楊海波，李 淵，尹 航，李 斐

基于新組合光譜指數(shù)的馬鈴薯植株氮含量遙感估測①

楊海波，李 淵，尹 航，李 斐*

(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)草原與資源環(huán)境學(xué)院，內(nèi)蒙古自治區(qū)土壤質(zhì)量與養(yǎng)分資源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，農(nóng)業(yè)生態(tài)安全與綠色發(fā)展自治區(qū)高等學(xué)校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，呼和浩特 010011)

如何利用衛(wèi)星搭載的常規(guī)通道藍(lán)光(B)、綠光(G)、紅光(R)和近紅外(NIR)實(shí)現(xiàn)作物氮素營養(yǎng)診斷對于區(qū)域氮素優(yōu)化管理及氮素循環(huán)估測具有重要意義。本研究以2014—2016年在內(nèi)蒙古陰山北麓武川縣和四子王旗布置的多年多點(diǎn)不同氮水平的田間試驗(yàn)為基礎(chǔ)，通過冠層高光譜儀tec5采集馬鈴薯關(guān)鍵生育期塊莖形成期、塊莖膨大期和淀粉積累期植株冠層光譜數(shù)據(jù)，利用衛(wèi)星通道的波段響應(yīng)函數(shù)模擬GF-2(GF)和Sentinel 2A(S)衛(wèi)星光譜反射率，通過波段優(yōu)化和指數(shù)組合計(jì)算波段優(yōu)化歸一化及其組合多光譜指數(shù)，構(gòu)建基于多光譜指數(shù)的馬鈴薯植株氮素含量估測模型，并用田塊數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證。研究結(jié)果表明，敏感波段的提取對衛(wèi)星通道的準(zhǔn)確篩選具有指導(dǎo)意義，基于中心敏感波段篩選的綠光(G)和藍(lán)光(B)通道計(jì)算的優(yōu)化多光譜指數(shù)GF-GBNDSI和S-GBNDSI與馬鈴薯植株氮素含量的線性擬合決定系數(shù)(2)最高，分別為0.41和0.38。GBNDSI分別與NDVI和GNDVI組合得到的多光譜指數(shù)GBNDSI/NDVI和GBNDSI/GNDVI能夠顯著提高對馬鈴薯植株氮素含量的解釋能力，其中GF-GBNDSI/NDVI和GF-GBNDSI/ GNDVI與馬鈴薯植株氮素含量的線性擬合2分別為0.57和0.56；S-GBNDSI/NDVI和S-GBNDSI/GNDVI與馬鈴薯植株氮素含量的線性擬合2分別為0.54和0.55。與紅邊(red edge，RE)多光譜指數(shù)相比，GBNDSI/NDVI和GBNDSI/GNDVI不僅克服了大部分高分辨率衛(wèi)星缺乏紅邊通道的缺點(diǎn)，而且能夠達(dá)到與紅邊多光譜指數(shù)REBNDSI/NDVI(2=0.53)和REBNDSI/GNDVI(2=0.59)基本相當(dāng)?shù)墓罍y建模能力，并在模擬的田塊數(shù)據(jù)中到了良好的驗(yàn)證。S-GBNDSI/NDVI估測模型的均方根誤差和平均相對誤差分別為0.40%、10.48%；GF-GBNDSI/NDVI估測模型的均方根誤差和平均相對誤差分別為0.39%、10.06%。鑒于目前大多數(shù)高分辨率衛(wèi)星，尤其是國產(chǎn)系列衛(wèi)星缺乏紅邊通道，基于常規(guī)通道構(gòu)建的優(yōu)化光譜指數(shù)GBNDSI/NDVI和GBNDSI/GNDVI在作物植株氮素含量監(jiān)測上更具備推廣應(yīng)用的價值。

馬鈴薯；氮素含量；光譜指數(shù)；衛(wèi)星遙感

遙感技術(shù)被廣泛應(yīng)用于作物營養(yǎng)診斷和長勢監(jiān)測，已成為精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)管理決策系統(tǒng)的重要組成部分[1-2]。其中光譜指數(shù)作為最重要的遙感參數(shù)，在植被理化指標(biāo)的反演應(yīng)用中已被廣泛認(rèn)可[3-5]。近地面遙感雖然具有更高的估測精度，但很難在區(qū)域尺度上進(jìn)行大面積監(jiān)測[6-7]。隨著高空間分辨率多通道衛(wèi)星數(shù)據(jù)越來越容易獲取，大面積反演作物冠層參數(shù)已成為現(xiàn)實(shí)[8-10]。這些高分辨率的衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)將為大面積作物監(jiān)測提供平臺，有效利用這些數(shù)據(jù)是實(shí)現(xiàn)田塊尺度監(jiān)測向區(qū)域尺度發(fā)展的關(guān)鍵[11-12]。

