玉米高光谱及其红边特征分析.pdf

研究报告玉米高光谱及其红边特征分析唐延林1,2,王秀珍2,王人潮2(1.贵州大学 理学院 物理系,贵州 贵阳550025;2.浙江大学 农业遥感与信息技术应用研究所,浙江 杭州310029)摘 要:通过大田和室内试验,测定了玉米冠层、完全展开倒一、三叶在不同发育期的反射光谱及叶片的叶绿素、类胡萝卜素含量。结果表明,随发育期推迟,冠层反射率在可见光范围内降低,在近红外区域增高;冠层光谱的红边具有“双峰”现象,红边位置red随发育期推迟呈“红移”现象,而红边幅值Dred和红边面积Sred呈“红移”和“蓝移”现象;叶面积指数、地上生物量和鲜叶重与冠层red、Dred、Sred显著相关,叶片叶绿素和类胡萝卜素含量与其red、Dred、Sred也显著相关。关键词:玉米;高光谱反射率;红边参数;农学参数;相关分析;光谱测定中图分类号:S123;S513101 文献标识码:A 文章编号:1008-0457(2003)03-0189-06Study on the hyperspectral and their red edge characteristics of cornTANG Yan2lin1,2,WANG Xiu2zhen2,WANG Ren2chao2(1.Department of Physics,School of Sciences,Guizhou University,Guizhou Guiyang550025,China;2.Institute of Agriculture Remote Sensing&Information System Application,ZhejiangUniversity,Zhejiang Hangzhou310029,China)Abstract:The hyperspectral reflectances of the canopy,the first and the third unfold leavesfrom the top of two varieties of cornare measured by a ASD FieldSpec Pro FRTMin field and indoor in different stages.The concentrations of chlorophyll andcarotenoid of leaves corresponding to the spectra were determined by biochemical method.The correlation between the pigmentconcentrations,leaf area indices,biomass above ground and fresh leaf mass and the red edge parameters of corn were analyzed.The hyperspectral reflectance is gradually getting smaller in the visible region and bigger in the near infrared region along withgrowth.There are“two peaks”phenomena for the red edge of canopy spectra of corn.There are“red shift”phenomena for the po2sition of red edgered,the slope of red edgeDredand the area of red edgeSred,but“blue shift”forDredandSredof thecanopy spectra.The leaf area indices,biomass above ground andfresh leaf mass are very significantly correlative to the red edgeparametersred,DredandSredof the canopy spectra,and the concentrationsof chlorophyll and carotenoid of leaves also signifi2cantly correlative to their red edge parametersred,DredandSred.This proves that the red edge parametersred,DredandSredcan be quitely used to estimate the leaf area indices,biomass above ground,fresh leaf mass and the concentrations of chloro2phyll and carotenoid of leaves for corn.Key words:corn;hyperspectral reflectance;red edge parameter;agronomic parameter;regression analysis;spectrum determina2tion通过监测作物生育期内的光谱变化,研究作物的反射光谱与叶面积指数、地上生物量、鲜叶重、叶绿素和类胡萝卜素含量等农学参数之间的关系,可以为作物遥感长势监测和遥感估产提供依据1。