李軍玲，劉偉昌，趙學斌

(河南省氣象科學研究所，河南 鄭州 450003)

作物長勢是指作物生長發(fā)育過程中的形態(tài)相，其強弱一般通過觀測植株的葉面積、葉色、葉傾角、株高、密度和莖粗等形態(tài)變化進行衡量［1］.在不同的時段或不同的光、溫、水、氣(CO2)、土(土壤)的生長條件和管理水平下，作物的長勢(生長狀況)有所不同.作物長勢監(jiān)測可以為決策者提供作物生長狀態(tài)信息，及時反映作物單產豐欠的變化情況.作物長勢遙感監(jiān)測指標與作物產量有密切的關系，實時監(jiān)測作物長勢動態(tài)變化，可以盡早預測糧食短缺或盈余，對糧食的宏觀調控有重要的意義.國際研究利用遙感監(jiān)測作物長勢始于西方發(fā)達國家，特別是美國，1974—1977年就開始了“大面積農作物估產試驗(LACIE)”.國內利用氣象衛(wèi)星監(jiān)測作物生長狀況始于20 世紀80年代中期.從“六五”計劃開始，開展了農作物遙感估產研究［2，3］，并在區(qū)域尺度上開展產量估算試驗.“八五”期間，遙感估產成為國家技術攻關內容，開展小麥、玉米和水稻大面積遙感估產試驗研究.目前在農作物長勢監(jiān)測的方法上，國外主要圍繞適合大面積監(jiān)測的NOAA/AVHRR的運用進行了多方面的探索［4，5］.在國內，楊邦杰等［6］用作物的個體與群體定義了作物長勢，提出了基于植被指數與植被表面溫度的長勢遙感監(jiān)測的評估模型與診斷模型的概念與算法.2000年吳炳方［7］利用每旬的AVHRR 最大NDVI圖像與1999年同期對比，實現了全國范圍的農作物遙感長勢監(jiān)測;辛景峰［8］探討了作物長勢的參照標準和監(jiān)測指標.近年來，研究主要集中在利用高分辨率衛(wèi)星進行遙感估產和發(fā)展具體指標的研究上［9～12］，沒有形成規(guī)范化的大尺度作物長勢遙感監(jiān)測指標體系.特別是許多學者在研究中，對整個研究區(qū)域采用同一個監(jiān)測指標，對于不同區(qū)域處于不同生育時期的作物來說，這樣的監(jiān)測指標不夠精細化，對監(jiān)測結果有很大的影響.本研究通過野外樣點布設獲取農學參數葉面積指數等，結合陳懷亮等［13］的研究結果，將河南省分為4個遙感生態(tài)區(qū)，經過數理統(tǒng)計分析，獲得分區(qū)域的夏玉米葉面積指數指標;在MODIS 遙感數據的基礎上獲取和觀測時間一致的遙感參數NDVI，進行葉面積指數和NDVI的相關分析，如果形成顯著相關，則可以通過農學參數指標確定遙感指標，對處于不同發(fā)育期的不同區(qū)域采用不同指標劃分夏玉米苗情等級，提高了監(jiān)測精度.

1 材料與方法

1.1 野外樣點布設及實地數據獲取

由于MODIS 資料可見光波段分辨率為250 m，每個像元相當于地面0.0625 km2范圍，同時遙感資料定位方法、軌道根數、衛(wèi)星姿態(tài)等方面存在的誤差往往會造成定位的偏差，以半個像元偏差計算，如使定點衛(wèi)星測值保證代表的是夏玉米信息，單純連片的夏玉米面積需要達到4個像元，即0.25 km2.據此，河南省農業(yè)科學院在全省44個縣共選擇129個夏玉米種植區(qū)作為觀測點，在每個縣區(qū)原則上分一、二、三類苗開展觀測，對于只有一種苗情的縣站，只開展一種苗情的調查觀測.田間觀測數據主要包括葉面積指數、群體密度、生育時期、墑情、長勢評價以及樣點GPS 定位數據等信息，觀測日期為2011-07-25和2011-08-25，這2個日期為夏玉米生長關鍵期.

