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氮素脅迫下寒地玉米高光譜特征研究

王樹文，趙珊，張長利，董守田，趙越，王麗鳳，邢晨

（東北農(nóng)業(yè)大學(xué)電氣與信息學(xué)院，哈爾濱150030）

摘要：利用高光譜近地遙感技術(shù)，采集不同氮素水平下的不同生育期的寒地玉米冠層高光譜圖像，采用ENVI軟件提取玉米冠層的光譜反射率。結(jié)果表明，不同氮素水平下寒地玉米冠層反射率存在較大差異，玉米“紅邊”具有雙峰現(xiàn)象，紅邊位置呈“紅移”現(xiàn)象；根據(jù)玉米冠層高光譜反射率以及紅邊位置峰值可定性區(qū)分嚴(yán)重缺氮、正常施氮和過量施氮。

關(guān)鍵詞：玉米冠層；高光譜反射率；氮素；紅邊參數(shù)

網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間2015-1-27 16:01:27

[URL]http://www.cnki.net/kcms/detail/23.1391.S.20150127.1601.015.html

王樹文,趙珊,張長利,等.氮素脅迫下寒地玉米高光譜特征研究[J].東北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào), 2015, 46(2): 89-93.

Wang Shuwen, Zhao Shan, Zhang Changli, et al. Study on hyperspectral characteristics on the corn in cold area under nitrogen stress[J]. Journal of Northeast Agricultural University, 2015, 46(2): 89-93. (in Chinese with English abstract)

玉米是我國重要的糧食產(chǎn)物，黑龍江省土壤肥沃，適宜玉米生長，玉米種植遍布全省[1]。氮是玉米生長必須的營養(yǎng)元素之一，適量的氮素對(duì)玉米的光合作用以及同化產(chǎn)物的能力提升有促進(jìn)作用。但是氮肥不合理應(yīng)用普遍，氮肥利用率的降低不僅使農(nóng)民種植作物的生產(chǎn)成本提高，造成資源浪費(fèi)，不利于農(nóng)業(yè)、經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展。目前對(duì)大豆[2-3]、水稻進(jìn)行氮肥利用的研究很多，但對(duì)寒地玉米分析研究較少。

傳統(tǒng)作物氮素診斷方法較直觀可靠，但破壞性大量采樣，費(fèi)時(shí)費(fèi)工，分析成本高，傳統(tǒng)的氮素診斷方法難以普及。近年來，高光譜遙感技術(shù)迅速發(fā)展，不僅能夠?qū)崟r(shí)精確、大范圍無損害獲得作物生長狀況及植株生化組分，為植被無損監(jiān)測(cè)提供新技術(shù)和新方法。Bunham-carter提出紅邊概念，指出紅邊參數(shù)與葉綠素之間有密切的關(guān)系[4]。王磊等經(jīng)過回歸分析和驗(yàn)證RNIR/Red與葉片氮含量，建立玉米生育前期對(duì)數(shù)模型和生育后期指數(shù)模型，作為氮素營養(yǎng)的光譜診斷模型，該模型具有較高的可靠性和穩(wěn)定性，可進(jìn)行玉米不同生育時(shí)期的氮素營養(yǎng)診斷[5]。Ciganada等通過紅邊和近紅外反射光譜的紅邊葉綠素指數(shù)檢測(cè)玉米冠層的葉綠素含量[6]。唐延林等通過大田和室內(nèi)試驗(yàn)，對(duì)玉米高光譜和紅邊特征進(jìn)行分析，測(cè)定玉米的反射光譜及葉片的葉綠素和類胡蘿卜素含量[7]。王立舒等基于模式識(shí)別的計(jì)算機(jī)視覺和圖像處理技術(shù)對(duì)大豆葉片氮元素缺失進(jìn)行無損檢測(cè)[8]。本試驗(yàn)在黑龍江省哈爾濱市方正縣設(shè)置不同氮素水平的寒地玉米試驗(yàn)小區(qū)，測(cè)定不同時(shí)期寒地玉米的冠層光譜反射率，為今后無人機(jī)遙感監(jiān)測(cè)提供理論依據(jù)。

