楊淑婷，張學(xué)儉，李 季，海云瑞

(1 寧夏農(nóng)林科學(xué)院農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)與信息技術(shù)研究所，銀川 750002； 2 北京師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)部，北京 100875)

近年來(lái)，農(nóng)業(yè)遙感技術(shù)快速發(fā)展，在農(nóng)田信息監(jiān)測(cè)、作物種植面積獲取、農(nóng)業(yè)災(zāi)害監(jiān)測(cè)、作物品種辨別、長(zhǎng)勢(shì)和產(chǎn)量估測(cè)等方面發(fā)揮了重要作用[1～4]。玉米是我國(guó)三大主要糧食作物之一，目前，許多學(xué)者利用高光譜技術(shù)對(duì)玉米的生理、生態(tài)及化學(xué)性狀進(jìn)行了大量的研究。如：陳國(guó)慶等分析了在不同氮肥處理下的普通玉米與超高產(chǎn)夏玉米的冠層高光譜特性[5]；劉冰峰、金梁等對(duì)玉米葉片全氮含量與原始光譜反射率、光譜反射率一階微分以及部分高光譜特征參數(shù)進(jìn)行回歸擬合，構(gòu)建了玉米氮素高光譜遙感估算模型[6，7]；Ceccato等利用綠邊、紅邊葉綠素指數(shù)和光譜反射率比值實(shí)現(xiàn)了玉米產(chǎn)量預(yù)測(cè)[8]；吳長(zhǎng)山等通過(guò)對(duì)玉米和水稻反射光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行倒數(shù)光譜分析和“紅邊”位置分析，提出可以利用群體植被的反射光譜估算葉綠素密度[9]。

連續(xù)統(tǒng)去除法由Clark等提出，定義為逐點(diǎn)直線連接隨波長(zhǎng)變化的吸收或反射凸出的峰點(diǎn)，并使折線在峰值點(diǎn)上的外角大于 180°，又稱為包絡(luò)線去除[10]。該方法是一種分析礦物高光譜數(shù)據(jù)處理的常用方法，可有效突出反射率光譜的吸收和反射特征，并將光譜反射率歸一化到0～1之間，有利于區(qū)分與其他的光譜曲線特征，從而提取出敏感波段[11]。近年來(lái)，部分學(xué)者將應(yīng)用在礦物高光譜分析的連續(xù)統(tǒng)去除法延伸到作物光譜特征研究中。楊可明等利用連續(xù)統(tǒng)去除法去除冠層吸收特征的光譜特征來(lái)區(qū)分作物的成分[12]。安如等利用連續(xù)統(tǒng)去除法對(duì)草地植被光譜反射曲線進(jìn)行處理，提取典型草地植被光譜特征，準(zhǔn)確識(shí)別藏蒿草和小蒿草優(yōu)勢(shì)種，取得了較好的效果[13]。研究結(jié)果表明，連續(xù)統(tǒng)去除法可以有效去除光譜噪聲，凸顯地物光譜特異性，因此，選用連續(xù)統(tǒng)去除法進(jìn)行玉米光譜特征分析具有一定的理論依據(jù)。

