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        花生紅邊特征及其葉面積指數(shù)的高光譜估算模型

        2010-01-01 00:00:00張曉艷王麗麗封文杰劉淑云王風(fēng)云張秀蘭朱建華
        山東農(nóng)業(yè)科學(xué) 2010年3期

        摘 要:選用大花生品種豐花1號作為試驗材料,設(shè)置5個氮素水平的小區(qū)試驗。在不同發(fā)育期同步測定花生冠層的光譜反射率及其葉面積指數(shù),利用花生冠層的光譜反射率數(shù)據(jù)提取紅邊參數(shù),分析其變化規(guī)律及花生葉面積指數(shù)與紅邊參數(shù)的相關(guān)性。估算結(jié)果表明:花生冠層紅邊一階微分光譜呈“雙峰”現(xiàn)象,紅邊位置位于707~724 nm之間,在花生生長旺盛期間出現(xiàn)“紅邊平臺”,結(jié)莢期以后有明顯的“藍移”現(xiàn)象;葉面積指數(shù)與冠層光譜紅邊參數(shù)之間在結(jié)莢期-飽果初期顯著相關(guān),但開花期相關(guān)性不顯著,利用結(jié)莢期-飽果期的紅邊參數(shù)可以估算花生的葉面積指數(shù),最后建立了結(jié)莢期-飽果期和整個生育期的花生葉面積指數(shù)的估算模型。

        關(guān)鍵詞:花生;高光譜遙感 紅邊參數(shù) 葉面積指數(shù);相關(guān)分析;估算模型

        中圖分類號:S565.2;S127 文獻標識號:A 文章編號:1001-4942(2010)03-0011-06Red

        利用遙感技術(shù)監(jiān)測作物的生長狀況與趨勢(即長勢監(jiān)測)是農(nóng)業(yè)遙感的重要任務(wù)之一。長勢監(jiān)測的目的是為田間管理提供及時的作物信息,也為早期估測產(chǎn)量提供苗情依據(jù)。Watson等[1]在1947年將葉面積指數(shù)(LAI)的概念引進作物群體結(jié)構(gòu)分析,極大促進了群體研究理論的發(fā)展并對生產(chǎn)實踐產(chǎn)生重大作用。植物冠層介于大氣圈和陸地生物圈之間,在全球范圍內(nèi),植被類型豐富,冠層形狀、大小和特性又千差萬別,LAI成為表達全球不同陸地生態(tài)系統(tǒng)植被特征的重要參數(shù)[2],也是遙感長勢監(jiān)測中最常用的描述作物長勢的綜合參數(shù)[3,4] 。

        Wiegand等[5]研究了光譜特征與LAI之間的關(guān)系;Bunnik[6]證實了應(yīng)用遙感技術(shù)提取植被覆蓋與LAI的可能性。隨后比值植被指數(shù)(RVI)、歸一化植被指數(shù)(NDVI )、垂直植被指數(shù)(PVI)等被相繼提出并用于反演植被LAI[7~10]。浦瑞良等[11]研究了美國西部黃松葉面積指數(shù)與高光譜分辨率CASI數(shù)據(jù)的相關(guān)性;劉偉東等[12]分析了高光譜數(shù)據(jù)與水稻葉面積指數(shù)及葉綠素密度的相關(guān)性;最近,唐延林等[13]利用光譜法對水稻葉面積指數(shù)和葉片生化成分進行了研究。 關(guān)于作物葉面積的遙感估測方面,已有眾多研究提出了不同的敏感區(qū)域和不同波段組合的植被指數(shù)[14] 。Thenkabail等[15]的研究表明,紅光區(qū)反射率與LAI相關(guān)性較為密切。 劉偉東[12]、申廣榮[16]、王秀珍[17]的研究也證明了這一結(jié)論,并且分別提出671 nm和682 nm反射率與LAI的相關(guān)性最好。宋開山等[18]認為, 760 nm 與550 nm反射率構(gòu)成的比值植被指數(shù)與大豆(Glycine max L.)葉面積指數(shù)呈冪函數(shù)關(guān)系。薛利紅等[19]在水稻上的研究也提出相近波段組合的比值植被指數(shù)RVI(810,560)與水稻LAI呈冪函數(shù)關(guān)系。譚昌偉等[20]發(fā)現(xiàn),垂直植被指數(shù)PVI和比值植被指數(shù)RVI(810,560)可以作為反演夏玉米(Zea mays) LAI的最佳植被指數(shù),并采用指數(shù)方程擬合它們與LAI的關(guān)系。唐延林等[21]在研究水稻、玉米和棉花3種作物L(fēng)AI與冠層反射光譜的關(guān)系中發(fā)現(xiàn), 800 nm與680 nm反射率構(gòu)成的比值植被指數(shù)可以用來反演這3種作物的LAI。Wiegand等[22]認為,比值植被指數(shù)RVI和轉(zhuǎn)換型土壤調(diào)整指數(shù)TSAVI與小麥LAI線性相關(guān),綠度植被指數(shù)GVI和垂直植被指數(shù)PVI與小麥LAI的關(guān)系則用冪函數(shù)和二次方程擬合最佳,相關(guān)系數(shù)都達0.72~0.86;并且認為這些植被指數(shù)中估測LAI最好的關(guān)系是冪函數(shù)關(guān)系,GVI和PVI相對RVI而言響應(yīng)更靈敏。從已有的研究報道可以看出,用于作物葉面積遙感監(jiān)測的適宜特征光譜參數(shù)隨作物的不同、試驗條件的不同而有所差異;而且有關(guān)各種植被指數(shù)與LAI的關(guān)系函數(shù)表達方式及預(yù)測能力的結(jié)論也不盡相同,所以有必要進一步深入研究和定量分析花生冠層反射光譜與LAI的動態(tài)關(guān)系。

