棉花杂质在轧棉过程中对棉纤维造成损伤, 导致成品纺织品出现瑕疵。 因此, 杂质的检测和分类在棉花生产过程及质量检验中至关重要。 地膜是我国机采棉中特有的杂质。 该研究将包括地膜碎片等12种常见棉花杂质放置于两层皮棉层之间, 采用推扫式高光谱成像系统在透射模式下对杂质与皮棉混合样本进行图像采集, 在400~1 000 nm范围内利用光谱信息识别嵌在皮棉层中的12种杂质。 首先对高光谱图像进行平场校正, 对边缘噪声进行裁剪； 选择500 nm处灰度图像进行人工感兴趣区域（ROIs）提取, 从ROIs提取皮棉和杂质平均透射光谱并进行标准化； 使用典型判别分析（CDA）对皮棉和杂质光谱进行处理并利用前三个典型变量绘制散点图, 观察散点分组情况, 采用多变量方差分析（MANOVA）对前三个典型变量评估每两种杂质之间的差异。 然后使用区间随机蛙跳（iRF）方法提取特征波段, 采用支持向量机（SVM）分类器, 分别对全波段及特征波段的透射光谱进行杂质和皮棉13个类别的分类研究, 对比分析两次分类的准确率。 结果表明, 全波段的各类杂质和皮棉的平均分类准确率为84.4%, 该方法对棉花内层杂质的检测与分类是可行的, 包括与皮棉外观相近的地膜、 塑料包装和纸的分类效果较好。 在提取12个特征波段后, 4种具有相似外观和相似化学成分的杂质（裂茎、 茎皮、 棉铃壳、 棕叶）分类准确率较低但都超过73%； 棉籽、 绿叶、 纸片、 塑料包装、 地膜、 皮棉的分类准确率均超过90%； 各类杂质和皮棉的平均分类准确率为86.2%； 与全波段光谱的分类结果相比, 特征波段光谱的平均分类准确率提高1.8%。 该研究结果可为棉花内层杂质检测研究提供理论依据, 并对高光谱透射成像技术的应用有较好的指导作用。

蚜虫是棉花的主要害虫之一, 我国棉花产量每年因蚜虫危害造成的损失高达5%～10%。 田块尺度的棉花蚜害空间分布监测可以辅助精准定量施药, 减少环境污染。 利用无人机搭载成像光谱仪获取的“图谱合一”的遥感数据因其具有分辨率高、 时效性高、 成本低等优势, 可为作物病虫害监测提供了重要数据源。 比值导数法模型简洁, 运行效率高, 结果精确, 可以有效的应用于遥感反射率光谱解混处理, 提取对目标信息较为敏感的波段, 为构建虫害监测模型提供了有效的手段。 因此本研究选择棉花典型生产区新疆库尔勒地区为实验区, 开展以下工作: （1）以低空无人机搭载成像光谱仪获取棉花蕾期冠层成像光谱影像, 结合地面调查数据, 获取76个样点光谱数据及蚜害严重度(包含健康植株16个, 蚜害严重度1～4级每级选取15个); (2)分析不同蚜害严重度棉花冠层光谱的特征, 并利用比值导数法筛选出对蚜害胁迫敏感的光谱波段, 分别为514, 566和698 nm波段; (3)构建基于三个敏感波段的光谱反射率、 比值导数光谱值的一元线性回归和偏最小二乘法的蚜害严重度估测模型。 结果表明: (1)蚜害对棉花冠层的光谱反射率有显著影响。 棉株受蚜害胁迫越严重, 其在可见光区域的反射率越高, 近红外波段反射率越低, 发生红边区域“蓝移”; （2）比值导数法可有效提取蚜害棉花冠层光谱敏感波段, 所筛选的514, 566和698 nm三个波段与相关系数法所筛选的敏感波段一致; (3)利用敏感波段比值导数光谱值所构建的蚜害严重度估测模型精度优于敏感波段光谱反射率所构建的模型, 其中698 nm波段构建的模型精度最佳（R2=0.597, RMSE=0.91）; (4)三个敏感波段的比值导数光谱值所构建的偏最小二乘多元回归模型精度优于单个波段比值导数光谱值所构建的模型（R2=0.612, RMSE=0.89）; (5)基于比值导数法的棉花蚜害无人机成像光谱监测模型可以获取田块尺度的不同严重度蚜害空间分布图, 对于精准定量施药有重要的指示意义。