目前，不同玉米品種在不同生育期的光譜研究少見(jiàn)報(bào)道。筆者在玉米關(guān)鍵生育期的吐絲期(7月12日)和灌漿期(7月30日)測(cè)定玉米冠層光譜反射率數(shù)據(jù)，利用連續(xù)統(tǒng)去除法對(duì)綠峰、紅谷、近紅外波段范圍進(jìn)行光譜分析，提取玉米冠層反射光譜特征參數(shù)(包括吸收峰總面積、最大吸收深度、對(duì)稱度、左面積、右面積、面積歸一化最大吸收深度)，利用提取的特征參數(shù)構(gòu)建光譜差異性指數(shù)，對(duì)不同品種玉米的光譜差異性進(jìn)行定量分析，旨在為農(nóng)作物營(yíng)養(yǎng)診斷、產(chǎn)量估算等研究提供技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)區(qū)位于寧夏回族自治區(qū)吳忠市同心縣丁塘鎮(zhèn)何草溝村揚(yáng)黃灌區(qū)玉米綠色增產(chǎn)增效試驗(yàn)示范區(qū)(105°50′18″E，37°3′16″N)。該地海拔高度1344 m，屬典型的溫帶大陸性氣候，四季分明，降水少且集中，日照充足，晝夜溫差大，年均降水量270～320 mm，玉米生育期內(nèi)平均溫度在19℃以上，日照時(shí)數(shù)可達(dá)1600 h左右[14，15]。試驗(yàn)地土壤為沙壤土，肥力均勻，灌排方便，pH 8.36，有機(jī)質(zhì)6.0 g/kg，有效磷4.3 mg/kg，速效鉀340 mg/kg，全氮0.44 g/kg。試驗(yàn)材料采用相同的田間管理措施。

1.2 試驗(yàn)材料

玉米品種為KWS9384、迪卡517(DK517)和富友968(FY968)。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2018年5月14日播種，采用春玉米單種方式，隨機(jī)區(qū)組排列，每品種種植20～24行，行長(zhǎng)7.0 m，株距0.22 m，行距0.5 m，密度8株/m2。試驗(yàn)田適時(shí)中耕、除草、防治病蟲害，并根據(jù)降水與玉米生長(zhǎng)情況，分別于5～8月灌水，在9月下旬適期收獲。

1.4 數(shù)據(jù)獲取與處理

利用美國(guó)ASD便攜式地物波譜儀FieldSpec 4，分別于7月12日(吐絲期)、7月30日(灌漿初期)采集玉米的冠層反射光譜，波段測(cè)量范圍為350～2500 nm，350～1000 nm波段范圍內(nèi)的分辨率為3 nm，1000～2500 nm波段范圍內(nèi)的分辨率為10 nm，采樣間隔約為1 nm。光譜采集時(shí)間為10∶30～14∶30。每個(gè)小區(qū)選取有代表性的觀測(cè)點(diǎn)5個(gè)，重復(fù)測(cè)定2次，取其平均值作為該小區(qū)光譜反射值。測(cè)量過(guò)程中，光譜儀探頭垂直向下觀測(cè)，每測(cè)完一個(gè)小區(qū)，均進(jìn)行參考版校正。

采用Savitzky-Golay(S-G)濾波法進(jìn)行濾波去噪處理，采用python編程語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)。

1.5 光譜數(shù)據(jù)連續(xù)統(tǒng)處理

對(duì)經(jīng)過(guò)S-G濾波處理后的光譜反射率數(shù)據(jù)利用ENVI5.5軟件進(jìn)行連續(xù)統(tǒng)去除光譜信息提取。計(jì)算公式：

Scr=R/Rc

(1)

式中：Scr—連續(xù)統(tǒng)去除光譜反射率，值域?yàn)閇0，1]，其大小表征了光譜細(xì)微特性的強(qiáng)弱；R—原始光譜反射率；Rc—連續(xù)統(tǒng)包絡(luò)線反射率。

玉米冠層反射率光譜經(jīng)連續(xù)統(tǒng)去除后提取如下特征參數(shù)：1)吸收峰總面積A：起始和終止波長(zhǎng)內(nèi)的波段深度的積分；2)最大吸收深度Dh：吸收峰的最大吸收值；3)對(duì)稱度S：吸收峰左面積和右面積的比值；4)左面積A1：總面積中最大吸收深度以左的面積；5)右面積A2：總面積中最大吸收深度以右的面積；6)面積歸一化最大吸收深度：最大吸收深度與吸收峰總面積的比值。

1.6 光譜特征差異性指數(shù)

玉米光譜反射率差異性指數(shù)，即測(cè)量相同時(shí)間內(nèi)不同品種玉米的發(fā)射率。計(jì)算公式：

(2)