不同的氣候條件對夏玉米生長的影響很大，造成夏玉米生育時期差異明顯.若生育時期不同卻用同一指標的話，明顯沒有可比性.因此需要進行分區(qū)域研究，從河南省農業(yè)科學院獲得2011年129個觀測站網的觀測資料，觀測站點分布見圖1.

圖1 河南省農業(yè)科學院玉米觀測站網分布圖Fig.1 Observing station distribution map of corn of Henan Provincial Academy of Agricultural Sciences

1.2 遙感影像的選擇和處理

影響植被指數的因素較多，有太陽高度角、視線天頂角、太陽光線與視線間的相對方位角及大氣狀況等.為了使不同時期植被指數具有可比性，就要使影響因子盡可能相一致，因此盡量選取過境時間一致的、對應夏玉米各個生育時期的晴天影像.根據地面樣點采集時間，選取MODIS 影像的可見光和近紅外波段作為建模資料.MODIS 影像經過定標、定位、大氣校正以及太陽高度角、臨邊變暗訂正后，采用二次多項式方法進行幾何精校正，誤差不大于0.5個像元，然后讀取樣點所在像元一、二通道的光譜值，計算植被指數.

1.3 對研究區(qū)域進行分區(qū)

根據陳懷亮等［13］的研究結果，將河南省劃分為5個玉米氣候生態(tài)區(qū):Ⅰ豫中豫東北播期干旱、中后期光熱水條件適宜區(qū)，Ⅱ豫西南伏旱較重、熱量資源豐富較適宜區(qū)，Ⅲ豫南苗期多雨、伏旱較重適宜區(qū)，Ⅳ豫西丘陵伏旱嚴重、苗期干旱氣候條件較差區(qū)，Ⅴ豫西太行、伏牛山區(qū)氣候溫涼春玉米區(qū).結果見圖2.Ⅳ區(qū)和Ⅴ區(qū)對夏玉米種植都屬于氣候條件較差地區(qū)，根據研究需要，將Ⅴ區(qū)合并到Ⅳ區(qū)進行研究.

2 結果與分析

2.1 數據資料處理

在分析夏玉米各類苗情觀測資料時，由于夏玉米的苗情是由農業(yè)氣象觀測人員憑經驗得來，沒有一個定量的標準.因此，為確保觀測數據的客觀和代表性，盡量減小不同苗情類別的觀測誤差，研究中采用標準差對有關數據進行分析:

圖2 河南省玉米氣候生態(tài)區(qū)Fig.2 Climatic ecological zones of maize in Henan Province

式中:S為標準差;n為觀測樣本總數;k為任意樣本，xk為第k個觀測樣本;x-為觀測樣本的平均值.

求取整體樣本的標準差和任意觀測值與整體樣本平均值的絕對差，比較分析絕對差與標準差.研究中認為，絕對差在一個標準差的變化范圍之內，認為此觀測值能歸為某類觀測值分析，給予保留.否則，認為該觀測值出現異常大或小，將其剔除出此類樣本.玉米長勢越好，各類觀測值越大;相反，苗情越差，各類觀測值越小.因此，對于一類苗，只剔除異常小的值;對于三類苗，只剔除異常大的值.

2.2 河南省夏玉米苗情農學指標的初步確定

對夏玉米一、二、三類苗2010- 07- 25和2010-08-25的葉面積指數的觀測資料進行統(tǒng)計分析，并結合各類苗情產量分析，初步制訂出夏玉米長勢的農學指標.

根據以往研究結果，將葉面積指數處在其(平均值±20)%范圍來初步確定苗情指標，再根據實際觀測情況進行微調，從而得出相應指標(表1).

表1 河南省分區(qū)域夏玉米長勢葉面積指數指標Table 1 Leaf area index of summer maize growth level in Henan Province

根據有關指標范圍的制定，結果表明，各類苗情的葉面積指數指標值均在苗情觀測值的范圍之內，說明有關指標范圍值的制訂有一定的科學性.

