呂云峰

（長(zhǎng)春師范學(xué)院城市與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，吉林長(zhǎng)春130032）

基于反射特性的玉米苗期光譜與農(nóng)藥污染程度關(guān)系研究

呂云峰

（長(zhǎng)春師范學(xué)院城市與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，吉林長(zhǎng)春130032）

由于田間大量除草農(nóng)藥的使用，玉米在苗期會(huì)受到農(nóng)藥的脅迫.為簡(jiǎn)單地利用光譜特性反映玉米受污染的程度，為遙感檢測(cè)玉米生長(zhǎng)狀況提供依據(jù)，以不同污染程度的玉米苗反射光譜為對(duì)象，研究了苗期玉米受到污染后的反射光譜特性；同時(shí)也對(duì)玉米苗反射光譜中的偏振信息進(jìn)行了測(cè)量和分析.結(jié)果表明：隨著受污染程度的增加，玉米苗的光譜反射比也增加；而計(jì)算得到的線偏振度隨污染程度的增加而減小，且2種指標(biāo)與污染程度分別成正相關(guān)與負(fù)相關(guān)，所得到的回歸模型的R2分別為0.8782，0.8857.在以后研究過(guò)程中，可以把現(xiàn)有的非偏振測(cè)量方法和偏振測(cè)量結(jié)合起來(lái)，對(duì)遙感反演玉米受污染程度有很大的幫助.

反射率；玉米苗期；偏振度；污染

0 引言

早期歐美地區(qū)對(duì)農(nóng)業(yè)土地利用信息更新的方法主要是通過(guò)農(nóng)民和行政執(zhí)法部門(mén)的調(diào)查得到的［1－2］，這個(gè)過(guò)程會(huì)產(chǎn)生由于人為因素造成的誤差，且比較耗費(fèi)時(shí)間和資金.與此同時(shí)，遙感影像的分析和使用為監(jiān)測(cè)大面積農(nóng)作物提供了有效和低廉的方法，利用遙感技術(shù)可以監(jiān)測(cè)農(nóng)作物生長(zhǎng)狀態(tài)從而估計(jì)作物產(chǎn)量，同時(shí)也可以在時(shí)間上保持獲取信息的一致性［3］.

現(xiàn)今利用這些遙感影像獲取農(nóng)作物長(zhǎng)勢(shì)或者分類(lèi)的方法都是基于前期對(duì)農(nóng)作物反射光譜特性的研究.Curran等和Horler等對(duì)紅邊和葉綠素含量之間的關(guān)系做了詳細(xì)報(bào)道［4－5］；Daughtry等從玉米冠層的反射率中發(fā)現(xiàn)了評(píng)估葉綠素含量的方法［6］.同時(shí)研究者們又對(duì)作物冠層的反射特性和反射分布特性做了大量研究，Kuusk對(duì)大麥和三葉草的反射角度分布做了詳細(xì)研究［7］；Li等對(duì)植被的反射傳輸方法做了研究［8］，為以后陸地衛(wèi)星反演植被參數(shù)提供了強(qiáng)有力的依據(jù).

在對(duì)作物和植被反射特性的研究過(guò)程中，偏振現(xiàn)象也引起了大量學(xué)者的關(guān)注.Curran研究了生物量與偏振度之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)偏振主要與冠層粗糙度有關(guān)，即冠層生長(zhǎng)茂盛且整齊的高生物量的夏季作物的偏振反射大于生長(zhǎng)參差不齊的低生物量的冬季作物［9］；Vanderbilt等對(duì)植被的偏振反射做了大量的研究［10］，并首先建立了谷類(lèi)作物冠層的偏振反射模型，同時(shí)解釋了在小麥成熟期偏振特性變化的原因.

最近10年內(nèi)，偏振遙感對(duì)地觀測(cè)越來(lái)越受到世界各國(guó)研究者的重視，尤其是Breon等研究者［11－12］，多次利用POLDER偏振數(shù)據(jù)建立了植被和土壤等地物的偏振反射模型；而Peltoniemi等多次對(duì)典型地物的高光譜偏振波譜進(jìn)行了測(cè)量，其中也包括農(nóng)作物冠層［13］；Litivinov等利用航空偏振平臺(tái)也對(duì)地表進(jìn)行了偏振測(cè)量［14］.

