生長期冬小麥冠層光譜特征分析

申懷飛　侯剛　張鵬飛　楊文倩

摘要：采用野外地物光譜儀對樣地冬小麥進行實地測量，對實測冬小麥光譜數據進行了分析。結果表明，①冬小麥冠層光譜反射曲線走勢大致與綠色健康植物的一般光譜特征一致，冬小麥的生長狀況都比較良好，在7個生長階段中，變化主要發(fā)生在開花期、灌漿期；②比較整個生長期內各個波段的反射率，變化最大的為黃光波段和綠光波段，其次是紅光波段和橙光波段，紅外波段與藍光波段較小，紫外波段的反射率在各個階段的變化均遠小于其他波段。在可見光波段，冬小麥冠層光譜的反射率是比較穩(wěn)定的，變化集中表現在紅光及近紅外波段；③隨著太陽高度角的增大，其各個波段的反射率均呈上升趨勢，在11∶20太陽高度角接近最大時反射率達到最大，接著隨太陽高度角的減小，冬小麥各個波段的反射率呈下降趨勢；④葉面滯塵量和種植密度對于冬小麥光譜曲線均有影響，但由于條件限制和外界因素影響，未能精確地分析這兩種因素對于冬小麥光譜曲線的影響特征。

關鍵詞：冬小麥；生長期；冠層；高光譜；反射率

中圖分類號S512.1+1 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2013）09-1998-04

健康綠色植被具有基本的光譜特性，其光譜反射率有一定的變化范圍，但曲線形態(tài)變化是基本相似的。不同的植被類別因其葉子的色素含量、細胞結構、含水量均有不同，故光譜反射率存在著一定差異[1]，這種差異是人們鑒別和監(jiān)測植被的依據。小麥的光譜特征研究一直是植物光譜研究的重點，目前國內外對小麥光譜的研究主要集中在不同施肥水平下小麥冠層光譜特征的分析、不同水分狀況與小麥冠層光譜特征的關系、葉片營養(yǎng)診斷、葉面積指數等與光譜特性的相關性、病蟲害或倒伏及葉片灰塵對光譜特征的影響等方面，所有這些研究都是以植被光譜特征為基礎進行的[2-5]。但植被在生長發(fā)育的不同階段，其光譜特征也不斷變化[6，7]。影響植物光譜的因素有植物本身的結構特征，也有外界的影響，如空氣、土壤等環(huán)境因子的影響。因此，對植物光譜特征及其相關因子的研究具有重要的理論和現實意義。為此，在河南省許昌市東郊北宋莊附近選取小麥樣地4塊，每塊樣地中選取1個1 m×1 m的樣方，利用實測數據繪制生長期冬小麥冠層光譜特征曲線，分析生長期各個階段冬小麥冠層光譜特征變化規(guī)律，為實現高光譜監(jiān)測大面積冬小麥長勢提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 試驗樣區(qū)概況

試驗樣區(qū)安排在河南省許昌市市郊，位于河南省中部，平均海拔72.8 m，屬暖溫帶季風區(qū)，氣候溫和，光照充足，雨量充沛，無霜期長，四季分明。春季干旱多風沙，夏季炎熱雨集中，秋季晴和氣爽日照長，冬季寒冷少雨雪。年平均氣溫14.7 ℃，年平均日照時間2 280 h，年平均降雨量579 mm，無霜期217 d。許昌市現有冬小麥種植面積21.7萬hm2。主要的農業(yè)土壤比較肥沃，非常適宜農業(yè)耕種。

1.2 數據來源及處理

數據主要是野外實測冬小麥光譜數據。在試驗樣區(qū)選取4塊樣地，每塊樣地選取1個1 m×1 m的樣方，利用美國ASD野外光譜輻射儀進行測定，其波長范圍為325～1 075 nm，光譜分辨率為1 nm。為保證測定數據間的統(tǒng)一可比性，測定時選擇晴朗、無云、無風天氣，在每次測量前都要進行標準白板優(yōu)化校正，優(yōu)化時標準白板水平放置在沒有任何陰影光線直射的地方，優(yōu)化后白板的反射率為1。測定光譜時光譜儀探頭垂直向下，測量時保證探頭的平穩(wěn)。每個采樣點每次記錄5～6個采樣光譜，刪除不合格數據后，取剩余幾個光譜數據的平均值，即為每個采樣點最后的光譜輻射值。采樣時間是在起身期（3月9日）、返青期（3月15日）、拔節(jié)期（3月23日）、孕穗期（4月3日）、抽穗期（4月16日）、開花期（4月23日）、灌漿期（4月30日）7個階段進行，測量的時間段為10∶00～14∶00，在光照條件良好、陽光幾乎直射的時段內進行光譜測定（太陽高度角大于45°）。光譜數據處理是基于ViewSpecPro軟件平臺，按照相關公式計算得出冬小麥冠層光譜反射率及其曲線圖。