式 中：DLiy為不同玉米品種在波長(zhǎng)為i時(shí)的光譜數(shù)據(jù)差異性指數(shù)；Rix和Riy分別為不同玉米品種在波長(zhǎng)為i時(shí)的光譜反射率值。x，y分別代表不同玉米品種，在本文中分別指KWS9384、迪卡517、富友968。

2 結(jié)果與分析

2.1 玉米關(guān)鍵生育期光譜分析

2.1.1 S-G濾波光譜與連續(xù)統(tǒng)去除光譜特征分析

在吐絲期，3個(gè)品種的光譜在690～1000 nm處差異較為明顯。在綠色波峰(535 nm)附近，F(xiàn)Y968光譜反射率略低于DK517及KWS9384。在灌漿初期，光譜反射率逐漸減小，在760～980 nm處，F(xiàn)Y968與KWS9384、DK517差異明顯(圖1)。在770 nm附近，冠層光譜反射率達(dá)到第一個(gè)峰值，在藍(lán)光470 nm 和紅光650 nm形成的2個(gè)吸收谷形成“雙谷”結(jié)構(gòu)，在綠光(540 nm)處形成綠峰(圖2)。

2.1.2 S-G濾波光譜與連續(xù)統(tǒng)去除光譜差異性指數(shù)分析

利用式(2)計(jì)算不同玉米品種冠層光譜反射率差異性指數(shù)(表1、表2)。結(jié)果顯示：1)濾波光譜反射率差異性指數(shù)值最高出現(xiàn)在7月12日波長(zhǎng)658 nm處，最大值0.8461。根據(jù)3個(gè)品種濾波光譜差異值可以看出，DK517與KWS9384和FY968在7月12日差異顯著；KWS9384與DK517和FY968在7月30日差異顯著。2)連續(xù)統(tǒng)去除光譜反射率差異性指數(shù)值最高出現(xiàn)在7月30日波長(zhǎng)658 nm處，最大值0.4772，在近紅外區(qū)764 nm處差異不明顯。由表1和表2可以看出：濾波光譜和連續(xù)統(tǒng)去除光譜反射率差異性最大的波長(zhǎng)位置均處于658 nm處。因此，本文重點(diǎn)探討530～780 nm葉綠素吸收谷的吸收特性，分析不同品種連續(xù)統(tǒng)去除光譜差異性。

圖1 不同品種玉米S-G光譜曲線

圖2 不同品種玉米連續(xù)統(tǒng)去除光譜曲線

表1 不同玉米品種濾波反射率差異性指數(shù)

表2 不同玉米品種連續(xù)統(tǒng)去除反射率差異性指數(shù)

2.2 連續(xù)統(tǒng)去除法光譜特征參數(shù)分析

在530～780 nm波段范圍內(nèi)，對(duì)連續(xù)統(tǒng)去除光譜反射率提取特征參數(shù)(表3)，結(jié)果顯示：吸收峰總面積、左面積和右面積，同一玉米品種在不同生育期差異明顯，其中，KWS9384和DK517特征指數(shù)隨生育期遞增而增大，在同一生育期內(nèi)不同品種光譜差異較為明顯，表現(xiàn)為KWS9384>DK517>FY968；對(duì)于最大吸收深度值，各品種在同一生育期差異也較為明顯，在7月12日，DK517最大吸收深度值最大，具體表現(xiàn)為DK517>FY968>KWS9384，在7月30日，F(xiàn)Y968最大吸收深度值最大，具體表現(xiàn)為FY968>DK517>KWS9384；對(duì)于對(duì)稱度值，不同玉米品種在同一生育期也有較大差異，同一品種在不同生育期隨時(shí)間遞增而增大；對(duì)于面積歸一化最大吸收深度值，特征最大值僅為0.088，同一玉米品種在不同生育期和不同玉米品種在相同生育期差異性較小。

表3 不同玉米品種連續(xù)統(tǒng)去除光譜特征參數(shù)