针对棉花异性纤维检测准确率不高、实时性较差的问题，以棉花为研究对象，提出了一种基于改进YOLOv3的棉花异性纤维检测方法。引入轻量级MobileNets网络为特征提取网络，结合YOLOv3的多尺度特征融合检测网络，构建改进的MobileNets-YOLOv3模型。提出一种分段式学习率，以增强学习效果。将实际采集到的真实棉花异性纤维图像数据集按4∶1的比例划分为训练集和测试集，并使用对比度增强、水平镜像等6种图像增广方法扩充数据集。对扩充前后的数据集、不同的学习率、改进前后的YOLOv3模型、本文模型与Faster R-CNN和SSD_300模型做了对比试验。实验结果表明，数据集的增广、改进后的分段式学习率均能改善训练模型的过拟合现象，在测试集上的平均正确率(mAP)分别提高了3.6%、5.64%; 改进后的YOLOv3模型对测试集进行检测的平均正确率(mAP)为84.82%，帧速率为66.67 f·s-1，识别精度优于YOLOv3模型，提高了2.03%，帧速率是YOLOv3模型的3倍，总体性能也优于Faster R-CNN和SSD_300模型，能较好地满足棉花异纤检测的精度和实时性要求。

冠层叶绿素能够有效反映植被的生长状况。为了基于高光谱精确估算冠层的叶绿素含量,以棉花为研究对象,实测棉花冠层光谱反射率和叶绿素含量,然后进行原始光谱数据转换,计算高光谱参数,分析叶绿素含量与高光谱参数之间的相关关系,构建估算棉花冠层叶绿素含量的BP神经网络模型。结果表明:包络线去除处理后,冠层反射率和叶绿素含量的相关性在560~740 nm波段范围内提高了10.7%,效果优于原始光谱和一阶微分光谱得到的结果;基于原始光谱和去除包络线光谱建立的植被指数mSR、mND、NDI、DD与叶绿素含量表现出较高的相关性,相关系数均在0.8左右;在所建的BP神经网络模型中,基于包络线光谱指数建立的模型的决定系数为0.85,均方根误差和相对误差分别为1.37、1.97%,这一结果优于基于红边参数、原始光谱植被指数和一阶微分光谱指数建立的模型。本研究可为作物叶绿素含量估算的实际应用提供理论依据和技术支持。

农业生产中常采用深耕、秸秆还田和施用土壤改良剂等措施促进生土熟化。本研究旨在探索施肥与降水配合对生土棉花根、苗、土及微生物间的相互影响机制, 为不同降水年型下生土作物合理施肥提供科学依据。试验连续3年以黄土母质生土为供试土壤, 探讨施肥深度在0~20 cm, 施氮肥(N)、磷肥(P)、氮磷钾复合肥(NPK)、有机肥(ORG)以及干旱、平水、丰水三个降水年型下在40~60 cm施ORG和ORG+NPK分别对生土熟化的效果。研究结果表明, 生土地0~20 cm施有机肥显著增加棉花杆重、棉桃总重和地上部总重量, 施有机肥或含磷肥对生土棉花根际土壤养分、根系养分含量和酶活性有明显促进作用。施有机肥明显改善了土壤微生物多样性和丰富度; 相同施肥条件下, 降水对土壤熟化的效果至关重要。其中, 干旱年和丰水年施有机肥均显著增加棉花产量, 在平水年施有机肥和氮磷钾复合肥, 干旱年或丰水年单施有机肥能更有效的提高土壤微生物多样性。综合分析得出, 生土地快速改良熟化土壤的施肥措施为有机肥加磷肥。结合降水的条件下, 加快生土熟化、提高土壤微生物多样性的最佳施肥方式为: 平水年配施有机肥和氮磷钾复合肥,干旱年和丰水年单施有机肥。