在農(nóng)田氮素營養(yǎng)監(jiān)測過程中，快速獲取植株氮素營養(yǎng)狀況是匹配土壤氮素供應(yīng)和植株氮素吸收的關(guān)鍵。因此快速準(zhǔn)確獲取植株氮素營養(yǎng)狀況對指導(dǎo)農(nóng)田氮素管理十分重要。前人基于中高分辨率衛(wèi)星影像的研究發(fā)現(xiàn)，盡管藍(lán)光(B)、綠光(G)、紅光(B)和近紅外(NIR)波段能夠用于植株吸氮量、氮營養(yǎng)指數(shù)等氮素營養(yǎng)指標(biāo)的監(jiān)測，但是估測精度有待進(jìn)一步提高[13-15]。大量研究表明，紅邊(red edge，RE)波段是植株氮素營養(yǎng)診斷的敏感波段，能夠改善氮素含量較高時光譜指數(shù)“飽和”現(xiàn)象，提高氮素營養(yǎng)診斷的精度[16]。Eitel等[17-18]在使用模擬具有紅邊通道的衛(wèi)星數(shù)據(jù)對小麥氮素營養(yǎng)估測中發(fā)現(xiàn)，基于紅邊波段構(gòu)建的光譜指數(shù)在氮素含量和葉綠素含量估測中表現(xiàn)更佳，而且與傳統(tǒng)歸一化光譜指數(shù)(NDVI)和綠光歸一化光譜指數(shù)(GNDVI)相比，基于紅邊的歸一化光譜指數(shù)(NDRE)能夠更好地識別氮素脅迫[17-18]。紅邊指數(shù)在估測植株氮素水平以及葉面積指數(shù)方面明顯好于基于紅光建立的光譜指數(shù)[19-21]。然而，目前部分在軌的中高分辨率衛(wèi)星并不具備紅邊通道，尤其是近些年我國發(fā)射的GF系列衛(wèi)星。因此，如何充分發(fā)揮衛(wèi)星常規(guī)通道(非紅邊通道)在光譜氮素營養(yǎng)診斷上的價值，進(jìn)而打破紅邊通道限制，對于衛(wèi)星遙感在農(nóng)田氮素營養(yǎng)診斷中的應(yīng)用具有重要研究價值。

光譜指數(shù)是農(nóng)田氮素遙感診斷常用的指標(biāo)之一，其中，基于簡單歸一化算法計(jì)算的歸一化光譜指數(shù)是目前應(yīng)用最為廣泛的光譜指數(shù)，對于反映植被信息和活力具有重要作用[22-23]，被廣泛應(yīng)用于區(qū)域和全球尺度的農(nóng)情遙感速報系統(tǒng)[24-27]。為探究衛(wèi)星常規(guī)通道在馬鈴薯植株氮素含量中的估測能力，本研究利用地面實(shí)測馬鈴薯冠層反射率數(shù)據(jù)對衛(wèi)星常規(guī)和紅邊通道光譜反射率進(jìn)行模擬，通過波段優(yōu)化和指數(shù)組合算法對衛(wèi)星常規(guī)通道計(jì)算的歸一化光譜指數(shù)進(jìn)行改進(jìn)。目的是打破紅邊通道限制，提高未搭載紅邊通道的常規(guī)高分辨率衛(wèi)星對馬鈴薯植株氮素含量的估測精度，改善衛(wèi)星常規(guī)通道估測馬鈴薯植株氮素含量的普適性，為常規(guī)通道衛(wèi)星在馬鈴薯植株氮素含量遙感應(yīng)用中提供理論和技術(shù)支持。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

馬鈴薯田間試驗(yàn)于2014—2016年布置在我國內(nèi)蒙古呼和浩特市武川縣和四子王旗。2014年試驗(yàn)地點(diǎn)位于武川縣大豆鋪鄉(xiāng)，供試馬鈴薯品種為克新1號，共設(shè)置6個氮肥施用量，分別為N 0、83、135、165、180、250 kg/hm2。2015年試驗(yàn)地點(diǎn)位于武川縣上禿亥鄉(xiāng)，馬鈴薯品種為夏坡蒂，共設(shè)置6個氮肥梯度，分別為N 0、90、144、180、270、424 kg/hm2。2016年試驗(yàn)地點(diǎn)位于四子王旗忽雞圖鄉(xiāng)，馬鈴薯品種為荷蘭14，氮水平為N 0、180、350 kg/hm2。每個處理設(shè)置4次重復(fù)，2014年和2015年試驗(yàn)田小區(qū)面積為81 m2，2016年試驗(yàn)田小區(qū)面積為108 m2，各小區(qū)除氮肥用量不同外，其他田間管理措施與當(dāng)?shù)匾恢隆?/p>