針對(duì)反射過(guò)程中出現(xiàn)的偏振現(xiàn)象，本文在測(cè)量了不同污染程度的玉米苗期的反射信息的同時(shí)也對(duì)反射中的偏振進(jìn)行了測(cè)量和分析，并將偏振與非偏振結(jié)合起來(lái)分析了污染對(duì)玉米苗期反射的影響.

1 實(shí)驗(yàn)材料與測(cè)量方法

利用4個(gè)污染程度的玉米作為研究對(duì)象，為了確保玉米生長(zhǎng)狀況一致，均在相同的溫度、土壤濕度和光照條件下使玉米發(fā)芽成長(zhǎng)至1～4葉期.種植玉米時(shí)，采用同等大小的花盆和同等濕度的土壤1kg；種植后用薄膜蓋住，防止水分蒸發(fā)（即保證同等溫度、濕度條件下生長(zhǎng)）.由于每盆都有薄膜防止水分蒸發(fā)，所以從種植到噴藥再到光譜測(cè)量過(guò)程中，不需要再次澆水，保證了每盆玉米都是在同等條件下生長(zhǎng)的.

各種濃度的農(nóng)藥（異惡草松）均用同等大小噴霧瓶，整盆均勻噴霧20下.噴藥后再用薄膜袋套上，防止水分和藥物蒸發(fā)或相互污染.將樣品放入同一環(huán)境下生長(zhǎng)至2葉期時(shí)，對(duì)其反射光譜和偏振反射光譜進(jìn)行測(cè)量.第一次測(cè)量完畢后，將玉米苗再放入相同的環(huán)境條件下使其繼續(xù)生長(zhǎng)至4葉期時(shí)，再對(duì)苗期玉米的反射和偏振光譜進(jìn)行測(cè)量.

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中利用ASD光譜儀進(jìn)行光譜測(cè)試，并且結(jié)合多角度偏振測(cè)試平臺(tái)獲取偏振反射信息［15］.該測(cè)試平臺(tái)由光源系統(tǒng)和角度測(cè)量系統(tǒng)組成，光源可以在0°～90°范圍內(nèi)變化，最小變化范圍為0.5°；探測(cè)角度和相對(duì)方位角的精度為0.02°，利用該角度探測(cè)系統(tǒng)可以獲取被探測(cè)目標(biāo)在任意方向上的反射信息.為了確保獲取信息的準(zhǔn)確性，在測(cè)量過(guò)程中保持玉米苗冠層在一個(gè)平面上，且在測(cè)量幾何中心.ASD光譜儀的光譜范圍是350～2500nm.在計(jì)算偏振度的時(shí)候是通過(guò)旋轉(zhuǎn)ASD探測(cè)頭前的棱鏡獲取不同偏振狀態(tài)的線偏振光，從而計(jì)算出線偏振度.偏振度的計(jì)算公式如下：

式中：p為偏振度；Imax和Imin代表旋轉(zhuǎn)棱鏡時(shí)到達(dá)傳感器的最大和最小反射輻射值.為確保數(shù)據(jù)的精確性，每次測(cè)量10個(gè)光譜值，然后取平均值.

2 結(jié)果與討論

通過(guò)對(duì)偏振數(shù)據(jù)的分析并結(jié)合反射光譜曲線，確定將450～1000nm為主要研究區(qū)域.這是因?yàn)樵谠摬ǘ畏秶鷥?nèi)，玉米苗的反射光譜隨農(nóng)藥污染程度的增加變化最明顯，而在近紅外區(qū)域內(nèi)變化很小，所以確定該區(qū)域?yàn)橹饕芯繉?duì)象.

圖1和圖2是玉米2葉期和4葉期的反射光譜曲線.實(shí)驗(yàn)中利用了4個(gè)質(zhì)量分?jǐn)?shù)的農(nóng)藥（0.77%，0.44%，0.12%，0）作為實(shí)驗(yàn)對(duì)比.