长江流域棉花生育期长, 不利于棉油两熟制种植。通过调控栽培因子缩短棉花生育期, 实现棉油单作, 提高种植效益。本文以棉花早熟品种JX0010为试验材料, 采用二次最优回归设计(311设计), 研究了栽培因子施氮量、种植密度、播种期对棉花产量形成的影响。根据回归模型分析表明, 各栽培因子与籽棉产量的单因子效应分析得出其对籽棉产量的影响顺序为: 播种期>密度>施氮量。播种期对籽棉产量有明显的负效应, 施氮量、密度对籽棉产量有明显的正效应。两因子互作效应对籽棉产量影响的大小顺序为:施氮量与密度的互作>密度与播种期的互作>施氮量与播种期的互作。因此, 在生产上应当充分发挥施氮量与密度的互作效应, 同时结合适当的播种期, 以促进棉花增产。

本文以棉花早熟品种“JX0010”为实验材料, 采用二次最优回归设计(311设计), 研究了施氮量、种植密度、播种期对棉花干物质积累和分配的影响。结果表明: 棉花单株营养器官与生殖器官干物质积累动态基本一致, 符合“S”型曲线变化规律, 生长前期积累速度缓慢, 中期积累速度加快, 后期干物质积累趋于平缓。种植密度是影响干物质积累的主要因子, 施氮量次之, 播种期影响最小。单株营养器官干物质积累随施氮量的增加、播种期的推迟出现先上升后下降的趋势, 随密度的增加而下降; 单株生殖器官干物质积累随施氮量增加而上升, 随密度增加和播种期推迟而减少。各处理棉花群体干物质积累随着生育进程的推进而逐渐增加, 以处理9群体干物质总量最大, 达到20 640 kg/hm2, 比其他处理高15.74%-137.48%。

应用高光谱遥感监测黄萎病胁迫下棉花叶片光合参数。 在350～2 500 nm光谱波段获取207个不同时期不同病情严重度的棉叶样本光谱数据, 同步利用光合仪测量样本光合参数。 采用单因素方差和相关分析研究光合参数特征, 提取样本叶片光合参数的敏感波段并筛选光谱特征参数, 采用线性和非线性回归方法建立预测模型并检验。 结果表明: 随病情严重度增加, 棉叶净光合速率、 气孔导度、 蒸腾速率均下降, 胞间CO2浓度先降后增, 差异显著； 病情严重度与光合参数均达到显著相关, 与净光合速率、 蒸腾速率、 气孔导度、 胞间 CO2浓度相关系数分别为-0.97, -0.957, -0.886和0.715。 选择与光合参数相关性最好的光谱敏感波段R704, R706, R699, R690, FD688, FD732, FD690, FD731, FD681组建新的光谱特征参数并与传统参数一起对净光合速率、 蒸腾速率、 气孔导度和胞间 CO2浓度进行反演, 其中是以光谱参数PRI［FD732, FD688］), R706, RVI［890, 670］), R690为自变量建立的净光合速率、 蒸腾速率、 气孔导度和胞间CO2浓度反演方程精度最高, 预测R2分别为0.827, 0.810, 0.658, 0.573； RMSE分别为5.466, 2.801, 109.500, 63.500； RE分别为0.041, 0.137, 0.158, 0.021。 表明通过高光谱遥感可以实现棉花黄萎病叶片光合生理参数的提取。

为探索棉花短季直播高产栽培模式, 采用多因子最优混合设计(311设计)研究了播期、栽培密度和施氮量对早熟品种JX0010的农艺性状、干物质积累分配的影响。结果表明, 不同处理对棉花生育进程有一定影响, 播种期是影响棉花生育期的主要因子, 各处理生育进程随播种期的推迟而缩短。不同处理株高、果枝层数、果枝始节、果节数差异都达到了显著水平, 栽培因子对株高、果枝始节高度、果节数的影响大小顺序为密度>施氮量>播期, 对果枝层数影响的顺序为播期>密度>施氮量, 适量的施氮、合理密植以及适当推迟播期能增大植株高度, 增加棉株果节数。不同处理棉花地上部分单株干物质积累、群体干物质积累、单株营养器官干物质积累、生殖器官干物质积累变化趋势基本呈“S”型, 不同处理干物质分配系数表现出随着生育进程的推进, 营养器官所占比重降低, 生殖器官所占比重逐渐升高的趋势。