1.2 光譜數(shù)據(jù)的采集

于馬鈴薯關(guān)鍵生長時期：苗期、塊莖形成期、塊莖膨大期和淀粉積累期，在不同氮肥梯度小區(qū)隨機(jī)選取長勢均勻的馬鈴薯兩壟，長度4 ～ 6 m，面積7.2 ～ 10.8 m2，利用德國斯派克公司生產(chǎn)的tec5高光譜儀掃描獲得選擇區(qū)域馬鈴薯冠層光譜數(shù)據(jù)。tec5高光譜儀的測量頭由兩個光學(xué)部分組成，其中頂端部分用于測量入射光作為參考，與頂端部分相連的下半部分用于記錄來自植被和地面的反射光。傳感器具有256個波段，光譜檢測范圍為300 ～ 1 150 nm，光譜分辨率為1.4 nm。高光譜數(shù)據(jù)采集時選擇晴朗無風(fēng)或微風(fēng)天氣，測定時間在10:00—14:00，光譜儀探頭垂直馬鈴薯冠層，高度控制在50 ～ 80 cm，掃描時扣動扳機(jī)，獲取的光譜數(shù)據(jù)自動存入連接的電腦中，用于馬鈴薯植株氮素含量估測模型的構(gòu)建。同時采集試驗(yàn)田周邊農(nóng)田馬鈴薯冠層光譜數(shù)據(jù)用于后續(xù)模型驗(yàn)證。為探究衛(wèi)星搭載的可見光和近紅外通道的馬鈴薯植株氮素含量估測能力，本研究在模擬衛(wèi)星光譜反射率時選取的高光譜波段范圍為400 ～ 900 nm。

1.3 植株樣品采集與測定

馬鈴薯冠層光譜數(shù)據(jù)采集完成后，隨機(jī)選取探頭掃描區(qū)域長勢均勻的馬鈴薯植株1 m樣段，取地上部植株并稱鮮重、切碎混勻后取400 ～ 600 g樣品帶回實(shí)驗(yàn)室，在烘箱中105 ℃殺青，調(diào)溫至70 ℃下烘至恒重，烘干后將樣品全部粉碎、混勻，經(jīng)H2SO4- H2O2消煮后，凱氏法進(jìn)行全氮含量(以質(zhì)量分?jǐn)?shù)計(jì))的測定。

1.4 衛(wèi)星通道介紹

衛(wèi)星遙感獲得的多光譜數(shù)據(jù)對大尺度遙感監(jiān)測和應(yīng)用具有重要意義。利用地面實(shí)測植被冠層高光譜反射率和衛(wèi)星波段響應(yīng)函數(shù)來模擬衛(wèi)星多光譜反射率是借助地面高光譜數(shù)據(jù)研究衛(wèi)星遙感的常用方法，前人研究表明該方法模擬的衛(wèi)星光譜反射率與衛(wèi)星實(shí)測光譜反射率高度一致[28-29]。因此，本研究以國產(chǎn)GF-2和歐洲Sentinel-2A兩個高分辨率衛(wèi)星為例，利用地面實(shí)測高光譜數(shù)據(jù)模擬衛(wèi)星光譜反射率，進(jìn)而探究寬波段條件下歸一化光譜指數(shù)對馬鈴薯植株氮素含量的定量估測能力。GF-2衛(wèi)星搭載4個多光譜通道：藍(lán)光(B) 450 ～ 520 nm，綠光(G) 520 ～ 590 nm，紅光(R) 630 ～ 690 nm，近紅外(NIR) 770 ～ 890 nm。Sentinel-2A衛(wèi)星共搭載13個多光譜通道，本研究選擇可見光和近紅外波段的5個通道，分別為：藍(lán)光(B) 458 ～ 523 nm，綠光(G) 543 ～ 578 nm，紅光(R) 650 ～ 680 nm，紅邊(RE) 698 ～ 712 nm，近紅外(NIR)785 ～ 900 nm。

1.5 衛(wèi)星寬波段光譜反射率模擬

本研究利用國產(chǎn)GF-2和歐洲Sentinal-2A衛(wèi)星波段響應(yīng)函數(shù)，將地面實(shí)測馬鈴薯冠層高光譜數(shù)據(jù)重采樣為1 nm，通過公式(1)模擬多光譜衛(wèi)星藍(lán)、綠、紅、近紅外和紅邊波段光譜反射率[29]。