        王秀珍等[23]指出可以用紅邊參數(shù)測定葉面積指數(shù),Patei等[24]和Zhao等[25]也都對利用紅邊參數(shù)的LAI遙感估算方法進行了研究,但利用光譜紅邊特征來研究花生的葉面積指數(shù)還鮮見報道。為此,作者利用高光譜紅邊參數(shù)對花生LAI進行系統(tǒng)研究,以篩選預(yù)測花生LAI的最優(yōu)預(yù)測估算模型,這不僅可為監(jiān)測花生長勢和預(yù)測產(chǎn)量開辟新道路,而且為花生長勢的遙感監(jiān)測及精準農(nóng)業(yè)中作物長勢信息的實時快速獲取提供一定的技術(shù)支撐。

        1 材料與方法

        1.1 試驗設(shè)計試驗選擇品種為大花生豐花1號,試驗地點為山東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院蔬菜研究所實驗基地(東經(jīng)117°04′,北緯36°42′),小區(qū)面積26.7 m2,采用起壟覆膜種植方式,壟距80 cm,壟面寬50 cm,壟高10 cm,壟上種兩行花生,壟上行距35 cm,穴距16 cm,密度為每666.7m2種植1萬穴,每穴2粒種子。試驗小區(qū)按完全隨機排列布置,重復(fù)3次。設(shè)置5個氮肥水平,分別是0、150、300、450、600 kg/hm2(分別以N0、N1、N2、N3、N4表示),均作為基肥施入。田間管理按大田管理方式進行。

        1.2 測量方法

        1.2.1 測量儀器 冠層光譜測量選用美國ASD(Analytical Spectral Device)公司的ASD Fieldspec FR2500光譜儀,波段范圍為350~2 500 nm,其中,350~1 000 nm光譜采樣間隔(波段寬)為1.4 nm,光譜分辨率為3 nm,1 000~2 500 nm 光譜采樣間隔(波段寬)為2 nm,光譜分辨率為10 nm;輸出波段數(shù)為2 150(重采樣間隔1 nm);波長精度為1 nm;觀測通道為單通道,光纖傳輸,非同步參考板測定。

        1.2.2 冠層光譜測定 選擇在天氣晴朗、無風(fēng)或風(fēng)速很小的時候進行,時間范圍為10∶00~14∶00,即分別在開花期(6月22日)、開花下針期(7月10日)、結(jié)莢期(8月1日)、飽果期(8月28日)、成熟收獲期(9月22日)測定了花生的冠層光譜。測量時,傳感器探頭向下,距離冠層頂部垂直高度約0.30~0.50 m。每個小區(qū)內(nèi)任選長相適中的植株進行測量,重復(fù)3次測定,每次記錄10個以上光譜,以其平均值作為該小區(qū)的光譜反射值。測量時及時進行標準白板校正(標準白板反射率為1,這樣所測得的目標物光譜是無量綱的相對反射率),即每個點的測量前后均進行標準白板校正。

        1.2.3 葉面積指數(shù)測定 采用鮮重法計算葉面積指數(shù)。首先從植株上挑選20片小葉,從頂部對齊后利用打孔器打孔,記錄小圓葉鮮重,再根據(jù)單株總的葉片鮮重及種植密度計算出葉面積指數(shù)。

        2 結(jié)果與分析

        2.1 花生冠層光譜的紅邊參數(shù)

        紅邊是綠色植物光譜最明顯的特征之一,是指綠色植物反射光譜位于紅光范圍(680~760 nm)的光譜。植被光譜的紅邊參數(shù)主要有紅邊位置λred、紅邊幅值Dλred和紅邊面積Sred。紅邊位置λred是紅光范圍(680~760 nm)內(nèi)一階導(dǎo)數(shù)光譜最大值所對應(yīng)的波長;紅邊幅值Dλred為紅光范圍(680~760 nm)內(nèi)一階導(dǎo)數(shù)光譜的最大值;紅邊面積Sred指680~760 nm之間的一階導(dǎo)數(shù)光譜所包圍的面積。研究表明:葉綠素含量、生物量、物候、冠層結(jié)構(gòu)和葉片結(jié)構(gòu)等因素的變化都能使紅邊位置和紅邊幅值改變[26]。