由于植被和叶片反射光谱在可见光范围主要受植被色素(叶绿素和类胡萝卜素)和覆盖度的影响,在近红外区域则主要受冠层和叶片结构、生物量、蛋白质、纤维素等影响2,因此,可以用作物冠层和叶片的反射光谱及其变量来估算其农学参数,特别是色素含量3。近年来,随着高光谱分辨率遥感的应用,使得遥感可以在光谱维上展开,能直接对地物进行微弱光谱差异的定量分析,在植被遥感研究与应用中表现出强大优势4。在定量遥感中,常采用微分技术来寻找关键波段如“红边”、“绿峰”等58,利用玉米反射光谱数据来估测收稿日期:2002-11-26;修回日期:2002-12-23基金项目:国家自然科学基金(40271078)、国家“863”项目“地物波谱数据库”资助项目作者简介:唐延林(1964-),男,湖南祁阳人,贵州大学理学院物理系副教授,理学硕士,现为浙江大学农业遥感与信息技术应用研究所在职博士生,主要从事农业高光谱遥感研究。山 地 农 业 生 物 学 报22(3):189194,2003JournalofMountainAgricultureandBiology 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/其光合有效辐射系数APAR、叶绿素含量等已多见报道911,但利用光谱红边特征来研究玉米的叶面积指数、地上生物量、色素含量等还鲜见报道。本文结合玉米的生长发育规律,对玉米冠层和叶片进行高光谱反射率和色素含量测量,分析其红边参数的时相特性,利用相关分析方法研究玉米叶面积指数、地上生物量及色素含量与红边参数的相关关系,促进高光谱分辨率遥感技术在农作物长势监测和估产中的应用。1 材料与方法111 试验设计11111 试验材料 试验玉米品种为掖单13(记为Y1,中秆紧凑型,全生育期约110d)和苏玉(糯)1号(记为Y2,高秆半紧凑型,全生育期约90d),迟播春玉米,2002年4月29日直播。11112 试验地点 浙江大学试验场内,经度为12010,纬度为3014。小区面积5100m3164m,实行宽、窄行,每一小区分4垄,垄面宽0195m,南北垄向,垄间沟壑宽度0130m,每垄两行,行、株距为0130m0128m,设3个重复,小区按完全随机排列。11113 肥料设计 设1个肥料水平,5月24日施第1次肥料(七叶肥),氮肥标准为150kg/hm2(折合成尿素32114kg/hm2);6月8日施第2次肥料(拔节肥),氮肥标准为150kg/hm2(折合成尿素32114kg/hm2),另施芬兰产复合肥600kg/hm2,无基肥、种肥和穗肥,肥料直接施于两行中后培土覆盖。供试土壤为砂壤土(砂粒83149%、粉粒12115%、黏粒4136%),土壤全氮为0195g/kg,速效氮为14815mg/kg,全磷1121g/kg,全钾7217mg/kg,有机质9196g/kg,pH值6178。112 测量方法11211 测量仪器 光谱仪选用美国ASD(Analytical Spectral Device)公司的ASD Field Spec Pro FRTM光谱仪,波段值为3502 500nm,其中,3501 000nm光谱采样间隔(波段宽)为114nm,光谱分辨率为3nm,1 0002500nm光谱采样间隔(波段宽)为2nm,光谱分辨率为10nm。分光光度计选用BECK MAN DU-600核酸蛋白质分析仪,分固定波长和连续波长两种工作方式,光谱采样间隔为1nm,OD值精度为万分之一。数据分析软件用SPSS1010。11212 光谱测定(1)冠层光谱 选择晴朗无云无风天气,于当天10:0014:00,分别在七叶期、拔节期、开花期、乳穗期测定其冠层光谱反射率。测量时,传感器探头向下,距冠层顶垂直高度约01701100m(拔节前为0170m,拔节后为1100m)。每个小区内选取长相适中的植株5株,光谱采样以10个光谱为一采样光谱,每次记录10个光谱,以其平均值作为该小区的光谱反射值,测量时及时进行标准白板校正(标准白板反射率为1,这样所测得的目标物光谱反射率是无量纲和单位的相对反射率)。冠层光谱数据测定后,对应测冠层光谱的位置取样测定玉米植株的生物物理参数。采样后按器官分离,测鲜生物量,然后置于105 烘箱中杀青015h,以70 恒温烘干,当两次测重(相隔1h)相差 5 时,测干生物量。叶面积指数采用扫描与长宽法结合测量(由扫描确定所乘系数)。