式中：為模擬寬波段衛(wèi)星的光譜反射率；λmin、λmax為傳感器光譜探測的起始和終止波長；S為衛(wèi)星傳感器在波長處的光譜響應(yīng)函數(shù)值；R為馬鈴薯冠層光譜在波長處的反射率。

模擬具有紅邊通道的Sentinal-2A和國產(chǎn)常規(guī)通道高分辨率衛(wèi)星GF-2的光譜反射率，兩衛(wèi)星各波段傳感器的光譜響應(yīng)函數(shù)曲線見圖1。

1.6 光譜指數(shù)選擇與數(shù)據(jù)分析

本研究以歸一化光譜指數(shù)方程形式(R1–R2)/ (R1+R2)和地面實(shí)測馬鈴薯冠層高光譜反射率為基礎(chǔ)，通過波段優(yōu)化方法對比了400 ～ 900 nm范圍內(nèi)，不同波段組合計(jì)算的光譜指數(shù)與馬鈴薯植株氮素含量的擬合決定系數(shù)2，并根據(jù)2大小提取了馬鈴薯植株氮素含量的中心敏感波段，并以就近原則為依據(jù)匹配GF-2和Sentinal-2A衛(wèi)星的敏感通道，并計(jì)算通道篩選后的多光譜指數(shù)，利用比值指數(shù)組合的方法構(gòu)建新的組合光譜指數(shù)，從而進(jìn)一步提高寬波段光譜指數(shù)的估測精度。此外，以高光譜窄波段為依據(jù)，進(jìn)一步分析了衛(wèi)星波段范圍內(nèi)不同窄波段組合計(jì)算的組合光譜指數(shù)與馬鈴薯植株氮素含量相關(guān)性2的分布變化，探究了波段寬度對馬鈴薯植株氮素含量估測的影響。本研究用到的光譜指數(shù)見表1。

2 結(jié)果

2.1 基于波段優(yōu)化選擇的馬鈴薯植株氮素含量敏感波段提取

為尋找不同波段組合的優(yōu)化歸一化光譜指數(shù)NDSI(NDSI=(R2-R1)/(R2+R1))與馬鈴薯植株氮素含量的敏感波段，本研究通過組合不同波段提取了多個對馬鈴薯植株氮素含量敏感的中心波段(表2)。由圖2可以看出不同波段組合的NDSI光譜指數(shù)與馬鈴薯植株氮素含量的相關(guān)性具有顯著差異，藍(lán)光(B)、綠光(G)、紅光(R)和近紅外(NIR)波段均存在敏感波段，其中最佳波段組合為492、494 nm和434、698 nm，決定系數(shù)2均為0.62。然而衛(wèi)星通道的波段寬，相近的R1和R2波段組合并不適合衛(wèi)星通道的應(yīng)用，而差距較大的波段組合具備更好的衛(wèi)星遙感診斷潛力。因此，通過對圖2進(jìn)一步分析，初步篩選了具有應(yīng)用潛力的衛(wèi)星通道組合，GF-2衛(wèi)星為B和R、B和G通道組合；Sentinel-2A衛(wèi)星為RE(紅邊)和B、G和B，以及R和B通道組合。將篩選的具備潛力的衛(wèi)星通道與模擬的衛(wèi)星光譜反射率數(shù)據(jù)相結(jié)合，計(jì)算通道優(yōu)化光譜指數(shù)GBNDSI、RBNDSI和REBNSDI，進(jìn)而用于探究衛(wèi)星遙感估測馬鈴薯植株含量的能力。

圖1 GF-2和Sentinal-2A衛(wèi)星在400 ～ 900 nm波段搭載光譜相機(jī)通道的波段響應(yīng)函數(shù)

表1 本研究應(yīng)用的光譜指數(shù)