2.3 連續(xù)統(tǒng)去除光譜特征參數(shù)差異性指數(shù)分析

利用式(2)計(jì)算光譜特征差異性指數(shù)，結(jié)果顯示(表4)：1)在吐絲期(7月12日)，KWS9384和FY968總面積差異性指數(shù)、左面積差異性指數(shù)、面積歸一化最大吸收深度差異性指數(shù)值最大，分別為0.2529、0.3238、0.3706；2)在灌漿期(7月30日)，KWS9384和FY968總面積差異性指數(shù)值、左面積差異性指數(shù)、右面積差異性指數(shù)值、面積歸一化最大吸收深度差異性指數(shù)均較大，分別為0.3965、0.3331、0.4080、0.7649。在不同生育期的吸收深度差異性指數(shù)值均比較小，最大值僅為0.06。除吸收深度差異性指數(shù)及右面積差異性指數(shù)外，其他4個(gè)差異性指數(shù)均可以反應(yīng)不同品種玉米冠層光譜差異性。

表4 不同玉米品種連續(xù)統(tǒng)去除特征參數(shù)差異性指數(shù)

3 結(jié)論與討論

本文選取KWS9384、迪卡517和富友968等3個(gè)玉米品種在玉米關(guān)鍵生育期吐絲期(7月12日)和灌漿期(7月30)，測(cè)定冠層光譜，利用Savizky-Golay平滑濾波法對(duì)不同玉米品種350～1300 nm冠層反射率光譜進(jìn)行平滑處理，對(duì)經(jīng)過(guò)S-G濾波處理后的不同品種玉米反射率光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行連續(xù)統(tǒng)去除光譜信息提取。在此基礎(chǔ)上，建立玉米濾波光譜反射率差異性指數(shù)和連續(xù)統(tǒng)去除光譜特征差異性指數(shù)，分析玉米品種 KWS9384、迪卡519和富友968的光譜差異性，得出如下結(jié)論：

(1)建立的玉米高光譜反射率差異性指數(shù)和連續(xù)統(tǒng)去除差異性指數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)不同玉米品種冠層光譜反射率定量化描述。

(2)玉米反射率差異性指數(shù)能夠反應(yīng)不同玉米品種光譜差異性，濾波光譜和連續(xù)統(tǒng)去除光譜反射率差異性最大的波長(zhǎng)位置均處于紅波段658 nm處，最大值分別為0.8461和0.4772，在近紅外區(qū)764 nm處差異不明顯。

(3)吐絲期面積差異性指數(shù)、左面積差異性指數(shù)、面積歸一化最大吸收深度差異性指數(shù)值較大；灌漿期總面積差異性指數(shù)值、左面積差異性指數(shù)、右面積差異性指數(shù)值、面積歸一化最大吸收深度差異性指數(shù)均較大；吐絲期和灌漿期吸收深度差異性指數(shù)值均比較小。因此，除吸收深度差異性指數(shù)及右面積差異性指數(shù)外，其他4個(gè)差異性指數(shù)均可以反應(yīng)不同品種玉米冠層光譜差異性。

目前，農(nóng)業(yè)高光譜遙感技術(shù)在農(nóng)作物生理生化參數(shù)反演、農(nóng)情監(jiān)測(cè)等方面研究取得了豐碩成果，但是已有研究多是基于各種參量間的統(tǒng)計(jì)回歸進(jìn)行分析，對(duì)作物光譜機(jī)理研究較少。本文開(kāi)展玉米吐絲期和灌漿期不同品種冠層光譜特征研究具有一定局限性，未來(lái)還需研究玉米全生長(zhǎng)周期內(nèi)各階段冠層光譜反射率差異性，以揭示玉米生長(zhǎng)全過(guò)程冠層光譜變化特征及機(jī)理，為玉米精準(zhǔn)識(shí)別、營(yíng)養(yǎng)診斷等提供技術(shù)支撐，推動(dòng)高光譜遙感在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用[16，17]。