(2)叶片光谱 定期从各小区选取长相适中的植株5株,取样测完全展开倒一叶(以剥开下层叶叶鞘后可见叶耳及叶鞘的叶片中最上面一片叶为完全展开倒一叶)和倒三叶(按倒一叶往下类推)的光谱,用生化方法测叶片叶绿素和类胡萝卜素含量。测叶片光谱时,样品置于反射率近似为零的黑色橡胶上,光谱仪视场角为8,探头垂直向下,距样品表面距离0110m;光源用光谱仪所带的50W卤化灯,光源距样品表面距离0145m,方位角70。光谱仪、控制计算机和室内光源连接在UPS上,每次数据采集前都进行标准白板校正,光谱采样以10个光谱为一采样光谱,每次记录10个光谱,然后求平均。11213 叶绿素、类胡萝卜素测量 对应测光谱的叶片,剪取包含测光谱的叶片中部01200g成细丝(或细粒),叶片加混合提取液(丙酮、无水乙醇、蒸馏水的质量比为4154151)100mL,于室温下遮光静置至样品完全发白,对提取液用BECK MAN DU-600比色,分别测定663nm(叶绿素a吸收峰)、645nm(叶绿素b吸收峰)和440nm的OD值,然后按下面公式计算叶绿素和类胡萝卜素含量12。Chla(mg/L)=91784OD663-01990OD645,Chlb(mg/L)=211426OD645-41650OD663Chl(mg/L)=51134OD663+201436OD645,Car(mg/L)=41695OD440-01268(Chla+Chlb)Chl(Car)(mg/g)=浓度(mg/L)提取液体积(mL)/质量(g)1 000091山 地 农 业 生 物 学 报2003年 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/2 数据处理与分析211 冠层和叶片光谱从图1可见,随发育期推移,玉米冠层光谱反射率在可见光范围内降低,在近红外区域增高,到开花期时两者差异最大;开花以后,在可见光和近红外范围内反射率均降低。这是因为近红外反射率主要取决于生物量、叶面积指数和冠层结构,可见光反射率主要取决于冠层叶绿素含量和盖度。图1 玉米冠层光谱Fig.1The canopy spectra of corn从图2可见,随发育期推移,Y2的冠层反射率变化比Y1快,其近红外反射率最大值要明显高于Y1,同时,在拔节期Y2完全展开倒一叶叶片的光谱反射率也有异于Y1,产生此种现象的原因可能是Y2的生育期比Y1短,其生物量、叶面积指数的增加和减小都比Y1快,Y2叶片的节间距较Y1短,叶倾角较Y1小,这使得叶片反光面积增加和光在叶片的散射减弱;Y2叶片比Y1叶片略厚,同时叶色较深,这样Y2叶片对近红外光的二次散射和对可见光的吸收加强。图2 冠层和叶片光谱比较Fig.2Comparison of spectra of canopy and leaf for 2 varieties of corn212 冠层和叶片光谱的红边参数植被光谱的红边参数主要有:(1)红边位置red:红光范围(680760nm)内一阶导数光谱最大值所对应的波长(单位:nm);(2)红边幅值(又称红边斜率)Dred:红光范围(680760nm)内一阶导数光谱的最大191第3期 唐延林,等:玉米高光谱及其红边特征分析 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/值(单位:nm-1);(3)红边峰值面积(简称红边面积)Sred:680760nm之间的一阶导数光谱所包围的面积(无量纲和单位)。本文一阶导数采用差分计算,D=Ri+1-Ri-1i+1-i-1。有人认为有两个因素决定着红边位置和红边斜率:一个是叶绿素含量,它能引起700nm附近的光谱变化;另一个是作物对近红外波段的散射特性,它由冠层结构和叶片结构等因素决定。从图3可见,玉米冠层光谱的红边具有“双峰”现象,这跟大多数绿色植物的红边相似。在生长早期,由于冠层叶面积指数较小,受土壤背景的影响,冠层光谱的“双峰”现象并不明显,随着发育期推移,生物量增加、叶面积指数增大,土壤背景对冠层光谱的影响减小,双峰”现象愈来愈明显,到开花期时达到最大,以后随着玉米成熟,下部叶片开始变黄、脱落,“双峰”现象逐渐减弱。图3 玉米冠层光谱的红边Fig.3The red edge of corn从图4可见,试验的两个品种玉米冠层反射光谱的红边位置在整个生育期内处于710740nm之间。在试验期间,随发育期推移,红边位置一直呈“红移”现象,而红边幅值和红边面积在拔节前呈“红移”现象,到开花期时达到最大,开花后逐渐减小,呈“蓝移”现象。另外,Y2的红边幅值和红边面积随栽种时间的变化要快于Y1,这可能是Y2的生育期比Y1短的缘故。图4 冠层光谱红边参数随发育期的变化Fig.4The change of parameters of red edge with growth for canopy spectra213 红边参数与LAI地上生物量和叶鲜重的相关性分别计算红边参数red、Dred、Sred与叶面积指数LAI、地上鲜生物量AFM、地上干生物量ADM和鲜叶重FLM之间的相关系数,结果见表1。