【摘要】：隨著中國工業(yè)化的快速發(fā)展,土壤中的鎘(Cd)污染問題受到人們的日益關(guān)注。Cd離子會破壞土壤的機能,抑制作物的生長發(fā)育,即使土壤中的Cd離子濃度很低,也會通過食物鏈對人類健康構(gòu)成嚴重威脅。物候是表征環(huán)境變化的敏感指標,土壤受重金屬污染會引起地上作物的物候特征變化。通過遙感手段可以獲取作物的物候指標,遙感物候信息為監(jiān)測土壤Cd污染提供了新思路。本研究基于遙感物候特征,集成兩種物候指標構(gòu)建一個評價水稻Cd脅迫水平的脅迫指數(shù)(Stress Index,SI),可以實現(xiàn)快速準確的評價水稻Cd脅迫程度。本研究選擇位于中國湖南省株洲市的4塊水稻實驗區(qū),對4塊水稻實驗區(qū)進行土壤樣本采集并分析其重金屬含量,劃分為輕、重兩個污染水平,每個污染水平各兩塊水稻實驗區(qū)。獲取并處理2017年7月-10月無云質(zhì)量好的8幅Sentinel-2影像。首先,對Sentinel-2數(shù)據(jù)進行計算得到紅邊葉綠素指數(shù)(CIre),使用Double-Logistic函數(shù)擬合方法得到CIre時間序列曲線,使用一階導(dǎo)數(shù)分析方法提取水稻的分蘗期(T),抽穗期(H)和成熟期(M)。然后獲取與水稻Cd脅迫相關(guān)的物候指標,用Fisher判別分析方法對物候指標進行分析,選取判別精度最高的物候指標構(gòu)建脅迫指數(shù)SI。最后,對湘江流域大面積的水稻田進行SI計算,并得到Cd脅迫水平空間分布情況。主要結(jié)論如下:(1)通過對Sentinel-2影像的CIre和NDVI分別進行輕、重Cd脅迫水平之間的差異值分析發(fā)現(xiàn),兩種Cd脅迫水平之間的CIre差異值大于NDVI,證明CIre相對于NDVI對水稻健康狀態(tài)更敏感,具有更好的判別水稻Cd脅迫的性能。(2)輕度Cd脅迫水平下的物候指標,包括分蘗期至成熟期階段的時間間隔(DOY_(T-M))、逐日的CIre值以及相對應(yīng)的一階導(dǎo)數(shù)值(FD)、分蘗期的CIre值(CIre_T)、CIre最大值(CIre_(MAX))、成熟期的CIre值(CIre_M)、偏移度(Skew)、CIre_(MAX)/DOY_(T-M)、以及分別表征光合速率和生物量的CIre的變化率(CRCIre)和CIre時間序列曲線積分面積(TICIre)的值,整體上都高于重度Cd脅迫水平下的物候指標值。(3)對輕、重Cd脅迫水平下的TICIre_(T-H)和TICIre_(H-M)、CIre_(MAX)和DOY_(T-M)以及三個生長階段的CRCIre和TICIre分別使用Fisher判別分析方法。結(jié)果發(fā)現(xiàn),基于分蘗期-抽穗期階段(T-H階段)的CRCIre和TICIre構(gòu)建的脅迫指數(shù)SI能有效評價水稻Cd脅迫水平。當SI≥0時,水稻處于輕度Cd脅迫狀態(tài)。當SI0時,水稻處于重度Cd脅迫狀態(tài)�？傮w判別精度為86.02%。其中,對重度脅迫的判別精度為97.30%。(4)通過對研究區(qū)水稻像元進行SI計算,發(fā)現(xiàn)輕度Cd脅迫的水稻像元,占水稻像元總數(shù)的65.70%。重度Cd脅迫的水稻像元,占水稻像元總數(shù)的34.30%。研究區(qū)內(nèi)的水稻Cd脅迫情況是十分嚴重的,其中重度Cd脅迫主要分布在湘江流域及居民區(qū)附近,隨著與湘江流域距離變大,遠離居民區(qū),水稻的Cd脅迫水平由重度脅迫逐漸變?yōu)檩p度脅迫。
【圖文】：

13圖 2.1 研究區(qū)示意圖表 2.1 4 個實驗區(qū)的重金屬平均含量實驗區(qū)重金屬含量 （mg/kg）污染水平Cd Pb As Hg樣地 A（27°47′N，113°10′E）0.84 78.33 10.23 0.35輕污染樣地 B（27°59′N，113°06′E）1.38 59.45 16.75 0.35樣地 C（27°40′N，113°10′E）2.31 91.05 17.34 0.24重污染樣地 D（27°58′N，113°02′E）3.57 130 14.70 0.51標準值 0.3-1.0 250-350 20-30 0.3-1.0注: 標準值是我國土壤環(huán)境質(zhì)量二級標準

14圖 2.2 土壤樣本采樣示意圖2.2.2 遙感影像獲取與處理Sentinel-2 是歐洲航天局（ESA）發(fā)射的高分辨率多光譜成像衛(wèi)星，分為 2A和 2B 兩顆衛(wèi)星。Sentinel-2A 于 2015 年 6 月 23 日發(fā)射，Sentinel-2B 于 2017 年3 月 07 日發(fā)射，幅寬達 290 千米，一顆衛(wèi)星的重訪周期為 10 天，兩顆互補，重訪周期為 5 天。兩顆衛(wèi)星都攜帶一枚具有 13 個光譜波段的高分辨率的多光譜成像儀（MSI），覆蓋可見光、近紅外、短波紅外波譜范圍，各波段的空間分辨率不同，其中可見光和近紅外波段空間分辨率高達 10 ｍ。衛(wèi)星的基本參數(shù)（表 2.2）和各波段信息（表 2.3）如下所示。在光學(xué)數(shù)據(jù)中，，Sentinel-2 數(shù)據(jù)是唯一的一個在紅邊范圍含有三個波段的數(shù)據(jù)
【學(xué)位授予單位】：東北師范大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：X503.231

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本文編號：2622582