1　材料與方法

1.1材料

1.1.1供試玉米

供試玉米為寒地玉米品種合玉20，由黑龍江省哈爾濱市方正縣水稻研究中心提供。

1.1.2供試土壤

供試土壤為大田內(nèi)作物種植土地。各理化指標(biāo)均按照參考文獻(xiàn)[9]確定。

1.2田間試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于2014年6~9月在在黑龍江省哈爾濱市方正縣進(jìn)行，以合玉20作為試驗(yàn)研究對(duì)象。在實(shí)驗(yàn)田中設(shè)置6個(gè)施肥梯度：N0（不含氮）、N1（50 kg·hm-2）、N2（70 kg·hm-2）、N3正常（純氮100 kg·hm-2）、N4（130 kg·hm-2）、N5（150 kg·hm-2）。每個(gè)水平有4個(gè)重復(fù)，共24個(gè)小區(qū)，各水平氮素小區(qū)隨機(jī)分布，使該小區(qū)分布設(shè)計(jì)氮肥梯度大，玉米長勢(shì)差異明顯[9]。試驗(yàn)開展時(shí)期分別為苗期、拔節(jié)期、抽穗-孕穗期。

1.3冠層圖像采集

高光譜成像技術(shù)是基于多個(gè)窄波段的影像數(shù)據(jù)技術(shù)，在遙感探測(cè)領(lǐng)域有突出的應(yīng)用。高光譜遙感側(cè)重從光譜維角度對(duì)遙感信息展開和定量分析，對(duì)植被組分中的非光合作用組分測(cè)量和分離易實(shí)現(xiàn)[10]，因此通過高光譜遙感定量分析植被化學(xué)成分、監(jiān)測(cè)因大氣和環(huán)境變化導(dǎo)致的植物功能改變可實(shí)現(xiàn)。而高光譜遙感已廣泛應(yīng)用于作物類型識(shí)別研究[11]。

試驗(yàn)采用美國Headwall公司高光譜推掃式相機(jī)的室外平臺(tái)。試驗(yàn)選擇在天氣晴朗無云或少云時(shí)進(jìn)行，測(cè)量時(shí)間為10: 00~13:00。在所選擇的大田觀測(cè)點(diǎn)進(jìn)行圖像采集，相機(jī)高于玉米70~80 cm，俯仰角度為45°~60°。為消除部分噪聲的影響，在進(jìn)行圖像采集前，進(jìn)行白板校正以及暗電流校正。合玉20在苗期N1水平下拍攝采集到的大田試驗(yàn)高光譜圖像見圖1。

1.4冠層光譜分析

利用ENVI軟件，對(duì)采集到的玉米冠層高光譜圖像進(jìn)行處理。分別提取不同氮素水平下包含20個(gè)像素的感興趣區(qū)域（ROI），處理并分析得到在相應(yīng)波長下ROI的反射率平均值。繪制不同氮素水平下、不同時(shí)期玉米的冠層光譜反射值曲線。

圖1　合玉20在苗期N1水平下高光譜圖像Fig. 1　Hyperspectral image of the corn at seeding stage under N1 level

2　結(jié)果與分析

隨著施氮量增加，葉片葉綠素含量在每個(gè)生育時(shí)期均表現(xiàn)出增加趨勢(shì)，表明增施氮肥能提高葉片葉綠素含量和光合作用效率[12]。葉片氮含量與葉綠素量有相關(guān)性高，不同生育階段玉米氮含量與葉綠素含量之間影響程度，也能成為反映物質(zhì)生產(chǎn)和遙感反射光譜關(guān)系的中間樞紐[13]。

2.1不同施氮水平下玉米冠層的光譜反射率分析

由圖2~4可知，在玉米生育時(shí)期各施肥水平下玉米冠層反射光譜曲線變化趨勢(shì)表現(xiàn)出相同的規(guī)律性：綠波段（560 nm）具有明顯的反射峰，在這個(gè)反射峰左側(cè)是藍(lán)紫波段吸收峰（450 nm），向長波方向移動(dòng)，先是經(jīng)歷紅波段吸收谷（685 nm后，反射率迅速增加，到700~750 nm之后，在近紅外波段（>780 nm）形成一個(gè)較高的反射平臺(tái)。