2.3 NDVI 與農學參數的關系及遙感指標的確定

由河南省氣象科學研究所獲得2011年7月下旬和8月下旬的MODIS 晴空資料，進行了NDVI最大值合成運算，并通過ENVI 軟件提取點值數據功能，提取了各個觀測點的這2個時期的NDVI值，并對其進行了和葉面積指數的相關分析，結果見圖3和圖4.

圖3 2011年8月NDVI和葉面積指數的相關分析(P＜0.05)Fig.3 Correlation analysis of NDVI and leaf area in August 2010(P＜0.05)

圖4 2011年7月NDVI和葉面積指數的相關分析(P＜0.05)Fig.4 Correlation analysis of NDVI and leaf area in July 2010(P＜0.05)

從圖3和圖4可以看出，夏玉米歸一化植被指數(NDVI)和葉面積指數呈顯著正相關，8月的NDVI和農學參數的相關性明顯好于7月.可以通過建立農學參數和NDVI的關系確定夏玉米長勢遙感指標.建立的回歸方程如下:

其中y為NDVI，x為葉面積指數.

把葉面積農學指標帶入上述方程，得NDVI 遙感監(jiān)測長勢指標見表2.

表2 夏玉米長勢NDVI 指標Table 2 Summer maize growth index of NDVI

2.4 NDVI 遙感指標在玉米長勢監(jiān)測中的應用

基于以上所得，夏玉米遙感監(jiān)測指標，利用2012年MODIS 遙感資料對河南省夏玉米苗情進行監(jiān)測，結果見圖5和圖6，統(tǒng)計結果顯示，2012年7月下旬一、二、三類苗比例分別為84.3%，7.6%和8.1%，8月下旬分別為82.5%，8.4%和9.1%，2012年河南省夏玉米整體長勢良好.

圖5 2012年7月下旬和8月下旬夏玉米苗情遙感監(jiān)測圖Fig.5 Remote sensing monitoring map of summer maize growth in late July and late August 2012

3 結論和討論

河南省地處溫暖帶和亞熱帶的過渡帶，境內具有平原、丘陵山地和盆地等多種地貌類型，全省各地在天氣氣候條件和地理環(huán)境條件等諸方面的差異，深刻地影響著玉米的生長發(fā)育和高產穩(wěn)產.同時，不同地區(qū)根據當地氣候條件播種期也有所差異，導致同一時期玉米可能處于不同的生育時期，對河南省整個區(qū)域采用同一種玉米苗情等級指標的話，會導致某些自然條件較差的地區(qū)或播種期較晚的地區(qū)監(jiān)測結果三類苗偏多.以往針對作物長勢指標的研究多側重于指標本身的適用性分析和遙感植被指數的比較上，極少有學者進行指標的分區(qū)研究.本研究通過把河南省劃分為4個不同的玉米遙感生態(tài)分區(qū)，對處于不同生育時期的不同區(qū)域采用不同指標劃分夏玉米苗情等級，提高了夏玉米長勢的監(jiān)測精度，實現了快速對夏玉米大面積長勢進行監(jiān)測.基于本研究所得到的夏玉米遙感監(jiān)測指標，利用2012年MODIS 遙感資料對河南省夏玉米苗情進行研究，監(jiān)測結果和實際情況非常一致，表明本研究所得的夏玉米遙感監(jiān)測指標是可行的.

由于研究時間相對較短，還存在以下幾個問題需要深入研究:一是觀測數據能反映夏玉米長勢的農學指標較少，文中用到的只有葉面積指數，今后可以增加單株生物量、株高等農學參數，以更好地反映夏玉米群體長勢;二是文中用到的分區(qū)還不夠精細，今后可以進一步分為多個亞區(qū)，使遙感應用不僅能夠實現大面積監(jiān)測，還能夠實現相對精細化監(jiān)測;三是本研究只對夏玉米長勢進行了研究，沒有把當前苗情和最終產量聯(lián)系起來進行研究，今后會在這方面進行深入研究.

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