高光譜相機(jī)用于水稻、玉米、棉花的紅邊特征比較研究

本研究應(yīng)用了400-1000nm的高光譜相機(jī)，可采用廣東賽斯拜克科技有限公司產(chǎn)品SP130M進(jìn)行相關(guān)研究。光譜范圍在400-1000nm，波長(zhǎng)分辨率優(yōu)于2.5nm，可達(dá)1200個(gè)光譜通道。采集速度全譜段可達(dá)128FPS，波段選擇后最高3300Hz（支持多區(qū)域波段選擇）。

本研究測(cè)定了水稻,玉米,棉花3種作物共6個(gè)品種的冠層和主莖葉片不同生育期高光譜反射率及其對(duì)應(yīng)葉片中葉綠素,類(lèi)胡蘿卜素含量,分析了它們的高光譜及其紅邊特征和紅邊參數(shù)與葉面積指數(shù),地上生物量,鮮葉重及葉片色素含量的相關(guān)性.結(jié)果表明:(1)3種怍物冠層高光譜反射率大小與其生育期有關(guān).冠層和葉片光譜反射率最大值比較結(jié)果是,冠層光譜:棉花>玉米>水稻;葉片光譜:水稻>棉花>玉米.(2)3種作物冠層光譜的紅邊都具有"雙峰"現(xiàn)象.紅邊幅值Dλ,和紅邊面積Sr均呈增大,減少的變化規(guī)律,但紅邊位置λr的變化范圍和變化規(guī)律不同;冠層紅邊參數(shù)λr,Dλr,Sr與其葉面積指數(shù)和鮮葉重之間都呈極顯著相關(guān),但與地上鮮生物量和地土干生物量相關(guān)性有差異;葉片葉綠素a,葉綠素b,總?cè)~綠素及類(lèi)胡蘿卜素含量與其光譜紅邊位置λr之間都呈極顯著相關(guān),但與紅邊參數(shù)Dλr,Sr的相關(guān)性有差異.

光譜測(cè)定

(1)冠層光譜 選擇晴朗無(wú)云無(wú)風(fēng)天氣，于當(dāng)天10:00～14:00,分別在七葉期、拔節(jié)期、開(kāi)花期、乳穗期測(cè)定其冠層光譜反射率。測(cè)量時(shí)，傳感器探頭向下，距冠層頂垂直高度約0.70～1.00m(拔

節(jié)前為0.70m,拔節(jié)后為1.00m)。每個(gè)小區(qū)內(nèi)選取長(zhǎng)相適中的植株5株，光譜采樣以10個(gè)光譜為一采樣光譜，每次記錄10個(gè)光譜，以其平均值作為該小區(qū)的光譜反射值，測(cè)量時(shí)及時(shí)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)白板校正(標(biāo)準(zhǔn)白

板反射率為1,這樣所測(cè)得的目標(biāo)物光譜反射率是無(wú)量綱和單位的相對(duì)反射率)。

冠層光譜數(shù)據(jù)測(cè)定后，對(duì)應(yīng)測(cè)冠層光譜的位置取樣測(cè)定玉米植株的生物物理參數(shù)。采樣后按器官分離，測(cè)鮮生物量，然后置于105℃烘箱中殺青0.5h,以70℃恒溫烘干，當(dāng)兩次測(cè)重(相隔1h)相差≤%時(shí)，測(cè)干生物量。葉面積指數(shù)采用掃描與長(zhǎng)寬法結(jié)合測(cè)量(由掃描確定所乘系數(shù))。

(2)葉片光譜  定期從各小區(qū)選取長(zhǎng)相適中的植株5株，取樣測(cè)完全展開(kāi)倒一葉(以剝開(kāi)下層葉葉鞘后可見(jiàn)葉耳及葉鞘的葉片中最上面一片葉為完全展開(kāi)倒一葉)和倒三葉(按倒一葉往下類(lèi)推)的光譜，用生化方法測(cè)葉片葉綠素和類(lèi)胡蘿卜素含量。測(cè)葉片光譜時(shí)，樣品置于反射率近似為零的黑色橡膠上，光譜儀視場(chǎng)角為8°,探頭垂直向下，距樣品表面距離0.10m;光源用光譜儀所帶的50W鹵化燈，光源距樣品表面距