1.3 研究方法

對經過預處理后的光譜特征數據進行光譜分析，總結出冬小麥光譜曲線隨生長期不同所發(fā)生的變化，并比較同一生長期同一因素的不同情況下冬小麥光譜曲線，找出單一因素對冬小麥光譜曲線影響的相應波段。冬小麥的生長期分為發(fā)芽、出苗、分蘗、越冬、返青、拔節(jié)、孕穗、抽穗、開花、灌漿、成熟11個階段，由于條件限制，試驗只抽取了冬小麥生長期中7個光譜變化較為明顯和連續(xù)的階段進行分析。定期定點采集生長期冬小麥冠層光譜數據并繪制出光譜曲線圖及曲線對照圖，通過多次采集得出冬小麥在生長期各個階段冠層光譜曲線。對所采集的生長期冬小麥冠層光譜曲線進行綜合和對照，得出各冬小麥生長期總體光譜特征。

2 結果與分析

2.1 冬小麥冠層光譜變化特征綜合分析

2.1.1 冬小麥冠層光譜變化總趨勢 對各樣地冬小麥光譜各生長階段的光譜發(fā)射率求取平均值，并據此分析生長期不同階段冬小麥冠層光譜反射率總體變化趨勢，結果如圖1所示?？偟膩碚f，在整個生長周期內冬小麥冠層光譜反射率呈現增長的趨勢，具體來說，冬小麥在起身期時的反射率最低，從起身期到抽穗期冬小麥光譜反射率緩慢上升，抽穗期到開花期光譜反射率有所下降，開花期至灌漿期又小幅上升。比較各波段的反射率值，反射率達到最大值時，變化最大的為黃光波段和綠光波段，其次是紅光波段和橙光波段，紅外波段與藍光波段較小，紫外波段的反射率在各個階段均遠小于其他波段。另外，在750 nm（紅光）、780 nm（近紅外）波段處有兩個峰值，在760 nm附近有一個吸收帶（圖2），這個吸收谷是紅光吸收谷[8]，它的深淺程度與冬小麥的葉綠素含量有關，冬小麥生長越旺盛，植株中葉綠素的含量就越高，紅光吸收谷越深。在970 nm處有一個小的吸收帶（圖2），是水分吸收帶，葉子水分含量越大，水分吸收帶就越深。

2.1.2 各樣地冬小麥各生長期冠層光譜變化曲線 試驗共選定4塊樣地，根據測定的光譜數據，繪制4塊樣地冬小麥生長期不同階段冠層光譜反射率曲線圖（圖2），并據此具體分析4塊樣地整個生長期冬小麥冠層光譜變化特征。由圖2可以看出，1號樣地冬小麥在起身、返青、拔節(jié)3個階段的光譜反射率逐漸上升，這是因為隨著時間的推移，冬小麥不斷生長，土地裸露的面積越來越小，葉面積覆蓋度越來越大。至孕穗階段冠層光譜反射率穩(wěn)定下來，其后3個階段的光譜反射率與孕穗期基本一致，無明顯變化。

2號樣地冬小麥在生長期內生長發(fā)育正常。該樣地冬小麥在起身到返青這一階段生長速度很快，在返青期光譜反射率已經趨于穩(wěn)定，與拔節(jié)、孕穗、灌漿期基本一致。異常之處在于抽穗期光譜反射率在紅光及近紅外波段光譜反射率突然升高，高于其他幾個生長階段的光譜反射率；開花期光譜反射率突降，與起身期光譜反射率在同一個水平上。

3號樣地冬小麥起身期與返青期反射率基本一致，拔節(jié)期小幅上升，說明3號樣地在生長期的前3個階段生長較為緩慢，尤其是起身期到返青期，其光譜反射基本沒有變化，到孕穗期其光譜反射率基本穩(wěn)定。異常之處在于灌漿期光譜反射率大幅度上升。

