遙感定量反演農(nóng)作物葉綠素的現(xiàn)狀與發(fā)展

黃祥 周蕊 王茜等

摘要 葉綠素是農(nóng)作物生長(zhǎng)過(guò)程中重要的生理參數(shù)，其含量是評(píng)價(jià)農(nóng)作物長(zhǎng)勢(shì)的重要指標(biāo)。利用定量遙感技術(shù)對(duì)農(nóng)作物葉綠素含量進(jìn)行反演，可輔助大面積農(nóng)作物長(zhǎng)勢(shì)監(jiān)測(cè)、產(chǎn)量預(yù)測(cè)等?？偨Y(jié)并分析了近幾年遙感定量反演葉綠素的主要研究成果，表明物理模型法更具普適性，適宜大面積農(nóng)作物葉綠素含量反演，是未來(lái)定量遙感發(fā)展的重要方向，但是有待輻射傳輸機(jī)理的進(jìn)一步完善；統(tǒng)計(jì)模型法是目前應(yīng)用最廣的反演模型，但是無(wú)明確物理意義，探索通過(guò)不同光譜特征量組合來(lái)改善模型普適性，減弱環(huán)境因素影響，對(duì)提升當(dāng)前統(tǒng)計(jì)模型反演精度有重要意義。

關(guān)鍵詞 農(nóng)作物；定量遙感；葉綠素含量

中圖分類號(hào) S127 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼

A 文章編號(hào) 0517-6611（2018）32-0192-03

The Status and Development of Quantitative Retrieval of Crop Chlorophyll by Remote Sensing

HUANG Xiang，ZHOU Rui，WANG Qian et al （Agricultural Science and Technology Information Center，Chongqing Academy of Agricultural Sciences，Chongqing 401329）

Abstract Chlorophyll is an important physiological parameter in the growing process of crops，and its content is an important index to evaluate crop growth.The quantitative remote sensing technique can be used to invert the chlorophyll content of crops，which can be used to monitor the growth of largeareas of crops.We summarized and analyzed the main research results of quantitative retrieval of chlorophyll by remote sensing in recent years，and showed that the physical model method was more universal and suitable for the inversion of chlorophyll content of largearea crops，which was an important direction for the future development of quantitative remote sensing，but depended on further improvement of radiation transmission mechanism.The statistical model method was the most widely used inversion model at present，but it had no clear physical significance.By combining different spectral features，it can improve the universality of the model，reduce the influence of environmental factors，and improve the accuracy of statistical model inversion results.

Key words Crop；Quantitative remote sensing；Chlorophyll content

基金項(xiàng)目 重慶市科研院所績(jī)效激勵(lì)引導(dǎo)專項(xiàng)（cstc2017jxjl00014）。

作者簡(jiǎn)介 黃祥（1988—），男，四川綿陽(yáng)人，助理工程師，碩士，從事遙感信息提取研究。*通訊作者，副研究員，碩士，從事農(nóng)業(yè)遙感數(shù)據(jù)分析與應(yīng)用研究。

收稿日期 2018-09-18

葉綠素是植物進(jìn)行光合作用的重要物質(zhì)，其含量是反映植被生長(zhǎng)階段以及營(yíng)養(yǎng)狀況的重要參數(shù)[1]，對(duì)于作物長(zhǎng)勢(shì)監(jiān)測(cè)、產(chǎn)量預(yù)測(cè)、病蟲害監(jiān)測(cè)等具有重要的意義。常用的葉綠素含量測(cè)定方法是采用葉綠素速測(cè)儀測(cè)量葉綠素含量的相對(duì)值，如SPAD-502，它針對(duì)具體葉片進(jìn)行測(cè)量，是樣本點(diǎn)數(shù)據(jù)，而不是田塊尺度的葉綠素面狀分布數(shù)據(jù)，應(yīng)用受限。遙感技術(shù)以其簡(jiǎn)便快速、靈敏準(zhǔn)確、非破壞性等優(yōu)點(diǎn)，為區(qū)域尺度大范圍的作物葉綠素含量監(jiān)測(cè)提供了有效途徑，它被廣泛應(yīng)用于農(nóng)作物生化參數(shù)的估算。當(dāng)前關(guān)于葉綠素含量遙感反演已經(jīng)取得了較大進(jìn)展，其反演方法主要包括統(tǒng)計(jì)模型法、物理模型法和耦合模型法[2]。該研究詳細(xì)介紹了當(dāng)前遙感反演農(nóng)作物葉綠素含量的常見模型，比較了不同模型的優(yōu)缺點(diǎn)，討論了葉綠素含量估算模型的適用情況和發(fā)展趨勢(shì)。

