成像光譜儀和地物光譜儀在小麥冠層尺度上的對(duì)比研究
瀏覽次數(shù)：825發(fā)布日期：2023-02-09
0 前沿
【研究意義】近年來，隨著遙感技術(shù)的日新月異，高光譜遙感已成為國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。高光譜的光譜分辨率能精確到納米級(jí)，使其在探測(cè)植物生命信息和解析植被長勢(shì)狀況方面具有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)。因此，利用高光譜深入到作物生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)部，將更有助于作物垂直梯度養(yǎng)分狀況的定量化研究。【前人研究進(jìn)展】在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，國內(nèi)外學(xué)者應(yīng)用高光譜遙感進(jìn)行了大量的研究，主要在以下兩方面取得進(jìn)展：一是航空高光譜遙感。Martin 等 利用 AVIRIS（airborne visible/ infrared imaging spectrometer）的 0.75 μm、1.64 μm 兩個(gè)波段的光譜反射率，對(duì)葉片氮含量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)回歸，進(jìn)行了作物氮素診斷研究；Tong 等在中日合作高光譜農(nóng)業(yè)遙感項(xiàng)目中，利用 PHI（pushbroom hyperspectral imager）在日本長野進(jìn)行了當(dāng)?shù)貛追N農(nóng)作物的精確識(shí)別；楊敏華等利用 PHI（operative modular imaging spectrometer）對(duì)冬小麥進(jìn)行營養(yǎng)組分反演研究并進(jìn)行結(jié)果填圖； Karimi-Zindashty利用 CASI（compact airborne spectrographic iager）對(duì)雜草和氮肥脅迫下的玉米進(jìn)行了研究。二是地面高光譜遙感。國內(nèi)外學(xué)者利用地物光譜儀 ASD Fieldspec FR2500 對(duì)小麥、水稻、大豆、玉米等作物的組分、結(jié)構(gòu)、品質(zhì)、養(yǎng)分、病蟲害脅迫等進(jìn)行了深入研究 。如趙春江等 利用地物光譜儀采集冬小麥冠層的多角度光譜信息，對(duì)小麥不同層次的養(yǎng)分狀況進(jìn)行研究；王秀珍等對(duì)水稻冠層和葉片的光譜信息進(jìn)行研究，構(gòu)建了色素反演模型，且精度較高。【本研究切入點(diǎn)】航空高光譜雖然可以成像，但基于其米級(jí)的空間分辨率，只能對(duì)大面積的作物群體的長勢(shì)進(jìn)行監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)，無法探測(cè)到作物的結(jié)構(gòu)和中下層的養(yǎng)分變化情況。地物光譜儀可以對(duì)作物個(gè)體進(jìn)行研究，但是它不能成像，采集的作物冠層光譜信息是混合的，使其構(gòu)建的各種反演模型的精度受到限制。本研究利用成像光譜儀和地物光譜儀同時(shí)獲取冬小麥關(guān)鍵生育期的冠層光譜信息，對(duì)比分析兩儀器獲得的冠層光譜的差異，用地物光譜儀作標(biāo)準(zhǔn)，驗(yàn)證成像光譜儀獲取數(shù)據(jù)的可靠性；然后選取常用的植被指數(shù)和小麥的葉片氮含量建立關(guān)系并分析，初步得出成像高光譜在近地使用有很大的潛力。【擬解決的關(guān)鍵問題】筆者利用成像光譜儀圖譜合一的優(yōu)勢(shì)，為航空、航天高光譜遙感提供冠層水平定標(biāo)、驗(yàn)證和尺度轉(zhuǎn)換服務(wù)；同時(shí)也可以從冠層深入到中下層進(jìn)行研究，為作物養(yǎng)分的立體監(jiān)測(cè)提供新的技術(shù)手段。驗(yàn)證成像光譜儀在近地使用的可行性，為進(jìn)一步利用其探測(cè)、解析作物的生長發(fā)育狀況做好了前期準(zhǔn)備。
1 材料與方法
1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)