在可見光波段，隨著氮肥施用量的增加，反射率并沒有隨著增加，而是出現(xiàn)波動(dòng)。近紅外波段光譜反射值雖然隨施肥的增加而提高，但仍出現(xiàn)反常。出現(xiàn)波動(dòng)和反常的原因包括氮肥施用太多造成浪費(fèi)，結(jié)果與正常施氮相近；缺氮導(dǎo)致葉綠素含量降低，使反射率升高；葉片氮素含量高的葉片細(xì)胞大、細(xì)胞間隙大，細(xì)胞壁的水化度較高，可見光波段的反射率低；苗期玉米覆蓋率低，受土壤和大氣影響較大，造成反射率值較大。但總體而言，可根據(jù)可見光波段定性區(qū)分嚴(yán)重缺氮和正常施氮，通過近紅外波段區(qū)分正常施氮和過量施氮。

圖2　合玉20在苗期不同氮素水平下光譜反射值曲線Fig. 2　Reflectance of the corn at seeding stage under different nitrogen levels

圖3　合玉20在拔節(jié)期不同氮素水平下光譜反射值曲線Fig. 3　Reflectance of the corn at jointing stage under different nitrogen levels

2.2不同施氮水平下玉米冠層的紅邊參數(shù)分析

植被光譜的紅邊參數(shù)主要有紅邊位置、紅邊幅值、紅邊面積，本文主要討論玉米光譜紅邊位置。紅邊位置是指在紅光范圍（680~760 nm）內(nèi)的一階導(dǎo)數(shù)光譜最大值所對(duì)應(yīng)的波長（nm）。本文一階導(dǎo)數(shù)采用差分計(jì)算，Dλ=Ri+1-Ri-1/λi+1-λi-1。決定紅邊位置的因素包括葉綠素含量以及玉米對(duì)近紅外波段的散射特性。前者可引起700 nm附近的光譜變化，后者則由玉米冠層結(jié)構(gòu)和葉片結(jié)構(gòu)等確定。紅邊位置與葉綠素a、葉綠素b、類胡蘿卜素以及葉綠素含量之間相關(guān)性顯著，達(dá)到顯著相關(guān)或極顯著相關(guān)[14]。因此紅邊位置可作為判斷氮素含量的指標(biāo)之一。

圖4　合玉20在抽穗-孕穗期不同氮素水平下光譜反射值曲線Fig. 4　Reflectance of the corn at heading-booting stage under different nitrogen levels

由圖5、6可知，玉米的紅邊位置在整個(gè)生育期內(nèi)處于710~730 nm之間。與其他綠色植物相似，玉米冠層光譜的紅邊也存在“雙峰”現(xiàn)象。隨著玉米生長，生物量的增加以及葉面積指數(shù)的增大，“雙峰”現(xiàn)象也逐漸明顯，在拔節(jié)期達(dá)到最大后，隨著玉米的成熟，葉片變黃、脫落，“雙峰”現(xiàn)象開始衰退。并且，隨著發(fā)育期，紅邊位置開始出現(xiàn)“紅移”現(xiàn)象。

由于苗期受土壤和大氣的影響較大，使得苗期的紅邊峰值高于其他時(shí)期。利用紅邊位置峰值的不同，可推斷出嚴(yán)重缺氮、正常施氮、過量施氮的小區(qū)。

圖5　玉米冠層正常施氮下不同生育時(shí)期光譜的紅邊Fig. 5　Red edge of corn at different growth stage

圖6　玉米冠層拔節(jié)期不同施氮水平下光譜的紅邊Fig. 6　Red edge of corn at jointing stage underdifferent nitrogen levels

3　討論

本試驗(yàn)對(duì)不同氮素水平下寒地玉米冠層的光譜特性進(jìn)行研究，得到以下結(jié)論：①在玉米的不同生育時(shí)期、不同施氮水平下，玉米的葉綠素含量與氮含量變化基本一致，葉綠素含量與氮含量之間的相關(guān)性顯著。②在不同施氮水平下，寒地玉米冠層光譜反射率呈現(xiàn)相同的規(guī)律性，反射率曲線變化趨勢(shì)相同。在綠波段（560 nm左右）和近紅外波段（700~750 nm）具有明顯的反射峰，在近紅外波段（>780 nm）形成一個(gè)較高的反射率平臺(tái)，玉米冠層光譜反射率為拔節(jié)期>苗期>抽穗-孕穗期。在可見光波段，反射率并沒有隨著氮肥施用量的增加而增加。而近紅外波段光譜反射值雖然隨著施肥的增加而提高，但仍然出現(xiàn)反常。但總體而言，仍然可以定性區(qū)分嚴(yán)重缺氮、正常施氮以及過量施氮。③寒地玉米的紅邊位置在710~730 nm之間，存在“雙峰”現(xiàn)象。隨著寒地玉米發(fā)育期的開始，紅邊位置出現(xiàn)“紅移”現(xiàn)象。高光譜近地遙感哈爾濱地區(qū)寒地玉米氮素營養(yǎng)的敏感波段為500~740 nm可見光波段和760~900 nm的近紅外波段。利用紅邊峰值，可以判斷區(qū)分出嚴(yán)重缺氮、正常施氮、過量施氮的小區(qū)。