从表1可见,3个红边参数与LAI、AFM、ADM和FLM之间有很好的相关性,都达到了0101的极显著水平,因此,可以用玉米冠层反射光谱的红边参数red、Dred、Sred来估算其叶面积指数、地上生物量和鲜叶重,估算回归方程如表2所示。另外,从表1还可知,玉米冠层反射光谱3个红边参数彼此之间也存在极显著相关。291山 地 农 业 生 物 学 报2003年 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/表1 玉米冠层光谱红边参数与LAI、地上生物量及鲜叶重的相关系数(n=30)Tab.1Correlation coefficient between the parameters of red edge of canopy spectra and LAI,biomass above ground and leaf fresh mass for corn(n=30)红 边 参 数LAIAFM(g)ADM(g)FLM(g)red(nm)Dred(nm-1)Sredred(nm)0.812330.774330.731330.754331.0000.661330.79033Dred(nm-1)0.814330.729330.553330.914330.661331.0000.87733Sred0.869330.753330.628330.885330.790330.877331.000 注:33表示通过0101显著性检验;AFM、ADM、FLM分别表示地上鲜生物量、地上干生物量和鲜叶重,下同。表2 玉米LAI、地上生物量和鲜叶重对其冠层光谱红边参数的回归方程(n=30)Tab.2Regression equations relating the parameters of red edge of canopy spectra to LAI,biomass above ground and fresh leaf mass for corn(n=30)回 归 方 程 R2FtSig.估计标准误LAI=0.188red-133.0810.66054.2937.3680.0001.364 7=456.843Dred-0.0970.66254.8397.4050.0001.360 2=17.043Sred-1.5320.75586.4309.2970.0001.157 3AFM=22.356red-15 845.20.59941.7586.4620.000184.608 0=50 945.67Dred-48.7030.53131.6665.6270.000199.610 9=1 839.886Sred-193.6720.56736.7316.0610.000191.642 0ADM=2.954red-2 092.9120.53532.1805.6730.00027.782 7=5 404.983Dred+2.0520.30612.3303.5110.00233.937 7=214.255Sred-18.0380.39418.1914.2650.00031.711 6FLM=5.850red-4 136.7640.56836.8446.0700.00051.428 7=17 165.01Dred-26.4720.835141.83411.9090.00031.778 1=580.383Sred-65.5480.783100.84410.0420.00036.484 5214 红边参数与叶绿素、类胡萝卜素的相关性分别计算完全展开倒一、三叶反射光谱红边参数red、Dred、Sred与叶片叶绿素、类胡萝卜素含量之间的相关系数,结果见表3。从表3可见,红边参数red、Dred与叶片叶绿素a、叶绿素b、总叶绿素及类胡萝卜素含量之间有很好的相关性,都达到了0101的极显著水平,而Sred与叶绿素、类胡萝卜素含量的相关性不明显。因此,可以用叶片反射光谱的红边参数red、Dred来估算其叶绿素、类胡萝卜素含量,估算回归方程如表4所示。表3 玉米叶片光谱红边参数与叶绿素、类胡萝卜素的相关系数(n=72)Tab.3Correlation coefficient between the parameters of red edge of leaves spectraand chlorophyll and carotenoid for corn(n=72)红 边 参 数Chla(mg/g)Chlb(mg/g)Chl(mg/g)Car(mg/g)red(nm)Dred(nm-1)Sredred(nm)0.511330.495330.508330.468331.0000.524330.58333Dred(nm-1)0.689330.687330.690330.646330.524331.0000.91333Sred0.560330.556330.560330.501330.583330.913331.000 注:Chla、Chlb、Chl、Car分别表示叶绿素a、叶绿素b、总叶绿素及类胡萝卜素含量,下同。