成像光譜儀和地物光譜儀在小麥冠層尺度上的對比研究

0 前沿

【研究意義】近年來，隨著遙感技術的日新月異，高光譜遙感已成為國內(nèi)外研究的熱點。高光譜的光譜分辨率能精確到納米級，使其在探測植物生命信息和解析植被長勢狀況方面具有得天獨厚的優(yōu)勢。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。【前人研究進展】在農(nóng)業(yè)領域，國內(nèi)外學者應用高光譜遙感進行了大量的研究，主要在以下兩方面取得進展：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 兩個波段的光譜反射率，對葉片氮含量進行統(tǒng)計回歸，進行了作物氮素診斷研究；Tong 等在中日合作高光譜農(nóng)業(yè)遙感項目中，利用 PHI（pushbroom hyperspectral imager）在日本長野進行了當?shù)貛追N農(nóng)作物的精確識別；楊敏華等利用 PHI（operative modular imaging spectrometer）對冬小麥進行營養(yǎng)組分反演研究并進行結果填圖； Karimi-Zindashty利用 CASI（compact airborne spectrographic iager）對雜草和氮肥脅迫下的玉米進行了研究。二是地面高光譜遙感。國內(nèi)外學者利用地物光譜儀 ASD Fieldspec FR2500 對小麥、水稻、大豆、玉米等作物的組分、結構、品質(zhì)、養(yǎng)分、病蟲害脅迫等進行了深入研究 。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，對小麥不同層次的養(yǎng)分狀況進行研究；王秀珍等對水稻冠層和葉片的光譜信息進行研究，構建了色素反演模型，且精度較高。【本研究切入點】航空高光譜雖然可以成像，但基于其米級的空間分辨率，只能對大面積的作物群體的長勢進行監(jiān)測評價，無法探測到作物的結構和中下層的養(yǎng)分變化情況。地物光譜儀可以對作物個體進行研究，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獲取冬小麥關鍵生育期的冠層光譜信息，對比分析兩儀器獲得的冠層光譜的差異，用地物光譜儀作標準，驗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系并分析，初步得出成像高光譜在近地使用有很大的潛力?！緮M解決的關鍵問題】筆者利用成像光譜儀圖譜合一的優(yōu)勢，為航空、航天高光譜遙感提供冠層水平定標、驗證和尺度轉(zhuǎn)換服務；同時也可以從冠層深入到中下層進行研究，為作物養(yǎng)分的立體監(jiān)測提供新的技術手段。驗證成像光譜儀在近地使用的可行性，為進一步利用其探測、解析作物的生長發(fā)育狀況做好了前期準備。

1 材料與方法

1.1 試驗設計

試驗地點位于江蘇某國家試驗基地，冬小麥品種為揚麥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）視場角：23°；（5）光譜通道數(shù)：520。

圖 1 成像光譜儀野外實物圖

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）視場角：25°。

1.3 葉片氮含量

與光譜測量同步，每個小區(qū)前期取小麥植株 6 株并放于保鮮袋，后期取 10 株單莖，帶回實驗基地，按器官(葉、莖和穗)分離，在 105°下殺青并在 80° 下烘干，用磨樣機粉碎后用自封袋密閉低溫保存，供生物化學組分分析。葉層氮含量采用流動分析儀 A5 測定。

2 結果與分析

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及病蟲害監(jiān)測的重要依據(jù)，為此本研究以 ASD 光譜數(shù)據(jù)為標準， 從2個角度依次對比 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， 并計算每個生育期重采樣后的平均反射率，對比重采樣的 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)黃萎縮，導致 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 光譜曲線對比

• 研究對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性，如圖3 所示，結果顯示兩者高度相關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 光譜反射率的相關性

2.2 成像光譜儀與地物光譜儀監(jiān)測LNC模型精度評價

本研究運用植被指數(shù)NDVI分別構建成像光譜儀V10E、地物光譜儀ASD 監(jiān)測小麥葉片氮含量的監(jiān)測模型，圖4為兩個監(jiān)測模型的1：1圖（監(jiān)測模型由于數(shù)據(jù)的保密性暫不對外公布），從圖4可知，成像光譜儀V10E監(jiān)測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)測精度則為0.712， 遠低成像光譜儀V10E。

圖 4 成像光譜儀與地物光譜儀預測葉片氮含量精度