圖1、圖2是在光線入射角度為45°、垂直方向觀測(cè)獲取的反射信息.通過(guò)圖1與圖2的對(duì)比發(fā)現(xiàn)，隨著玉米苗葉子數(shù)量的增加反射率增加，同時(shí)隨著污染濃度的增加反射率也增加.玉米葉數(shù)量的增加導(dǎo)致多重反射的增加，所以使反射率增加；而污染程度嚴(yán)重的玉米苗反射率在可見(jiàn)光范圍增加的幅度大于近紅外波段范圍，這主要是因?yàn)楫悙翰菟墒褂衩兹~肉由原來(lái)的綠色變成黃色，也就使得玉米葉片的反射率增加.這一光譜反射特性可以用來(lái)鑒別玉米被污染的程度和污染范圍.

圖1 玉米苗2葉期的反射光譜曲線

圖2 玉米苗4葉期的反射光譜曲線

為了更詳細(xì)地研究反射信息，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中對(duì)450～1000nm波段范圍內(nèi)的偏振信息做了分析與計(jì)算（見(jiàn)圖3、圖4）.

圖3、圖4是光線入射角度為45°、探測(cè)角度為35°、相對(duì)方位角為180°（入射主平面）條件下，由公式（1）計(jì)算得到的線偏振度曲線.

圖3 玉米苗2葉期的線偏振度曲線

圖4 玉米苗4葉期的線偏振度曲線

通過(guò)圖3、圖4與圖1、圖2的對(duì)比，發(fā)現(xiàn)線偏振度與反射率呈現(xiàn)相反的關(guān)系，但是隨著污染程度的增加，線偏振度減小.圖3與圖4對(duì)比發(fā)現(xiàn)，4葉期玉米的線偏振度大于2葉期.這是由于在2葉期，玉米葉呈豎直狀，進(jìn)入傳感器方向的鏡面反射光較少；當(dāng)葉子數(shù)達(dá)到4個(gè)的時(shí)候，先前長(zhǎng)出的葉子呈彎曲狀，形成鏡面反射，使得偏振光所占的比例增大，所以圖4的線偏振大于圖3.

在建立污染程度與反射率和線偏振度之間的關(guān)系時(shí)，通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)，選取550nm的反射率與線偏振度作為指標(biāo)的時(shí)候反射信息及偏振信息與污染程度的相關(guān)性最大.圖5是利用污染程度與反射率之間的關(guān)系回歸得到的方程.結(jié)果發(fā)現(xiàn)，反射率與污染程度成明顯的線性關(guān)系，也就是說(shuō)在遙感監(jiān)測(cè)苗期玉米受污染的時(shí)候，可以通過(guò)反射率反映出受污染程度的大小.

圖5 反射率（550nm）與污染程度的關(guān)系

圖6 線偏振度（550nm）與污染程度的關(guān)系

圖6是線偏振度為550nm時(shí)與污染程度之間的回歸方程.從結(jié)果中依然可以發(fā)現(xiàn)線偏振度與污染程度有很好的線性關(guān)系.這種對(duì)植被與偏振反射特性的研究在早期被定義為與葉子的幾何分布和冠層的植物梗莖有關(guān)，并且與反射率有著明顯的相關(guān)性.Curran在研究了波段對(duì)草的偏振影響時(shí)發(fā)現(xiàn)，在葉綠素吸收波長(zhǎng)處高度偏振而在近紅外偏振較低［9］.這與本研究的結(jié)果一致，即偏振度與生物量有關(guān)，但是這種關(guān)系是在偏振主要與冠層粗糙度有關(guān)的假設(shè)前提下提出的.

Vanderbilt曾試圖建立糧食作物的偏振反射模型，在該過(guò)程設(shè)想小麥和玉米葉子表面被蠟質(zhì)層覆蓋，并且在特定的入射和反射角度方向會(huì)產(chǎn)生鏡面反射［10］.本研究的結(jié)果得出了與先前研究者相同的結(jié)論：玉米反射光中的偏振信息主要是來(lái)自于葉表面產(chǎn)生的鏡面反射，所以說(shuō)當(dāng)污染程度增加的時(shí)候，葉子表面的鏡面反射沒(méi)有受到影響，也就是偏振反射信息沒(méi)有變化，只是葉子內(nèi)部的結(jié)構(gòu)和葉綠素遭到破壞，使反射率增加.因此，污染嚴(yán)重的玉米苗的反射率增大時(shí)，對(duì)應(yīng)的線偏振度就會(huì)減小.

從以上的分析中可以發(fā)現(xiàn)，利用玉米苗期的反射光譜可以確定受污染的程度，而且偏振信息的大小可以反映出作物冠層的形態(tài)變化，從而也可以確定作物生長(zhǎng)的時(shí)期.