2.2 基于通道優(yōu)化的多光譜指數(shù)馬鈴薯植株氮素含量估測

光譜指數(shù)是植株長勢及氮素營養(yǎng)診斷的重要參數(shù)，而衛(wèi)星是將這一參數(shù)由田塊尺度提升到區(qū)域尺度的重要方式。根據(jù)中心敏感波段篩選的衛(wèi)星通道組合以及模擬的衛(wèi)星光譜反射率數(shù)據(jù)計(jì)算的歸一化光譜指數(shù)可以看出，由紅邊(RE)通道參與計(jì)算的傳統(tǒng)多光譜指數(shù)S-NDRE(“S-”表示以Sentinel-2A衛(wèi)星光譜數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，類似的“GF-”表示以GF-2衛(wèi)星光譜數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，下同)和RE與B通道相結(jié)合的通道優(yōu)化光譜指數(shù)S-REBNDSI與馬鈴薯植株氮素含量具有明顯的線性擬合趨勢(圖3 A、3F)，2分別為0.33和0.37，表現(xiàn)出了紅邊通道的優(yōu)勢。但基于NIR和G通道組合的GNDVI具有相似的效果，GF-GNDVI和S-GNDVI與馬鈴薯植株氮素含量的線性擬合決定系數(shù)2分別為0.32(圖4D)和0.35(圖3E)。表現(xiàn)最佳的是基于敏感波段篩選的由G和B通道計(jì)算得到的通道優(yōu)化多光譜指數(shù)GBNDSI，GF-GBNDSI和S- GBNDSI與馬鈴薯植株氮素含量的線性擬合決定系數(shù)2分別為0.41(圖4A)和0.38(圖3C)。而R與B通道組合雖然在窄波段中表現(xiàn)出不錯的效果，2可以達(dá)到0.58(表2)，但衛(wèi)星寬波段條件下，R與B通道組合計(jì)算的RBNDSI對馬鈴薯植株氮素含量的解釋能力顯著低于GBNDSI，并且與傳統(tǒng)的NDVI光譜指數(shù)相似，均存在植株氮素含量較高時光譜指數(shù)發(fā)生明顯的“飽和”現(xiàn)象(圖3 B、3D；圖4 B、4C)。

表2 基于窄波段的馬鈴薯植株氮素含量中心敏感波段的提取

圖2 基于波段優(yōu)化算法的NDSI光譜指數(shù)與馬鈴薯植株氮素含量的決定系數(shù)(R2)

雖然紅邊(RE)通道在估測馬鈴薯植株氮素含量上有優(yōu)勢，但是大多數(shù)衛(wèi)星并不具備紅邊通道，尤其是國產(chǎn)GF系列衛(wèi)星。而B與G通道是衛(wèi)星搭載的常規(guī)通道，且通道優(yōu)化的GBNDSI具有估測的潛力(圖3 C；圖4 A)，但是對于馬鈴薯植株氮素含量的定量遙感，其精度還有待進(jìn)一步提高。

2.3 基于指數(shù)比值組合應(yīng)用的馬鈴薯植株氮素含量估測

對于許多高分辨率衛(wèi)星，RE通道并不常見，尤其是國產(chǎn)衛(wèi)星，這些通道的缺乏對于植被氮素養(yǎng)分定量監(jiān)測具有重要影響。為了實(shí)現(xiàn)歸一化指數(shù)在衛(wèi)星上的普適性，提高基于常規(guī)B、G、R和NIR通道的馬鈴薯植株養(yǎng)分定量監(jiān)測能力，本文對GBNDSI指數(shù)進(jìn)行了改進(jìn)，通過比值計(jì)算將NDVI和GNDVI分別與GBNDSI進(jìn)行組合應(yīng)用，提出了新的組合光譜指數(shù)GBNDSI/NDVI和GBNDSI/GNDVI。從圖5可以看出，新提出的組合光譜指數(shù)GBNDSI/NDVI和GBNDSI/GNDVI與馬鈴薯植株氮素含量的相關(guān)性得到明顯提升。當(dāng)GBNDSI與NDVI進(jìn)行組合時，GF-GBNDSI/NDVI與馬鈴薯植株氮素含量的線性擬合決定系數(shù)2從0.41增加到0.57，S-GBNDSI/NDVI與馬鈴薯植株氮素含量的線性擬合決定系數(shù)2從0.38增加到0.54。與GBNDSI相比，GBNDSI/NDVI組合光譜指數(shù)將衛(wèi)星對馬鈴薯植株氮素含量的解釋能力提高了16%。當(dāng)GBNDSI與GNDVI進(jìn)行組合時，GF-GBNDSI/GNDVI與馬鈴薯植株氮素含量的線性擬合決定系數(shù)2從0.41增加到0.56，S-GBNDSI/ GNDVI與馬鈴薯植株氮素含量的線性擬合決定系數(shù)2從0.38增加到0.55。與GBNDSI相比，GBNDSI/ GNDVI組合光譜指數(shù)將衛(wèi)星對馬鈴薯植株氮素含量的解釋能力提高了15% ～ 17%。因此，改進(jìn)的組合光譜指數(shù)GBNDSI/NDVI和GBNDSI/GNDVI顯著提高了多光譜指數(shù)對馬鈴薯植株氮素含量的估測能力，對于利用衛(wèi)星常規(guī)通道來實(shí)現(xiàn)馬鈴薯植株氮素含量估測具有重要意義。

