2对植物根系呼吸、养分吸收、叶片光合作用、气孔行为及细胞结构可能产生的直接或间接影响。例如，高浓度CO2可能抑制根系呼吸，影响水分和养分的吸收，导致叶片营养元素的失衡，从而引发光谱变化。 CO2泄漏引起的特异性高光谱信号： 寻找能够指示CO2泄漏胁迫的独特高光谱特征。这可能需要区分CO2泄漏与土壤水分、养分缺乏等其他可能引起类似生理反应的因素。我们尝试利用高光谱数据分析植物对不同CO2浓度环境的响应，识别可能存在的“光谱指纹”。 CO2泄漏监测与定位的高光谱方法： 探索利用高光谱遥感技术，对可能发生CO2泄漏的区域进行监测，并尝试定位泄漏源。这可能涉及到对大范围植被覆盖区域进行异常信号的识别和分析。 CO2泄漏对生态系统潜在影响的评估： 通过高光谱遥感手段，初步评估CO2泄漏对植物群落结构、物种组成和生态系统功能可能带来的长期影响。 方法学创新与应用前景 本书不仅在胁迫类型选择上具有代表性，更在研究方法上力求创新： 精细的室内控制实验： 通过精确控制光照、温度、湿度、CO2浓度和胁迫程度，开展大量可重复的室内高光谱数据采集，为揭示机理提供可靠数据。 多平台、多时相数据融合： 结合地面便携式高光谱仪、无人机载高光谱成像仪以及模拟的卫星高光谱数据，研究不同尺度和分辨率下的遥感监测效能。 先进的遥感信息处理与模型构建： 采用最新的高光谱数据预处理技术（如大气校正、几何校正、噪声去除），以及多种先进的机器学习和深度学习算法，用于特征提取、分类和定量反演。 理论与实践的紧密结合： 在深入理解植物生理生化变化与光谱响应机理的基础上，开发具有实际应用价值的遥感监测模型和技术，为农业、林业、环境保护等领域的决策提供科学依据。 本书的读者群体 本书适合于遥感科学、植物生理学、生态学、农业科学、环境科学等领域的科研人员、研究生、高等院校教师以及相关行业的从业人员。对于希望了解如何利用高光谱遥感技术监测陆地生态系统健康、识别和评估环境胁迫的读者，本书提供了全面而深入的指导。 总结 《地球信息科学基础丛书：胁迫条件下的植物高光谱遥感实验研究 以条锈病、水浸与CO2泄漏胁迫为例》是一部集理论研究、实验探索与应用实践于一体的专著。它不仅为理解植物在高光谱尺度下的复杂响应行为提供了新的视角，更为利用先进的遥感技术应对日益严峻的生态环境挑战，保障粮食安全和生态系统可持续发展，提供了强有力的科学支撑和技术工具。本书的研究成果将有助于推动高光谱遥感技术在陆地生态系统监测和管理中的进一步发展和应用。

评分☆☆☆☆☆

坦白讲，我最初是冲着“地球信息科学基础丛书”这个系列的名头来的，期待能看到系统化的知识梳理，而这本书完全没有辜负我的期望。它在理论体系的构建上显得异常扎实，绝非零散知识点的堆砌。作者似乎非常注重从宏观的生态学背景出发，逐步聚焦到微观的叶片光谱特性，再回溯到如何利用遥感手段进行大尺度监测。这种层层递进的叙事结构，使得读者在学习具体实验技术的同时，也能对高光谱遥感在环境监测领域中的战略地位有一个更清晰的认识。阅读过程中，我不断地在思考，如何在我的研究方向中借鉴其在光谱特征解耦方面的处理技巧。书中对不同分辨率数据处理的讨论也十分到位，对于我们这些需要处理多源异构数据的研究人员来说，简直是雪中送炭，极具参考价值。

评分☆☆☆☆☆

这本书的价值绝不仅仅停留在“实验研究”的层面，它更像是一个构建跨学科研究框架的蓝图。我注意到作者在方法论部分对实验设计、数据预处理和模型构建的探讨达到了极高的水准。那种对误差来源的敏感性和对数据质量的极致追求，体现了一位成熟科学家的严谨态度。尤其是关于高光谱数据在复杂背景干扰下如何提取有效信息的方法，提供了许多新颖的思路。比如，书中对某些特定波段进行加权组合以增强对某一特定胁迫因子的敏感性，这种经验性的总结和理论验证的结合，是教科书上很难直接找到的宝贵财富。对于从事遥感应用研究的同行来说，这本书无疑提供了一个极佳的基准线，让我们重新审视自己现有的分析流程，并从中汲取提升精度和鲁棒性的灵感。我感觉自己被邀请进入了一个高标准、高要求的科研现场，受益匪浅。

评分☆☆☆☆☆

这本书的装帧设计真不错，封面色彩搭配和谐，排版也显得很专业。我本来还担心“胁迫条件下的植物高光谱遥感实验研究”这个主题会显得过于晦涩，但拿到书后发现，即便是对高光谱技术有一些基础了解的读者，也能很快进入状态。特别是对一些复杂概念的阐述，作者似乎花了不少心思去设计图文结合的展示方式，让理论的推导过程看起来清晰多了。那些详细的实验步骤描述，简直就像是手把手在教你如何操作一套精密仪器，让人忍不住想立刻去实验室验证一下。我特别欣赏它在理论深度和实践指导性之间找到的那个平衡点，既有扎实的物理基础，又不失操作层面的可操作性，这在同类专业书籍中是很难得的。书中的很多图表都处理得非常精美，数据的可视化做得很有说服力，让人对研究结果的可靠性更有信心。光是翻阅目录，就能感受到作者在构建知识体系上的严谨与用心，从基础的光谱理论到具体的胁迫指标构建，逻辑链条非常完整。

评分☆☆☆☆☆

读完这本关于植物高光谱遥感与胁迫响应的著作，我的内心是相当震撼的。作者对于不同胁迫因子——尤其是条锈病、水淹和二氧化碳泄漏这三种截然不同的环境压力——如何影响植物的生物物理特性和光谱信号的捕捉与解译，进行了极为深入和细致的剖析。这不仅仅是一本技术手册，更像是一份对植物生命韧性边界的科学探索报告。书中对每一个胁迫情景下的光谱特征变化进行了详尽的案例分析，那些具体的波段响应曲线和指数变化，揭示了生命体在压力下自我调控的精妙机制。我特别关注了它如何利用高光谱数据来区分不同胁迫的早期信号，这对于精准农业和环境灾害预警具有极高的现实意义。作者的叙述风格冷静而富有洞察力，字里行间流露出对植物生理学和遥感科学的双重精通，使得那些原本复杂的生物化学变化，通过光谱语言得以优雅地表达出来。

评分☆☆☆☆☆

这本书的语言风格，读起来有一种沉稳而坚定的力量感。它不是那种浮夸的、过度宣传研究成果的读物，而是脚踏实地，一步一个脚印地展示科研工作的艰辛与乐趣。我尤其欣赏作者在描述实验结果时所展现出的那种客观克制，即便数据表现出令人兴奋的趋势，作者也总是会先探讨潜在的局限性和未来改进的方向，这种科学的谦逊态度令人敬佩。通过这些详尽的实验记录，我仿佛亲历了研究人员如何在实验室的微观世界里，通过光谱的细微变化，窥探到植物面对生存挑战时所发生的一切。这种深度挖掘背后机理的努力，远比单纯的指数计算来得更有意义。这本书为我们提供了一个极佳的模板：如何将一个看似受限的实验条件（例如特定的气体泄漏环境），转化为具有普遍指导意义的科学结论。