1 統(tǒng)計(jì)模型法

統(tǒng)計(jì)模型法又稱經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ头?，是基于葉綠素含量與光譜特征量間的相關(guān)性，運(yùn)用統(tǒng)計(jì)分析方法，得到葉綠素反演模型。光譜特征量包括植被指數(shù)、基于位置信息的光譜特征量、基于面積信息的光譜特征量。葉綠素含量通過(guò)地面實(shí)測(cè)得到，而光譜數(shù)據(jù)處理方法包括比值法、微分法等。常見的光譜特征量見表1。常用統(tǒng)計(jì)分析方法包括傳統(tǒng)回歸分析法，比如一元線性回歸方法、多元回歸方法、指數(shù)回歸分析、冪函數(shù)回歸分析等；神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法；支持向量機(jī)分析；偏最小二乘回歸分析；主成分回歸分析；隨機(jī)森林算法等。反演模型的精度評(píng)價(jià)通?；跊Q定系數(shù)（R2）、均方根誤差（RMSE）等指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)。其中，R2越接近1越好，RMSE值越小越好。

1.1 植被指數(shù)

植被指數(shù)從數(shù)學(xué)角度而言也屬于光譜衍生參數(shù)，但部分植被指數(shù)能弱化土壤、大氣、光照幾何特性等干擾信息，有利于提高葉綠素含量的估算精度。葉綠素對(duì)不同波長(zhǎng)入射光的吸收、散射和反射不同，通過(guò)一個(gè)葉綠素弱吸收波段對(duì)一個(gè)葉綠素強(qiáng)吸收波段進(jìn)行校正，可以獲得更適宜葉綠素反演的植被指數(shù)[3]。Sims等[4]通過(guò)引入藍(lán)波段反射率對(duì)比值植被指數(shù)進(jìn)行改造，構(gòu)造了綠波段葉綠素指數(shù)、紅邊波段、葉綠素指數(shù)，實(shí)驗(yàn)證明改進(jìn)后的植被指數(shù)可以提升葉綠素含量估算精度。孫勃巖等[5]對(duì)冬小麥冠層葉綠素質(zhì)量分?jǐn)?shù)和冠層光譜特征進(jìn)行田間實(shí)測(cè)，利用實(shí)測(cè)葉綠素含量分?jǐn)?shù)與7種植被指數(shù)，分別運(yùn)用傳統(tǒng)回歸分析方法和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法搭建冬小麥葉綠素質(zhì)量分?jǐn)?shù)的反演模型，結(jié)合實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行反演精度分析，結(jié)果表明傳統(tǒng)回歸模型中基于新型植被指數(shù)NVI構(gòu)建驗(yàn)證模型的精度最高：R2為0.637 1， RMSE為2.007 8；基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建驗(yàn)證模型的精度：R2為0.704 8，RMSE為1.744 6。顯然基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的反演模型精度優(yōu)于其他7種基于植被指數(shù)的傳統(tǒng)回歸模型。賀英等[6]利用搭載數(shù)碼相機(jī)的輕小型無(wú)人機(jī)，采集研究區(qū)玉米R(shí)GB影像，使用土壤調(diào)節(jié)植被指數(shù)對(duì)研究區(qū)影像進(jìn)行分割，基于分割前后的影像分別提取15種常見的可見光植被指數(shù)，運(yùn)用傳統(tǒng)回歸分析法和隨機(jī)森林算法構(gòu)建玉米冠層SPAD值估算模型，結(jié)果表明將數(shù)碼相機(jī)影像用于玉米葉綠素含量的估測(cè)是可行的。王爍等[7]選擇對(duì)葉綠素含量響應(yīng)敏感的波段構(gòu)成的13種植被指數(shù)以及從原始光譜波段400～2 000 nm中相隔10 nm提取的光譜反射率，計(jì)算所有可能的兩兩反射率比值，得到比值光譜指數(shù)，結(jié)合實(shí)測(cè)棉花葉片葉綠素相對(duì)含量，運(yùn)用傳統(tǒng)回歸分析方法進(jìn)行建模。模型精度驗(yàn)證結(jié)果表明，二次回歸模型最優(yōu)，植被指數(shù)構(gòu)建的驗(yàn)證模型最高精度：R2為0.785；比值光譜指數(shù)構(gòu)建的驗(yàn)證模型精度：R2為1.000。章文龍等[8]提取了13種光譜植被指數(shù)，運(yùn)用傳統(tǒng)回歸分析方法，構(gòu)建了秋茄葉綠素含量估算模型。李粉玲等[9]基于15種常見植被指數(shù)，運(yùn)用傳統(tǒng)回歸分析方法和隨機(jī)森林回歸算法構(gòu)建了冬小麥不同生育期葉片葉綠素含量估算模型。Rondeaux等[10]提出了優(yōu)化土壤調(diào)節(jié)植被指數(shù)來(lái)減弱土壤對(duì)冠層尺度葉綠素含量估算的影響，結(jié)果表明該指數(shù)在不同覆蓋度下都能取得很好的反演結(jié)果。Liu等[11]建立了增強(qiáng)植被指數(shù)，通過(guò)引入藍(lán)波段以增強(qiáng)植被信號(hào)，校正土壤背景影響，結(jié)果表明在植被茂密區(qū)反演作物葉綠素能取得較好的效果。