圖4 基于GF-2波段的馬鈴薯植株氮素含量估測模型

圖5 GBNDSI/NDVI和GBNDSI/GNDVI與馬鈴薯植株氮素含量的估測模型

2.4 多光譜指數(shù)估測模型的適用性

生育時期、年際、地點(diǎn)以及氮肥用量的變化會影響光譜指數(shù)估測模型的適用能力，為探究生育時期、年際、地點(diǎn)以及氮肥用量對多光譜指數(shù)馬鈴薯植株氮素含量估測模型的影響，針對不同多光譜指數(shù)進(jìn)一步分析了其與馬鈴薯植株氮素含量的擬合決定系數(shù)(2)(表3和表4)。結(jié)果表明，生育時期、年際、地點(diǎn)以及氮肥用量都會影響多光譜指數(shù)對馬鈴薯植株氮素含量的估測能力，特別是生育時期和年際變化的影響較大。但新組合光譜指數(shù)GBNDSI/NDVI和GBNDSI/GNDV在一定程度上降低了年際、地點(diǎn)和施氮量對估測模型的影響。而且相對于其他多光譜指數(shù)，新組合的光譜指數(shù)GBNDSI/NDVI和GBNDSI/ GNDV對包括生育時期、年際、地點(diǎn)和施氮量變化的融合數(shù)據(jù)集具有更好的解釋能力。

表3 基于GF-2衛(wèi)星的多光譜指數(shù)估測模型適用性分析

表4 基于Sentinel-2A衛(wèi)星的多光譜指數(shù)估測模型適用性分析

2.5 基于GBNDSI/NDVI和GBNDSI/GNDVI光譜指數(shù)的馬鈴薯植株氮素含量估測模型的驗(yàn)證

利用獨(dú)立的數(shù)據(jù)集對構(gòu)建的估測模型進(jìn)行驗(yàn)證是證明模型適用性和估測能力的重要內(nèi)容。本文采用平均相對誤差(mean relative error，MRE)和均方根誤差(root mean square error，RMSE)來評價模型在應(yīng)用過程中的估測精度，MRE和RMSE越小，說明估測精度越高。從圖6可以看出，與GBNDSI相比，改進(jìn)的組合光譜指數(shù)GBNDSI/NDVI和GBNDSI/ GNDVI估測模型的估測值與實(shí)測值離散度小，緊密分布在1∶1線周圍，驗(yàn)證精度明顯提高。其中表現(xiàn)最佳的是組合光譜指數(shù)GBNDSI/NDVI，GF-2和Sentinel-2A衛(wèi)星估測模型驗(yàn)證的MRE分別為10.06% 和10.48%，RMSE分別為0.39% 和0.40%。

圖6 基于多光譜指數(shù)的馬鈴薯植株氮素含量估測模型的驗(yàn)證

3 討論

眾所周知，衛(wèi)星通道在設(shè)計(jì)時具有一定的波段寬度，而地面高光譜數(shù)據(jù)可以同時獲取幾十甚至幾百個光譜波段，豐富的信息量使其具備精確估算作物氮素營養(yǎng)指標(biāo)的能力[9-10]。而高光譜波段能夠準(zhǔn)確提取光譜指數(shù)的敏感波段，波段優(yōu)化選擇的光譜指數(shù)對于提高估測能力具有顯著效果[34]。以中心敏感波段為依據(jù)能夠快速篩選指定光譜指數(shù)所需的衛(wèi)星通道，不僅省去最佳衛(wèi)星通道篩選的很多步驟，而且提高了多光譜指數(shù)的估測能力，這對于指導(dǎo)衛(wèi)星在馬鈴薯植株氮素含量估測應(yīng)用上具有重要價值[35]。但是窄波段光譜數(shù)據(jù)優(yōu)化結(jié)果顯示，GBNDSI和RBNDSI與馬鈴薯植株氮素含量的相關(guān)性差異不大，線性擬合的2分別為0.61和0.58 (表2)，而模擬衛(wèi)星寬波段計(jì)算結(jié)果表明GBNDSI與RBNDSI具有明顯的差異(圖3 B、3C，圖4 A、4B)。通過對衛(wèi)星通道寬度內(nèi)不同高光譜波段組合優(yōu)化光譜指數(shù)與馬鈴薯植株氮素含量的相關(guān)性分析可以看出，馬鈴薯植株氮素含量僅在一定波段寬度內(nèi)較為敏感(圖7)，而衛(wèi)星通道較大的波段寬度在很大程度上影響了光譜指數(shù)的敏感性。衛(wèi)星通道設(shè)計(jì)的固有寬度影響了多光譜指數(shù)的敏感性，因此衛(wèi)星通道的選擇、通道寬度與估測指標(biāo)敏感波段范圍的相似性都會影響多光譜對指標(biāo)的估測能力。