離0.45m,方位角70°。光譜儀、控制計(jì)算機(jī)和室內(nèi)光源連接在UPS上，每次數(shù)據(jù)采集前都進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)白板校正，光譜采樣以10個(gè)光譜為一采樣光譜，每次記錄10個(gè)光譜，然后求平均。

1.2.3葉綠素、類(lèi)胡蘿卜素測(cè)量 對(duì)應(yīng)測(cè)光譜的葉片，剪取包含測(cè)光譜的葉片中部0.200g成細(xì)絲(或細(xì)粒),葉片加混合提取液(丙酮、無(wú)水乙醇、蒸餾水的質(zhì)量比為4.54.51)100mL,于室溫下遮光靜置至樣品完全發(fā)白，對(duì)提取液用BECKMAN DU-600比色，分別測(cè)定663nm(葉綠素a吸收峰)、645nm(葉綠素b吸收峰)和440nm的OD值，然后按下面公式計(jì)算葉綠素和類(lèi)胡蘿卜素含量12]。

Chla(mg/L)=9.7840D?-0.9900Ds,Chlb(mg/L)=21.4260Ds-4.6500D?Ch1(mg/L)=5.1340Da+20.436ODss,Car(mg/L)=4.695OD?-0.268(Chla+Chlb)Chl(Car)(mg/g)=[濃度(mg/L)X提取液體積(mL)J/[質(zhì)量(g)×1000]

數(shù)據(jù)處理與分析

冠層和葉片光譜

從圖1可見(jiàn)，隨發(fā)育期推移，玉米冠層光譜反射率在可見(jiàn)光范圍內(nèi)降低，在近紅外區(qū)域增高，到開(kāi)花期時(shí)兩者差異最大；開(kāi)花以后，在可見(jiàn)光和近紅外范圍內(nèi)反射率均降低。這是因?yàn)榻t外反射率主要取決于生物量、葉面積指數(shù)和冠層結(jié)構(gòu)，可見(jiàn)光反射率主要取決于冠層葉綠素含量和蓋度。

從圖2可見(jiàn)，隨發(fā)育期推移，Y2的冠層反射率變化比YI快，其近紅外反射率最大值要明顯高于Y1,同時(shí)，在拔節(jié)期Y2完全展開(kāi)倒一葉葉片的光譜反射率也有異于Y1,產(chǎn)生此種現(xiàn)象的原因可能是Y2的生育期比Y1短，其生物量、葉面積指數(shù)的增加和減小都比YI快，Y2葉片的節(jié)間距較Y1短，葉傾角較Yl小，這使得葉片反光面積增加和光在葉片的散射減弱；Y2葉片比YI葉片略厚，同時(shí)葉色較深，這樣Y2葉片對(duì)近紅外光的二次散射和對(duì)可見(jiàn)光的吸收加強(qiáng)。

冠層和葉片光譜的紅邊參數(shù)

植被光譜的紅邊參數(shù)主要有：(1)紅邊位置λea:紅光范圍(680～760nm)內(nèi)一階導(dǎo)數(shù)光譜最大值所對(duì)

應(yīng)的波長(zhǎng)(單位：nm);(2)紅邊幅值(又稱紅邊斜率)Ded:紅光范圍(680～760nm)內(nèi)一階導(dǎo)數(shù)光譜的最大值(單位：nm°1);(3)紅邊峰值面積(簡(jiǎn)稱紅邊面積)Sed:680～760nm之間的一階導(dǎo)數(shù)光譜所包圍的面積R+1-R。(無(wú)量綱和單位)。本文一階導(dǎo)數(shù)采用差分計(jì)算，DA=。有人認(rèn)為有兩個(gè)因素決定著紅邊位A?1-A.1

置和紅邊斜率：一個(gè)是葉綠素含量，它能引起700mm附近的光譜變化；另一個(gè)是作物對(duì)近紅外波段的散射特性，它由冠層結(jié)構(gòu)和葉片結(jié)構(gòu)等因素決定。