試驗(yàn)地點(diǎn)位于江蘇某國家試驗(yàn)基地，冬小麥品種為揚(yáng)麥18，于 2013 年 10 月播種，正常肥水管理。2014 年在冬小麥的拔節(jié)期（4月14日）、孕穗期（5 月1日）、灌漿期（5月21日）采集小麥的冠層的高光譜數(shù)據(jù)。
1.2 儀器介紹
農(nóng)業(yè)掃描成像光譜儀（GaiaField-V10E） 是江蘇雙利合譜科技有限公司研發(fā)。光譜儀采用了1392（ 空間維）×1040（ 光譜維）， 像元單元尺寸為6.4 5 μm×6.45 μm 的 CCD 進(jìn)行線陣推掃成像（ 圖1）， 具體的性能參數(shù)如下：
（1）光譜范圍：400—1 000 nm；
（2）光譜分辨率：2.8 nm，采樣間隔1.2 nm；
（3）空間分辨率：5-10 mm（視物距而定）；
（4）視場(chǎng)角：23°；（5）光譜通道數(shù)：520。
圖 1 成像光譜儀野外實(shí)物圖
地物光譜儀 ASD Fieldspec FR2500 的性能參數(shù)如下：
（1）光譜范圍：350—2 500 nm；
（2）光譜分辨率：3 nm@700 nm；10 nm @1 400 nm& 2 100 nm；
（3）采樣間隔：1.4 nm，350—1 000 nm；2 nm，1 000—2 500 nm；
（4）視場(chǎng)角：25°。
1.3 葉片氮含量
與光譜測(cè)量同步，每個(gè)小區(qū)前期取小麥植株 6 株并放于保鮮袋，后期取 10 株單莖，帶回實(shí)驗(yàn)基地，按器官(葉、莖和穗)分離，在 105°下殺青并在 80° 下烘干，用磨樣機(jī)粉碎后用自封袋密閉低溫保存，供生物化學(xué)組分分析。葉層氮含量采用流動(dòng)分析儀 A5 測(cè)定。
2 結(jié)果與分析
2.1 成像光譜儀數(shù)據(jù)評(píng)價(jià)
考慮到 ASD光譜輻射儀在農(nóng)業(yè)遙感中廣泛使用，其光譜信息往往作為作物長勢(shì)及病蟲害監(jiān)測(cè)的重要依據(jù)，為此本研究以 ASD 光譜數(shù)據(jù)為標(biāo)準(zhǔn)， 從2個(gè)角度依次對(duì)比 ASD 與成像光譜儀的光譜反射率（ 其中成像光譜數(shù)據(jù)為純小麥葉片光譜， 即去除背景土壤、麥穗等的影響）。 第一，將 ASD 采集的冬小麥冠層高光譜數(shù)據(jù)重采樣成GaiaField-V10E波段， 并計(jì)算每個(gè)生育期重采樣后的平均反射率，對(duì)比重采樣的 ASD GaiaField- V10E的生育期平均反射率。如圖 2 所示，整體上，兩種冬小麥冠層光譜信息在 可見光-紅邊區(qū)域的變化趨勢(shì)高度一致：V10E光譜曲線在 550 nm 附近出現(xiàn)“綠峰”特征，與 ASD 光譜曲線相符，且因抽穗期間冬小麥冠層出現(xiàn)小麥穗子且葉片發(fā)黃枯萎，導(dǎo)致 2 種光譜反射率在近紅外區(qū)間差距較大；拔節(jié)期由于小麥葉面積較小，ASD獲取的小麥冠層光譜含有較多的土壤信息，因此其在可見光如綠峰與成像光譜儀V10E的光譜反射率存在大小差異，但峰值位置不變； 無論是紅谷或者紅邊，成像光譜儀V10E和地物光譜儀ASD的光譜反射率曲線幾乎吻合，在近紅外區(qū)域存在差異主要是受土壤、麥穗、黃葉等原因的影響。
圖 2 不同生育期成像光譜儀V10E 光譜曲線與 重采樣的 ASD 光譜曲線對(duì)比
研究對(duì)比分析了成像光譜儀V10E和重采樣的 ASD在400 ～ 1000nm 范圍冬小麥冠層光譜反射率的相關(guān)性，如圖3 所示，結(jié)果顯示兩者高度相關(guān)R2均在 0.995以上。
圖3 不同生育期的成像光譜儀V10E 和 重采樣的 ASD 光譜反射率的相關(guān)性
2.2 成像光譜儀與地物光譜儀監(jiān)測(cè)LNC模型精度評(píng)價(jià)
本研究運(yùn)用植被指數(shù)NDVI分別構(gòu)建成像光譜儀V10E、地物光譜儀ASD 監(jiān)測(cè)小麥葉片氮含量的監(jiān)測(cè)模型，圖4為兩個(gè)監(jiān)測(cè)模型的1：1圖（監(jiān)測(cè)模型由于數(shù)據(jù)的保密性暫不對(duì)外公布），從圖4可知，成像光譜儀V10E監(jiān)測(cè)小麥葉片氮含量的精度更高，為0.963，而地物光譜儀ASD的監(jiān)測(cè)精度則為0.712， 遠(yuǎn)低成像光譜儀V10E。
圖 4 成像光譜儀與地物光譜儀預(yù)測(cè)葉片氮含量精度
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