基于紅光通道參與計(jì)算的多光譜指數(shù)RBNDSI和NDVI對馬鈴薯植株氮素含量的估測效果明顯低于GBNDSI(圖3 B、3C，圖4 A、4B)，這與前人的研究結(jié)果一致[16,19-21]。而且多光譜指數(shù)NDVI和RBNDSI在馬鈴薯植株氮素含量較高時，存在明顯的光譜指數(shù)“飽和”現(xiàn)象(圖3 B、3D；圖4 B、4C)。植株氮素含量隨著生育時期的推進(jìn)逐漸降低，“飽和”現(xiàn)象也隨之減弱。光譜指數(shù)是幾個不同波段光譜反射率通過特定的方程計(jì)算得到的光譜參數(shù)，其目的是提高對估測指標(biāo)的響應(yīng)，降低非估測因素的干擾[36]。本研究通過波段優(yōu)化選擇方法提取馬鈴薯植株氮素含量的敏感波段，并篩選最佳通道計(jì)算歸一化多光譜指數(shù)。在通道優(yōu)化的基礎(chǔ)上通過指數(shù)組合方法改進(jìn)的光譜指數(shù)GBNDSI/NDVI和GBNDSI/GNDVI顯著提高了多光譜指數(shù)對馬鈴薯植株氮素含量的解釋能力(圖5)，這說明不同光譜指數(shù)和指數(shù)波段的選擇對指標(biāo)估測能力有顯著影響。Groten[27]及Verrelst等[37]特別指出，指數(shù)波段選擇和不同光譜指數(shù)在一定程度上決定了光譜指數(shù)的敏感性。

圖7 基于高光譜數(shù)據(jù)分析的馬鈴薯植株氮素含量敏感波段變化 (波段范圍來源于GF-2和 Sentinel-2A衛(wèi)星對應(yīng)的通道寬度)

紅邊對于作物生理指標(biāo)定量遙感的重要性已經(jīng)在很多作物中得到證實(shí)[16-17,18-20]，馬鈴薯植株氮素含量診斷同樣表現(xiàn)出紅邊優(yōu)勢(圖8)。但是對于大多數(shù)中高分辨率衛(wèi)星，紅邊通道往往是缺失的，而藍(lán)、綠、紅和近紅外光波段是最為普遍的搭載通道。本研究以最為常規(guī)的綠光、藍(lán)光、紅光和近紅外(NIR)通道為基礎(chǔ)，通過波段優(yōu)化選擇方法和指數(shù)組合方法提出了新的多光譜指數(shù)GBNDSI/NDVI和GBNDSI/GNDVI。新提出的多光譜指數(shù)在馬鈴薯植株氮素含量估測上性能優(yōu)于傳統(tǒng)的NDRE和NDRE/NDVI光譜指數(shù)(圖5、圖3 F、圖8 A)，與優(yōu)化的REBNDSI/NDVI和REBNSDI/GNDVI估測能力基本相當(dāng)(圖5、圖8 B、8C)，但是GBNDSI/NDVI和GBNDSI/GNDVI克服了目前大多數(shù)中高分辨率衛(wèi)星，尤其是國產(chǎn)GF衛(wèi)星缺少紅邊通道的劣勢，提高了利用常規(guī)通道估測馬鈴薯植株氮素含量的能力。而且，紅邊波段范圍較窄，而藍(lán)綠光敏感波段寬度明顯寬于紅邊(圖9)，這為衛(wèi)星通道應(yīng)用提供了更大的價值。因此無論是從波段寬度還是衛(wèi)星通道適用性上來說，GBNDSI/NDVI和GBNDSI/GNDVI在馬鈴薯植株氮素含量估測上都更具有普適性。

圖8 基于紅邊通道的組合多光譜指數(shù)與馬鈴薯植株氮素含量的估測模型

圖9 基于高光譜數(shù)據(jù)的藍(lán)綠光和紅邊敏感波段寬度對比(藍(lán)綠光和紅邊波段范圍來源于Sentinel-2A衛(wèi)星通道寬度)