4號樣地冬小麥起身期與返青期光譜反射率基本相同，從返青期到開花期光譜反射率持續(xù)上升，異常之處是灌漿期小麥的光譜反射率突然下降，與起身期與返青期接近。

綜上分析可以看出，在整個生長期內4塊樣地的光譜曲線均符合綠色健康植物光譜特征，這說明4塊樣在生長期內生長正常。在7個生長階段中，2號樣地抽穗期光譜反射率較高，到開花期則突然降至和起身期同一水平；3號樣地灌漿期光譜反射率過高；4號樣地開花期光譜反射率極高，到灌漿期則突然降至較低水平。

2.2 冬小麥光譜曲線特征變化部分環(huán)境因素影響分析

2.2.1 太陽高度角的影響 通過1 d內對10個不同時間段的冬小麥生長期光譜采集繪制光譜曲線分析可以得出從7∶20隨著太陽高度角的增長，其各個波段的反射率均呈上升趨勢，在11∶20太陽高度角最大時反射率達到最大，接著隨太陽高度角的減小，冬小麥各個波段的反射率呈下降趨勢。分析其原因在于：太陽高度角直接影響冬小麥光譜的反射率，當太陽越趨近于直射的時候，冬小麥冠層所接受到的太陽輻射量就越大，反射率就越大，由此可以得出在11∶00左右采集冬小麥光譜數據為最佳時段。

2.2.2 樣地種植密度的影響 選取3塊種植密度差異較大（經抽樣密度分別約為800、1 000、1 200株/m2） 的麥田，分別采集了多個時段的冬小麥光譜數據，經過數據處理及分析后發(fā)現，在冬小麥生長期的不同階段，3塊種植密度不同的麥田的光譜曲線沒有顯示明顯的特征及趨勢，具體原因可能是由于此3塊麥田的光譜曲線還受到了其他因素的影響，如灌溉、施肥、小麥長勢等，未能將冬小麥種植密度作為單一變量分離出來，造成未能發(fā)現冬小麥種植密度對于冬小麥光譜曲線的影響。

2.2.3 冬小麥冠層滯塵量對光譜曲線特征的影響 用距離公路的遠近來代表小麥葉面滯塵量的不同，故分別選取距離公路5、10、20 m的3塊樣地，采集其多個時段的冬小麥光譜數據，經過數據處理及分析后發(fā)現，在冬小麥生長期的不同階段，相對于公路不同距離的3塊麥田，即3塊滯塵量不同的麥田的光譜曲線，在排除操作誤差的影響下，距公路5 m樣地冬小麥的反射率（在波長為500～600 nm的波段所顯示的波峰處）始終最大，而距公路10 m和20 m兩塊樣地的差別較小。此結果未能將滯塵量作為單一變量分離出來，造成未能發(fā)現滯塵量對于冬小麥光譜的具體影響。

3 結論與討論

研究采用了野外地物光譜儀對試驗區(qū)的冬小麥進行實地測量，對實測冬小麥的光譜數據進行了定性和定量的分析，研究結果如下。

1）在整個生長期內，4塊樣地冬小麥冠層光譜反射曲線走勢大致相同，與綠色健康植物的一般光譜特征一致，冬小麥的生長狀況都比較良好，其中3號樣地的光譜反射率變化最為異常?？傮w來說，在7個生長階段中，變化主要發(fā)生在開花期和灌漿期。

2）從7∶20隨著太陽高度角的增大其各個波段的反射率均呈上升趨勢，在11∶20太陽高度角最大時反射率達到最大，接著隨太陽高度角的減小，小麥各個波段的反射率呈下降趨勢。小麥冠層滯塵量和小麥種植密度對冬小麥光譜曲線均有影響，但是由于條件限制和外界因素影響，未能準確地發(fā)現這兩種因素對于冬小麥光譜曲線的影響特征。

3）在整個生長周期內，冬小麥冠層光譜反射率總體呈現增長的趨勢。比較各個波段的反射率，反射率達到最大值時，變化最大的為黃光波段和綠光波段，其次是紅光波段和橙光波段，紅外波段與藍光波段較小，紫外波段的反射率在各個階段均遠小于其他波段。在可見光波段，冬小麥冠層光譜的反射率是比較穩(wěn)定的，變化集中表現在紅光及近紅外波段。

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