叶绿素和类胡萝卜素是植物光合作用和指示养分含量的主要色素,其含量变化,特别是类胡萝卜素含量变化及其与叶绿素含量比值常被用于植被生理状态研究。正常情况下,作物体内类胡萝卜素与叶绿素比值变化较小,当植株处于养分胁迫或者衰老状态时,类胡萝卜素含量及其与叶绿素含量比值会发生明显变化。因此,开展作物类胡萝卜素含量及其与叶绿素含量比值的机理性估算方法研究,对于作物氮素营养状况诊断研究具有重要科学意义和应用价值。然而,目前关于类胡萝卜素含量反演及其与叶绿素比值估算的机理性方法与模型还不成熟,存在诸多问题和难点,而基于类胡萝卜素与叶绿素比值开展作物氮素营养状况诊断方法还鲜有研究。本文针对类胡萝卜素与叶绿素比值指示作物氮素营养状况诊断方法研究中存在的问题,开展了类胡萝卜素含量反演及其与叶绿素比值估算机理性方法与模型研究,提出了基于类胡萝卜素与叶绿素比值的作物氮素营养状况诊断方法,发展和完善了叶绿素反演以及氮素含量估算方法等三个方面的研究工作,主要研究结论如下:(1)针对目前已有植被指数方法估算类胡萝卜素含量精度不高,鲁棒性差等问题,利用叶片和冠层辐射传输模型(PROSPECT-5和4SAIL)模拟数据,基于类胡萝卜素可见光波段吸收特征,提出了叶片类胡萝卜素含量反演植被指数carotenoid index(CARI)。与已有类胡萝卜素含量估算植被指数相比,CARI估算不同实测叶片数据类胡萝卜素含量精度高且鲁棒性强。利用冠层模拟和实测数据基于CARI指数反演叶片类胡萝卜素含量,叶面积指数较小时,CARI指数对类胡萝卜素含量变化不太敏感,土壤湿度条件会影响CARI估算叶片类胡萝卜素含量精度。(2)针对可见光波段类胡萝卜素与叶绿素吸收特征重叠,类胡萝卜素与叶绿素含量比值估算较为困难这一问题,利用叶片辐射传输模型PROSPECT-5模拟数据,提出了类胡萝卜素与叶绿素比值估算植被指数Carotenoid/chlorophyll ratio index(CCRI)。与目前已有类胡萝卜素与叶绿素比值估算植被指数相比,利用不同实测叶片和冠层光谱数据,ccri估算类胡萝卜素与叶绿素比值精度高且鲁棒性强。然而,相比叶片光谱数据,ccri利用冠层光谱数据估算类胡萝卜素与叶绿素比值精度稍有降低。(3)利用phi航空高光谱数据,基于类胡萝卜素与叶绿素比值估算方法研究基础,分析了水肥胁迫条件下冬小麦类胡萝卜素与叶绿素比值及植株氮浓度关系,构建了基于类胡萝卜素与叶绿素比值指数ccri的冬小麦植株氮浓度估算模型,模型精度优于叶绿素植被指数red-edgechlorophyllindex(cired-edge)估算模型。而且,ccri估算冬小麦植株氮浓度模型适用于模拟enmap卫星高光谱数据,并具有较高估算精度。(4)利用phi航空高光谱数据,采用植被指数方法估算了冬小麦冠层氮素含量。结果表明,冬小麦冠层氮素与叶绿素含量存在显著线性关系,该线性关系一定程度上受生育期影响。红边波段构建的植被指数表现出较高估算精度,窄波段与宽波段植被指数在反演冬小麦冠层氮素含量方面没有明显差异。以抽穗期为界,分别估算其之前和之后生育期冬小麦冠层氮素含量有助于提高抽穗期之前生育期冬小麦的冠层氮素含量估算精度。(5)利用新发欧盟哨兵2号(sentinel-2)卫星遥感数据,分析了冬小麦生育期内多时相叶片叶绿素含量估算方法。结果表明,不同植被指数方法估算结果差异较大,红边波段构建的植被指数估算叶片叶绿素含量精度较高。高斯过程回归估算冬小麦叶片叶绿素含量模型精度最高。高斯过程回归估算多时相冬小麦叶片叶绿素含量精度较高,能间接反映冬小麦氮素营养状况,可为作物氮素营养状况监测提供基础资料。论文主要创新性贡献包括:(1)针对高精度估算叶片类胡萝卜素含量的难题,基于类胡萝卜素可见光波段吸收特征,结合大量模拟数据,提出了用于反演叶片类胡萝卜素含量植被指数cari,其估算不同实测数据叶片类萝卜素含量精度高,鲁棒性强,适用于叶片类胡萝卜素含量估算研究。(2)针对高精度估算类胡萝卜素与叶绿素比值的难题,基于类胡萝卜素与叶绿素比值特性,提出了用于反演类胡萝卜素与叶绿素比值植被指数ccri,其估算不同实测叶片与冠层数据类胡萝卜素与叶绿素比值精度高,鲁棒性强,适用于叶片和冠层尺度高光谱数据估算类胡萝卜素与叶绿素含量比值。(3)基于类胡萝卜素与叶绿素比值估算方法研究,构建了基于PHI航空高光谱数据的类胡萝卜素与叶绿素比值植被指数CCRI估算冬小麦植株氮浓度模型,且该方法适用于模拟EnMAP卫星高光谱数据开展作物氮素营养状况诊断研究。