4 結(jié)論

基于高光譜數(shù)據(jù)，有助于衛(wèi)星遙感敏感通道的準(zhǔn)確篩選，然而特定反演指標(biāo)的敏感波段寬度范圍大小在一定程度上決定了衛(wèi)星通道的潛在應(yīng)用價值。通過模擬衛(wèi)星常規(guī)綠光(G)、藍(lán)光(B)、紅光(R)和近紅外(NIR)通道改進(jìn)的組合指數(shù)GBNDSI/NDVI和GBNDSI/GNDVI，能夠顯著提高馬鈴薯植株氮素含量的估測能力，達(dá)到與紅邊多光譜指數(shù)基本一致的估測效果。其中GF-GBNDSI/NDVI和GF-GBNDSI/ GNDVI與馬鈴薯植株氮素含量的線性擬合決定系數(shù)分別為0.57和0.56；S-GBNDSI/NDVI和S-GBNDSI/ GNDVI與馬鈴薯植株氮素含量的線性擬合決定系數(shù)分別為0.54和0.55。因此，考慮到常規(guī)通道的普遍性以及馬鈴薯植株氮素含量在藍(lán)綠光波段較寬的敏感性，GBNDSI/NDVI和GBNDSI/GNDVI在衛(wèi)星遙感馬鈴薯植株氮素含量估測上更具有應(yīng)用價值。

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Remotely Estimation of Plant Nitrogen Concentration in Potato Using New Combined Spectral Index

YANG Haibo, LI Yuan, YIN Hang, LI Fei*

(Inner Mongolia Key Laboratory of Soil Quality and Nutrient Resource, College of Grassland, Resources and Environment, Inner Mongolia Agricultural University, Key Laboratory of Agricultural Ecological Security and Green Development at Universities of Inner Mongolia Autonomous Region, Hohhot 010011, China)

Optimally using satellite carrying channels of blue (B), green (G), red (R) and near-infrared (NIR) to estimate crop N status play a crucial role in the management and estimation of regional N cycling. The current study was aimed to assess the performance of optimized normalized and integrated spectral indices, derived from simulated broadband GF-2 (GF) and Sentinel 2A (S) satellites data, to remotely sense plant N concentration in potato (L.). Different field experiments were conducted with different N levels for two potato cultivars in Wuchuan County and Siziwangqi County at the northern Yinshan in Inner Mongolia from 2014 to 2016. The canopy reflectance data of potato at the growth stages of tuber formation, tuber bulking and starch accumulation were collected by a canopy hyper-spectrometer tec5. The estimation models of potato plant nitrogen concentration based on different spectral indices were constructed and validated by independent field data. The results showed that the extractive sensitive bands were able to guide the selection of satellite carrying channels. The optimal multi-spectral indices GF-GBNDSI and S-GBNDSI calculated based on the green (G) and blue (B) channels selected from the sensitive central bands had the highest coefficient of determination (2) with plant N concentration of potato, and the2was 0.41 and 0.38, respectively. The multi-spectral indices GBNDSI/NDVI and GBNDSI/GNDVI constructed by combining NDVI and GNDVI with GBNDSI, respectively, could significantly improve the explanation ability of plant N concentration of potato. The2of GBNDSI/NDVI and GBNDSI/GNDVI based on GF-2 and Sentinel 2A channel ranged from 0.54 to 0.57. Compared with the red edge multi-spectral index, GBNDSI/NDVI and GBNDSI/GNDVI not only overcame the lacking the red edge channel with most high-resolution satellites, but also reached a better estimating ability like red edge based REBNDSI/NDVI (2= 0.53) and REBNDSI/GNDVI (2= 0.59). The validated results showed that the root mean square error and mean relative error of the S-GBNDSI/NDVI and GF-GBNDSI/NDVI models were about 0.40% and 10.27%, respectively. Since most high-resolution satellites, especially most of the domestic satellites lacking the red edge channel, the optimized GBNDSI/NDVI and GBNDSI/GNDVI involving conventional channels can be used to monitor plant N concentration in crop.

Potato; Nitrogen concentration; Spectral index; Satellite based remote sensing

S532

A

10.13758/j.cnki.tr.2022.02.024

楊海波, 李淵, 尹航, 等. 基于新組合光譜指數(shù)的馬鈴薯植株氮含量遙感估測. 土壤, 2022, 54(2): 385–395.

內(nèi)蒙古自治區(qū)關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)計(jì)劃項(xiàng)目(2019GG248；2020GG0038)資助。

(Feili72@163.com)

楊海波(1993—)，男，河北保定人，博士研究生，研究方向?yàn)檗r(nóng)田氮素定量遙感與精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)。E-mail: hbyang93@163.com