本次試驗(yàn)利用美國Headwall公司的高光譜推掃式相機(jī)室外平臺(tái)及其軟件設(shè)配，同時(shí)配以數(shù)據(jù)處理方法，運(yùn)用簡單操作得到規(guī)律性的結(jié)論，為今后監(jiān)測(cè)提供條件。但是此次試驗(yàn)仍存在不足，因此不能完全掌握到寒地玉米在不同營養(yǎng)養(yǎng)分時(shí)的光譜變化規(guī)律。原因是由于植物冠層光譜特性是植物光譜與土壤光譜特性的結(jié)合，而且在測(cè)定時(shí)受到太陽輻射、氣溶膠、水蒸氣等環(huán)境因素的影響[15]，不能保證每次采集圖像時(shí)外部環(huán)境相同。另一方面，由于試驗(yàn)環(huán)境和試驗(yàn)設(shè)備的限制，采集冠層圖像時(shí)相機(jī)與玉米無法垂直，導(dǎo)致圖像傾斜和變形，不易對(duì)各個(gè)小區(qū)進(jìn)行區(qū)分，且本次試驗(yàn)缺少氮素營養(yǎng)準(zhǔn)確化學(xué)值，不能進(jìn)行進(jìn)一步的相關(guān)性分析和分類模型建立。因此，要完全掌握黑龍江哈爾濱地區(qū)寒地玉米不同氮素水平下的生長狀況，尚需進(jìn)一步試驗(yàn)和驗(yàn)證。

4　結(jié)論

通過分析玉米冠層高光譜圖像，結(jié)合所獲光譜反射率曲線以及紅邊參數(shù)曲線，能夠判斷、區(qū)分玉米含氮量，可快速、準(zhǔn)確、無損監(jiān)測(cè)寒地玉米合玉20生長狀況，為今后無人機(jī)機(jī)載高光譜反演玉米生長信息提供數(shù)據(jù)支持和科學(xué)依據(jù)。

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Study on hyperspectral characteristics on the corn in cold area under

nitrogen stress

/WANG Shuwen, ZHAO Shan, ZHANG Changli, DONG Shoutian, ZHAO Yue,

WANG Lifeng, XING Chen

(School of Electric and Information, Northeast Agricultural University, Harbin 150030, China)

Abstract:Using hyperspectral remote sensing technology, experiments were set up in fields to collect different growth period hyperspectral images of maize canopy under different nitrogen levels and reflectance of corn canopy is extracted by ENVI software. The results showed that there were differences in different nitrogen levels for reflectance of corn canopy. There were "two peaks" phenomena for the red edge of canopy spectra of corn. There were "red shift" phenomena for the position of red edge. According to the maize hyperspectral reflectance and the peak of red edge position, it could be qualitatively distinguished for seriously deficient in nitrogen and normal nitrogen and excess nitrogen.

Key words:corn canopy; hyperspectral reflectance; nitrogen; red edge parameter

作者簡介：王樹文（1975-），男，副教授，博士，碩士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)楦吖庾V技術(shù)應(yīng)用。E-mail: wswtr@163. com

基金項(xiàng)目：國家“863”項(xiàng)目（AA2013102303）；黑龍江省博士后科研啟動(dòng)基金（LBH-Q13022）；東北農(nóng)業(yè)大學(xué)研究生科技創(chuàng)新基金（yjscx14003）；黑龍江省教育廳科技項(xiàng)目（12521038）

收稿日期：2014-03-04

文章編號(hào)：1005-9369（2015）02-0089-05

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

中圖分類號(hào)：S855.1+2