氮素是植被叶绿素、蛋白质、遗传材料等有机分子必不可少的基本元素之一,与农作物产量以及产品质量密切相关,通过增加施用氮肥能有效提高农作物产量。然而,过量施用氮肥不仅会造成资源的严重浪费,而且还会造成严重的环境污染。因此,对农作物的营养胁迫进行有效监测就显的尤为重要。遥感技术凭借快速、大尺度以及高精度等特点,被广泛应用于农业生产、农作物营养胁迫遥感监测等方面。随着技术的不断发展,人们对植被特别是农作物的监测提出了越来越高的要求,随之对遥感技术发展也提出了更高的条件。为了实现对植被特别是农作物生长状态以及生理特性变化的监测,需要及时获取农作物冠层空间信息以及光谱信息。目前,被动遥感影像能够获取农作物光谱信息,为其生长状态从定性角度提供指导。激光雷达作为一种主动遥感探测,可以获取农作物精细的三维空间信息即冠层信息。相对于反射谱,激光诱导荧光技术作为一种新的遥感技术被广泛应用于农作物生长状态以及营养胁迫早期监测,展现了极大的应用潜能。目前,激光诱导荧光技术在农作物胁迫探测中主要采用荧光动力学曲线相关的荧光参数,然而这些荧光参数需要对样本进行暗处理,限制了其在遥感方面的应用。相比于荧光动力学曲线,直接采用激光去激发获取植被荧光特性,能够从遥感角度实现大尺度探测应用。由于荧光信号是基于植被内部释放过程,具有更高的灵敏度和监测精度。本论文即结合激光诱导荧光技术和激光雷达探测的优势,开展荧光激光雷达的系统研制,并将其应用于农作物水稻的营养胁迫特别是氮素胁迫的定量遥感监测。本论文拟主要开展以下相关理论方法与技术研究:1)从激光诱导荧光产生的物理机制出发,通过FluorMODleaf模型对植被荧光特征与其营养胁迫相关性进行理论分析研究,从理论分析论证采用激光诱导荧光特性参数对植被营养胁迫监测的可行性,为荧光在农作物营养胁迫方面的监测应用提供理论基础。此外,为了后续分析荧光特性参数对营养胁迫中氮含量的定量监测应用研究,针对荧光光谱特性介绍相关处理算法用于荧光光谱信息处理和氮含量定量反演。2)研究不同施氮水平对荧光特性的影响,分析施氮水平与荧光参数之间的相关性,确定荧光参数对氮营养胁迫监测的可行性;开展荧光与反射谱对比观测实验研究,验证激光诱导荧光技术优于反射谱对农作物营养胁迫的早期预测能力,为激光诱导荧光技术的深入应用提供实验支撑;探讨不同激发波长下获得的荧光参数与叶片氮含量的相关性,为荧光激光雷达在农作物营养胁迫监遥感测应用中激发波长选择提供参考。3)对荧光激光雷达系统中各个关键技术单元开展研究,主要包括发射单元,接收系统相关技术,微弱信号检测技术,荧光信息与空间信息同步获取等方面的设计研究,为系统的原理样机研制奠定技术基础。针对搭建的能够同时获取探测目标荧光信号和空间信息的荧光激光雷达系统,分析探测角度、距离等系统参数对荧光强度的影响,并提出探测角度、距离校正模型用于校正系统参数对探测数据的影响。随后,采用搭建的探测系统开展植被场景探测扫描实验,分析系统在同时获取探测目标荧光信号与空间信息等方面的探测性能,为荧光激光雷达系统进一步发展提供实验支撑。4)基于研制的荧光激光雷达系统,连续多年开展水稻氮素营养胁迫定性和定量反演监测实验研究,分析荧光参数对施氮水平以及叶片氮含量定量监测的性能,展示了荧光激光雷达在农作物氮素营养胁迫定量遥感监测方面的应用潜能;此外,分析荧光参数和反演算法对水稻氮素营养胁迫定量监测的影响,建立荧光参数定量反演氮含量的统计模型,为荧光激光雷达在农作物氮素营养胁迫方面的监测应用提供参考,也为系统进一步改进提供实验支撑。