表4 玉米叶片色素含量对其光谱红边参数的回归方程(n=72)Tab.4Regression equations relating the parameters of red edge of leaves to their pigment contents for corn(n=72)回 归 方 程 R2FtSig.估计标准误Chla=4.72710-2red-31.9560.26124.7494.9750.0000.836 4=600.094Dred-1.5370.47463.1837.9490.0000.705 5=16.576Sred-2.1370.31431.9935.6560.0000.806 2391第3期 唐延林,等:玉米高光谱及其红边特征分析 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/ 续表4回 归 方 程 R2FtSig.估计标准误Chlb=1.20310-2red-8.0850.24522.6854.7630.0000.222 3=157.366Dred-0.3720.47262.6147.9130.0000.185 9=4.329Sred-0.5250.31031.3885.6020.0000.212 5Chl=5.93010-2red-40.0410.25924.4084.9400.0001.056 6=757.460Dred-1.9100.47563.4387.9650.0000.888 8=20.905Sred-2.6630.31432.0115.6580.0001.016 5Car=1.49110-2red-10.0230.21919.6144.4290.0000.296 4=194.087Dred-0.4550.41850.2457.0880.0000.255 9=5.110Sred-0.5860.25123.4554.8430.0000.290 23 结 论通过上述实验与分析,可以得到以下结论:311 随发育期推移,玉米冠层光谱反射率在可见光范围内降低,在近红外区域增高,到开花期时两者差异最大;开花以后,在可见光和近红外范围内反射率均降低。生育期越长,冠层光谱随时间变化越慢。312 玉米冠层光谱的红边具有“双峰”现象,其现象随发育期推移愈趋明显,到开花期时达到最大,此后,“双峰”现象逐渐减弱。313 冠层反射光谱的红边位置在整个生育期内处于710740nm之间。随发育期推移,红边位置呈“红移”现象,而红边幅值和红边面积在拔节前呈“红移”现象,到开花期时达到最大,开花后逐渐减小,呈“蓝移”现象。314 玉米冠层反射光谱红边参数red、Dred、Sred与叶面积指数、地上鲜生物量、地上干生物量和鲜叶重之间存在极显著相关,完全展开倒一叶叶绿素a、叶绿素b、总叶绿素及类胡萝卜素含量与其反射光谱的红边参数red、Dred、Sred也极显著相关,这说明可以用光谱红边参数red、Dred、Sred来估算叶面积指数、地上生物量、鲜叶重、叶片的叶绿素(叶绿素a、叶绿素b、总叶绿素)和类胡萝卜素含量。参 考 文 献:1 Shibayama M,Akiyama T.Seasonal visible,near2infrared and mid2infrared spectra of rice canopies in relation to LAI and above2grounddry phytomassJ.Remote Sens Environ,1989,27:119-127.2 Gausman H W,Allen W A,Cardenas R,et alRelation of light reflectance to histological and physical evaluations of cotton leaf maturityJ.Appl Optics,1970,9:545-552.3 Card D H,Peterson D L,Matson P A,et al.Prediction of leaf chemistry by the use of visible and near infrared reflectance spectroscopyJ.Remote Sens Environ,1988,26:123-147.4 Vane G.Terrestrial imaging spectrometry:current status,future trendsJ.Remote Sens Enviro,1993,44(2):109-127.5 Curran 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