3 結(jié)論

實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的測(cè)量和分析結(jié)果表明，玉米受農(nóng)藥污染的程度以及苗期的不同生長(zhǎng)狀態(tài)可以利用反射特性來(lái)辨別，同時(shí)偏振信息也可以提供判別依據(jù).

隨著苗期玉米葉片數(shù)量的增加，反射比也增加，尤其是在近紅外波段范圍內(nèi).而無(wú)論苗期玉米葉片的數(shù)量是否增加，隨著污染程度的增大，反射比都會(huì)變大.但是在可見(jiàn)光波段范圍變化比較明顯，主要表現(xiàn)在綠光與紅光波段.

在未受到污染情況下，苗期玉米的線偏振度也是隨著葉片數(shù)量的增加而變大.當(dāng)污染程度變大的時(shí)候，對(duì)應(yīng)的線偏振度減小，減小幅度最大的范圍是可見(jiàn)光波段的紅光波段.

在對(duì)比分析苗期玉米的反射比與線偏振度的過(guò)程中可以發(fā)現(xiàn)，它們之間呈現(xiàn)反比例關(guān)系，但是是非線性的.通過(guò)建立污染程度與反射比、線偏振之間的回歸模型可以看出，污染程度與它們之間的相關(guān)性比較相似，且相關(guān)系數(shù)比較高.可以通過(guò)這種回歸來(lái)反映苗期玉米受到的污染程度.

由于在電磁波與玉米葉片相互作用的時(shí)候，散射與透射過(guò)程中都會(huì)包含偏振信息，而現(xiàn)有的遙感技術(shù)通常將這部分信息忽略.也就是說(shuō)，反射光中偏振信息的研究不僅可以為遙感技術(shù)提供一種有效的手段，也會(huì)使得對(duì)農(nóng)作物輻射傳輸過(guò)程的了解更加詳細(xì)，從而更好地選擇有效的方法來(lái)反演作物信息.

偏振反射尤其對(duì)作物冠層的粗糙度較為敏感，而很難單獨(dú)利用反射特征來(lái)分辨.所以在對(duì)農(nóng)作物進(jìn)行遙感評(píng)估時(shí)，應(yīng)該結(jié)合偏振信息和常規(guī)反射信息，以便提高反演精度，為農(nóng)業(yè)評(píng)估提供更高質(zhì)量的服務(wù)信息.

本文只是探討了玉米苗期反射特性中的偏振信息，如果想要真正結(jié)合實(shí)際應(yīng)用，還應(yīng)該進(jìn)行大量的野外與實(shí)驗(yàn)室的研究工作，如角度分布與偏振之間的關(guān)系、作物冠層的水分含量是否影響偏振信息的變化等問(wèn)題.

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Abstract：Corn seedlings are polluted by pesticide because of a large number of pesticides were used in cultivated land.To provide more reflectance information that detected from corn seedlings polluted by pesticide for remote sensing technique，in this study we simply invert the pollution level with the reflectance from corn seedlings.Simultaneously，we also obtain and analyze the polarization of the corn seedlings.The results confirmed that the reflectance increased with an increase in pollution level and the degree of linear polarization increased with a decrease in pollution level.Both of reflectance and degree of linear polarization were linear proportion to the amount of pesticide pollution，the R2was 0.8782and 0.8857，respectively.Combining the non－polarized measurements with polarized measurements is useful to help us understand the reflected information of corn and to provide additional method for remote sensing technique.

Keywords：reflectance；corn seedlings；degree of polarization；pollution

（責(zé)任編輯：方 林）

The study of the relationship between the characteristic of spectrum of corn seedlings and pesticide pollution on the basis of reflection

LU Yun－feng
（College of Urban and Environmental Sciences，Changchun Normal University，Changchun 130032，China）

TP79［學(xué)科代碼］170·4510

A

2011－12－23

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（40971190）；吉林省青年基金資助項(xiàng)目（201101105）；吉林省教育廳“十二五”計(jì)劃項(xiàng)目（2012220）；長(zhǎng)春師范學(xué)院自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（2010024）.

呂云峰（1977—），男，博士，副教授，主要從事偏振光與定量遙感研究.

1000－1832（2012）02－0127－05