        由圖1可見,花生冠層光譜的一階導(dǎo)數(shù)在紅邊區(qū)域均是雙峰,與水稻、玉米、棉花等相同,只是收獲時期的第二個峰不大明顯,且紅邊位置藍移現(xiàn)象比較明顯。8月1日測定的紅邊幅值最高,各生育時期紅邊幅值由大到小依次為8月1日,6月22日,8月28日,9月22日。

        從圖2看出,紅邊幅值在生長前期變化平穩(wěn),結(jié)莢期達到最大,之后又逐漸降低。這主要是因為生長早期,冠層葉面積指數(shù)較小,受地膜反射的影響較大,花生冠層光譜紅邊幅值相對較小;隨著生育期推移,生物量增加,葉面積指數(shù)增大,土壤背景對冠層光譜的影響減小,花生冠層光譜紅邊幅值逐漸增大,到結(jié)莢期(8月1日)達到峰值,以后隨著花生下部葉片開始變黃、脫落,紅邊幅值逐漸減小?;ㄉ魃L時期紅邊面積與紅邊幅值的變化趨勢一致。紅邊位置的變化范圍為707~724 nm,整個生育期內(nèi),隨發(fā)育進程,紅邊位置從出苗到結(jié)莢期呈“紅邊平臺”現(xiàn)象,但到生長后期有明顯藍移的現(xiàn)象,這與水稻、玉米等[27]作物不同。

        2.2 花生葉面積指數(shù)與紅邊參數(shù)的相關(guān)性

        由表1看出,8月1日結(jié)莢期的葉面積指數(shù)與紅邊位置和紅邊幅值均達到極顯著正相關(guān),與紅邊面積達到顯著負相關(guān)。在8月28日飽果期,葉面積指數(shù)與紅邊位置呈顯著正相關(guān),與紅邊幅值顯著負相關(guān)。7月10日的葉面積指數(shù)與紅邊面積呈極顯著正相關(guān)??傊?,紅邊位置與葉面積

        指數(shù)始終正相關(guān)。6月22日的葉面積指數(shù)與紅邊參數(shù)的相關(guān)系數(shù)均未達到顯著水平,說明花生生長前期植株群體較小,葉面積指數(shù)較小,冠層光譜受地面覆膜的影響較大。

        2.3 葉面積指數(shù)的高光譜遙感估算模型

        從表1可知,7月10日開花下針期的S red和8月1日的λ red、 Dλ red、 S red及8月28日的λ red、 Dλ red與葉面積指數(shù)均達到了顯著相關(guān)水平,因此,可以用花生結(jié)莢期-飽果期冠層反射光譜的紅邊參數(shù)來估算其葉面積指數(shù),花生葉面積指數(shù)高光譜遙感估算方程如表2所示。

        3 討論與結(jié)論

        花生不同生育時期,確保有一個合理的葉面積指數(shù),是花生高產(chǎn)的基礎(chǔ)。不同種植方式和產(chǎn)量水平對花生葉面積指數(shù)有一定的要求。王才斌等[28]研究表明,春花生產(chǎn)量與幼苗期葉面積指數(shù)無明顯相關(guān)性,而與產(chǎn)量形成期(結(jié)莢期和飽果期)的葉面積指數(shù)呈顯著正相關(guān)(r=0.8835*)。本試驗結(jié)果也表明,花生冠層反射光譜紅邊參數(shù)在結(jié)莢期-飽果期與葉面積指數(shù)之間存在較好的相關(guān)性,因此可以利用此期的紅邊參數(shù)來估算花生葉面積指數(shù),從而通過葉面積指數(shù)的估測來預(yù)測花生產(chǎn)量。產(chǎn)量能夠做到預(yù)測預(yù)報,不僅是農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化建設(shè)的迫切需要,也是糧食收購部門和加工企業(yè)的迫切要求,對于保障糧油安全、促進農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有非常重要的意義。

        花生冠層光譜的紅邊呈“雙峰”現(xiàn)象,紅邊位置在整個生育期內(nèi)均處于707~724 nm 之間。隨生育期推移,冠層紅邊位置呈“紅邊平臺”和“藍移”變化規(guī)律,而紅邊幅值和紅邊面積在結(jié)莢期達到一峰值,此后呈“藍移”的變化規(guī)律。本研究最終確定的葉面積指數(shù)的紅邊參數(shù)估算模型為LAI=2.599×10-117λ41.004 red,R2=0.5517,但由于對結(jié)果的顯著性未進行檢驗,因此,用該模型估算葉面積指數(shù)的準確性還有待于進一步探討。

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