從圖3可見(jiàn)，玉米冠層光譜的紅邊具有“雙峰”現(xiàn)象，這跟大多數(shù)綠色植物的紅邊相似。在生長(zhǎng)早期，由于冠層葉面積指數(shù)較小，受土壤背景的影響，冠層光譜的“雙峰”現(xiàn)象并不明顯，隨著發(fā)育期推移，生物量增加、葉面積指數(shù)增大，土壤背景對(duì)冠層光譜的影響減小，“雙峰”現(xiàn)象愈來(lái)愈明顯，到開(kāi)花期時(shí)達(dá)到最大，以后隨著玉米成熟，下部葉片開(kāi)始變黃、脫落，“雙峰”現(xiàn)象逐漸減弱。

從圖4可見(jiàn)，試驗(yàn)的兩個(gè)品種玉米冠層反射光譜的紅邊位置在整個(gè)生育期內(nèi)處于710～740mm之間。在試驗(yàn)期間，隨發(fā)育期推移，紅邊位置一直呈“紅移”現(xiàn)象，而紅邊幅值和紅邊面積在拔節(jié)前呈“紅移”現(xiàn)象，到開(kāi)花期時(shí)達(dá)到最大，開(kāi)花后逐漸減小，呈“藍(lán)移”現(xiàn)象。另外，Y2的紅邊幅值和紅邊面積隨栽種時(shí)間的變

化要快于Y1,這可能是Y2的生育期比YI短的緣故。

紅邊參數(shù)與LAI地上生物量和葉鮮重的相關(guān)性

分別計(jì)算紅邊參數(shù)Aed、Dd、Srd與葉面積指數(shù)LAI、地上鮮生物量AFM、地上干生物量ADM和鮮葉重HM之間的相關(guān)系數(shù)，結(jié)果見(jiàn)表1。從表1可見(jiàn)，3個(gè)紅邊參數(shù)與LAI、AFM、ADM和FM之間有很好的

相關(guān)性，都達(dá)到了0.01的極顯著水平，因此，可以用玉米冠層反射光譜的紅邊參數(shù)Aed、Dd、Srd來(lái)估算其葉面積指數(shù)、地上生物量和鮮葉重，估算回歸方程如表2所示。另外，從表1還可知，玉米冠層反射光譜3個(gè)紅邊參數(shù)彼此之間也存在極顯著相關(guān)。

紅邊參數(shù)與葉綠素、類(lèi)胡蘿卜素的相關(guān)性

分別計(jì)算完全展開(kāi)倒一、三葉反射光譜紅邊參數(shù)Aed、Ded、Sred與葉片葉綠素、類(lèi)胡蘿卜素含量之間的相關(guān)系數(shù)，結(jié)果見(jiàn)表3。從表3可見(jiàn)，紅邊參數(shù)Aed、Ded與葉片葉綠素a、葉綠素b、總?cè)~綠素及類(lèi)胡蘿卜素含量之間有很好的相關(guān)性，都達(dá)到了0.01的極顯著水平，而Sred與葉綠素、類(lèi)胡蘿卜素含量的相關(guān)性不明顯。因此，可以用葉片反射光譜的紅邊參數(shù)Aed、Dd來(lái)估算其葉綠素、類(lèi)胡蘿卜素含量，估算回歸方程如表4所示。

 結(jié)論

通過(guò)上述實(shí)驗(yàn)與分析，可以得到以下結(jié)論：

隨發(fā)育期推移，玉米冠層光譜反射率在可見(jiàn)光范圍內(nèi)降低，在近紅外區(qū)域增高，到開(kāi)花期時(shí)兩者差異最大；開(kāi)花以后，在可見(jiàn)光和近紅外范圍內(nèi)反射率均降低。生育期越長(zhǎng)，冠層光譜隨時(shí)間變化越慢。

玉米冠層光譜的紅邊具有“雙峰”現(xiàn)象，其現(xiàn)象隨發(fā)育期推移愈趨明顯，到開(kāi)花期時(shí)達(dá)到最大，此后，“雙峰”現(xiàn)象逐漸減弱。

