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作物的光谱特性由作物的生理特征决定，它对光的吸收、透射、反射的变化相应反映了作物的长势。因此，可以根据光谱的差异监测作物生长状况。传统的遥感光谱波段少，分辨率低，仅能获取有限的作物光谱信息。近年来高光谱遥感成像技术一方面可探测到农作物的精细光谱特征，另一方面又拓展了农作物的光谱信息区域，从而为通过地面和空中的高光谱遥感信息直接评价作物营养状况提供了可能。研究高光谱信息对不同作物生长状况的响应，利用地物光谱研究作物环境胁迫作用，并建立作物不同生长发育期环境胁迫对作物生长、发育及产量形成影响的定量关系，特别是作物水、肥等胁迫作用对光谱特性的变异，将推动高光谱遥感监测与诊断作物营养状况的能力，有助于确定作物管理中水肥投入的最佳量、质和时机。本研究的意义在于拓展和加深高光谱遥感定量应用，促进水肥资源合理利用，减少环境污染，促进我国精细农业发展。
在农业生产中水肥是影响作物生长的最主要的限制因素，同时考虑到我国北方节水农业的需要，本论文重点研究了作物主要营养参数(氮、磷、钾)及其水分状况的光谱特征，并通过建立其含量与光谱数据定量相关关系模型，分析评价利用航天(空)高光谱遥感技术进行作物主要营养参数(含水量，氮、磷、钾含量)定量化探测的可行性，为高光谱遥感影像处理方法、信息提取时选择最佳波段和研制有效的定量分析模式提供依据。
本论文在新疆棉花和北京小麦栽培与控制实验基础上，利用高光谱分辨率ASD地物光谱仪(FieldSpec-FR)获取主要生长时期的棉花、小麦冠层与叶片光谱反射率数据。研究分析棉花氮、磷、钾营养状况光谱特征和小麦水分光谱特征，并结合光谱数据波形分析、微分分析、光谱特征提取等技术进行棉花、小麦光谱参数与氮、磷、钾及水分含量相关性研究。侧重通过建立棉花、小麦光谱反射率、光谱吸收峰特征参数(吸收峰波长位置、深度、面积、宽度、对称性)、微分光谱红边位置等参数与各营养元素百分含量之间的相关方程，进而分析和探讨利用高光谱遥感定量诊断作物营养状况和水分的能力和潜力。主要研究结果如下：
(1)棉花冠层光谱在548nm附近、700-1350nm和1845nm附近的反射率与棉花N百分含量呈现较好的负线性相关关系，相关系数可达到-0.6至-0.8；棉花冠层光谱在725-1000nm、2364nm附近光谱反射率与P百分含量也呈现较好的负线性相关关系，相关系数约为-0.6。棉花冠层光谱与K百分含量在0.4-2.5微米整个光谱范围几乎不相关。棉花冠层光谱在680nm附近吸收峰的深度、面积与棉花N百分含量呈现较好的负相关关系，相关系数分别约为-0.71和-0.62，与棉花P百分含量也呈现较好的负相关关系，相关系数分别约为-0.59和-0.56，而该吸收峰的波长和对称性与棉花K百分含量呈现较好的负相关关系，相关系数分别为-0.58和-0.63。
(2)棉花冠层微分光谱在480-750nm范围与棉花N、P、K百分含量表现为较好的相关性，与N和P百分含量的相关性趋于一致，而两者却与K百分含量相关性相反。在490-550nm、680-730nm范围内与N百分含量负相关系数为-0.6至-0.8，而在560-627nm范围与N百分含量正相关系数为0.6至0.8；在711nm附近与P百分含量负相关系数可达到-0.6；在630nm附近与P百分含量附近负相关系数可达到-0.5，而在672nm附近正相关系数可达到0.6。棉花冠层微分光谱在650-800nm范围内红边位置处的峰值、面积呈现负相关关系，与相应N百分含量负相关系数分别为-0.74和-0.77，与相应P百分含量负相关系数分别为-0.58和-0.61，而且该红边位置处的波长与相应K百分含量也呈现负相关关系，负相关系数为-0.55。
(3)在400-2500nm光谱范围内棉花干叶片光谱反射率与N、P、K百分含量的相关性比较弱，仅在大于1400nm短波红外区与N、P百分含量呈现为较弱的正线性相关性，但相关系数不超过0.55。棉花干叶片光谱在680nm附近吸收峰的宽度与N百分含量呈现较好的正相关关系，相关系数为0.61；该吸收峰的深度、面积与P百分含量呈现一定的负相关关系，相关系数分别为-0.56、-0.52；而该吸收峰对称性与K含量呈现较弱负相关关系，相关系数仅为-0.42。棉花干叶片在2000-2500nm光谱范围内的2070nm、2160nm、2300nm、2480nm处存在4个特征吸收峰。棉花N百分含量与2070nm吸收峰波长呈现较好的正相关关系，相关系数为0.68，与2070nm处吸收峰宽度也呈现一定的正相关关系，相关系数为0.55；棉花K百分含量与2480nm吸收峰波长呈现较好的负相关关系，相关系数为-0.66。棉花K百分含量与2160nm、2300nm吸收峰以及1730nm处吸收峰各特征参数相关性很弱，甚至不相关。
(4)棉花干叶片微分光谱与棉花N、P、K百分含量在多个波长位置处都有很好相关性，总体上与K百分含量相关性较好。在小于970nm的可见/近红外光谱范围棉花干叶片微分光谱与N、P、K百分含量相关系数都小于0.6。棉花干叶片微分光谱与K百分含量在1534nm、1846nm处表现最强正相关，其相关系数分别为0.72、0.73，与P百分含量在1846nm处表现最强正相关，其相关系数也可达到0.73，而与N百分含量在1990nm处表现最强负相关，其相关系数可达到-0.64，这些较强相关性对应的波长位置都处在大于1500nm的短波红外范围内。
(5)棉花N、P、K百分含量与冠层光谱680nm处吸收峰参数、微分光谱及其红边位置峰参数所表现出来的较强相关性为空中高光谱遥感大面积定量探测作物N、P、K含量提供了新的方法和途径。棉花干叶片N、P、K含量与680nm、2070nm、2480nm处光谱吸收峰参数和微分光谱所表现出来的较强相关性为测定作物N、P、K含量提供了地面或实验室光谱测定的新技术途径。
(6)小麦叶片含水量与1450nm处、1650-1850nm范围的光谱吸收特征峰的深度和面积具有良好的正线性相关性，复相关系数都大于0.8。随着小麦叶片水分百分含量的减少，在1650-1850nm波谱范围内的吸收峰波长位置由长波向短波方向移动，可诊断性的光谱吸收峰约为10nm，由此可望实现空中高光谱遥感技术手段获取特定生长期的干旱、半干旱区作物水分亏缺状况。结合1450nm吸收峰深度、面积与作物水分含量的相关关系，通过地物光谱仪技术改进，可望通过直接测量作物叶片水分含量，实现作物水分的活体定量测定。