冠層反射光譜的紅邊位置在整個(gè)生育期內(nèi)處于710～740nm之間。隨發(fā)育期推移，紅邊位置呈“紅移”現(xiàn)象，而紅邊幅值和紅邊面積在拔節(jié)前呈"紅移”現(xiàn)象，到開(kāi)花期時(shí)達(dá)到最大，開(kāi)花后逐漸減小，呈“藍(lán)移”現(xiàn)象。

玉米冠層反射光譜紅邊參數(shù)Aed、Ded、Srd與葉面積指數(shù)、地上鮮生物量、地上干生物量和鮮葉重之間存在極顯著相關(guān)，完全展開(kāi)倒一葉葉綠素a、葉綠素b、總?cè)~綠素及類(lèi)胡蘿卜素含量與其反射光譜的紅邊參數(shù)λed、Dd、Sred也極顯著相關(guān)，這說(shuō)明可以用光譜紅邊參數(shù)Aed、Dred、Srd來(lái)估算葉面積指數(shù)、地上生物量、鮮葉重、葉片的葉綠素(葉綠素a、葉綠素b、總?cè)~綠素)和類(lèi)胡蘿卜素含量。

高光譜相機(jī)用于水稻、玉米、棉花的紅邊特征比較

對(duì)于水稻來(lái)說(shuō)，高光譜相機(jī)能夠精確地測(cè)量其紅邊特征。水稻的紅邊特征通常出現(xiàn)在可見(jiàn)光的波長(zhǎng)范圍內(nèi)，大約在700納米左右。通過(guò)高光譜相機(jī)，我們可以觀察到水稻在這個(gè)波長(zhǎng)范圍內(nèi)的反射率變化，從而判斷水稻的生長(zhǎng)狀況和營(yíng)養(yǎng)狀況。例如，如果水稻的反射率增加，說(shuō)明其生長(zhǎng)狀況良好，反之則可能存在某些生長(zhǎng)問(wèn)題。

對(duì)于玉米來(lái)說(shuō)，其紅邊特征同樣出現(xiàn)在可見(jiàn)光的波長(zhǎng)范圍內(nèi)，但是與水稻不同，它的紅邊特征可能會(huì)提前一些，大約在720納米左右。通過(guò)高光譜相機(jī)，我們可以觀察到玉米在這個(gè)波長(zhǎng)范圍內(nèi)的反射率變化，從而判斷玉米的生長(zhǎng)狀況和營(yíng)養(yǎng)狀況。與水稻類(lèi)似，如果玉米的反射率增加，說(shuō)明其生長(zhǎng)狀況良好，反之則可能存在某些生長(zhǎng)問(wèn)題。

對(duì)于棉花來(lái)說(shuō)，其紅邊特征同樣出現(xiàn)在可見(jiàn)光的波長(zhǎng)范圍內(nèi)，但是與水稻和玉米不同，它的紅邊特征可能會(huì)略微偏后一些，大約在750納米左右。通過(guò)高光譜相機(jī)，我們可以觀察到棉花在這個(gè)波長(zhǎng)范圍內(nèi)的反射率變化，從而判斷棉花的生長(zhǎng)狀況和營(yíng)養(yǎng)狀況。與水稻和玉米類(lèi)似，如果棉花的反射率增加，說(shuō)明其生長(zhǎng)狀況良好，反之則可能存在某些生長(zhǎng)問(wèn)題。

通過(guò)對(duì)水稻、玉米和棉花三種作物的紅邊特征進(jìn)行比較分析，我們可以發(fā)現(xiàn)它們?cè)诳梢?jiàn)光波長(zhǎng)范圍內(nèi)的紅邊特征存在一定的差異。這種差異可能與不同作物的生長(zhǎng)特性、葉綠素含量以及營(yíng)養(yǎng)狀況等因素有關(guān)。高光譜相機(jī)還可以對(duì)每個(gè)光譜的反射率進(jìn)行精確測(cè)量，從而提供更加詳細(xì)和準(zhǔn)確的信息，有助于我們更好地理解作物的生長(zhǎng)規(guī)律和營(yíng)養(yǎng)需求。