1.2 光譜曲線特征

光譜曲線特征的提取通常是運(yùn)用光譜微分法，比如光譜曲線一階導(dǎo)數(shù)的最值、光譜曲線包圍的面積等。Gitelson等[12]研究表明紅邊參數(shù)與葉綠素之間有密切的統(tǒng)計(jì)關(guān)系，決定系數(shù)高于0.9；黃文江等[13]利用紅邊位置參數(shù)估算了冬小麥葉片葉綠素含量，決定系數(shù)高于0.7。楊可明等[14]實(shí)測(cè)玉米葉片葉綠素含量和葉片光譜數(shù)據(jù)，利用包絡(luò)線去除和光譜微分法提取葉片光譜曲線特征參數(shù)，將光譜特征參數(shù)與不同植被指數(shù)結(jié)合，進(jìn)行主成分分析，提取前4個(gè)主分量，作為小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入因子，反演得到玉米葉片葉綠素含量，結(jié)果表明小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的決定系數(shù)為0.742 1，高于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的0.706 7，其預(yù)測(cè)精度比BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)更好。余蛟洋等[15]利用地面實(shí)測(cè)蘋果葉片光譜反射率，提取了17種光譜特征參數(shù)，采用傳統(tǒng)回歸分析法和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建了蘋果各生育期葉片葉綠素含量估算模型，結(jié)果表明BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)表現(xiàn)最優(yōu)。李媛媛等[16]利用光譜微分法基于原始實(shí)測(cè)光譜曲線，提取11種葉片光譜曲線特征參數(shù)，運(yùn)用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、偏最小二乘回歸、主成分回歸、傳統(tǒng)回歸等分析法，建立了玉米葉片葉綠素含量估算模型，并比較了不同模型模擬結(jié)果，結(jié)果表明BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型預(yù)測(cè)精度最高。

1.3 植被指數(shù)結(jié)合光譜曲線特征

馬文君等[17]提取了22種對(duì)葉綠素含量敏感的光譜指數(shù)和7種紅邊參數(shù)，結(jié)合棉花葉片葉綠素含量，運(yùn)用傳統(tǒng)回歸分析方法和偏最小二乘回歸法分別構(gòu)建反演模型，對(duì)模型預(yù)測(cè)能力檢驗(yàn)結(jié)果表明，傳統(tǒng)回歸模型的決定系數(shù)為0.530 0左右，而偏最小二乘回歸模型為0.737 0。張卓然等[18]通過(guò)地面實(shí)測(cè)棉花葉片光譜反射率，提取6種植被指數(shù)和2種基于位置信息的光譜特征量，利用傳統(tǒng)回歸分析法和支持向量機(jī)分析法，構(gòu)建棉花葉片SPAD值遙感估算模型，結(jié)果表明支持向量機(jī)模型估算精度更高。梁亮等[19]選擇16種植被指數(shù)和2種光譜曲線特征，以最小二乘支持向量回歸算法建立了小麥冠層葉綠素含量反演模型，結(jié)果表明紅邊位置指數(shù)在所選指數(shù)中的反演精度最高。田明璐等[20]利用高光譜無(wú)人機(jī)采集棉花高光譜影像，提取14種植被指數(shù)和13種光譜曲線特征，采用傳統(tǒng)回歸分析方法和偏最小二乘回歸分析法，建立了6個(gè)葉綠素含量估算模型，結(jié)果表明使用與葉綠素相關(guān)性高的單一光譜特征量建模，可獲得較高的建模精度和單點(diǎn)驗(yàn)證精度，但用于區(qū)域反演時(shí)，效果并不理想，因此，采用多個(gè)光譜特征量構(gòu)建的模型具有更好的反演效果。

遙感監(jiān)測(cè)作物葉綠素含量基于對(duì)葉綠素含量敏感的波段反射率差異，顯然單一的光譜特征量未能充分利用各波段的差異信息，因此，對(duì)于區(qū)域遙感反演作物葉綠素含量，組合不同光譜特征量是一種重要方式，但是光譜特征量過(guò)多，將帶來(lái)數(shù)據(jù)冗余，計(jì)算量大，模型復(fù)雜化。最佳的光譜特征組合需要權(quán)衡光譜特征數(shù)量和模型精度。

2 物理模型法

物理模型基于輻射傳輸機(jī)制，描述光在葉片、莖稈之間傳輸?shù)墓庾V特性，具有明確的物理含義。當(dāng)前廣泛使用的物理模型是基于冠層的PROSAIL模型和基于葉片的PROSPECT模型，通過(guò)模擬不同葉綠素含量水平下作物冠層和葉片的光譜反射率，運(yùn)用迭代數(shù)值優(yōu)化法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、查找表算法、支持向量機(jī)算法等反演得到葉綠素含量。

2.1 針對(duì)葉片尺度的PROSPECT模型

Sun等[21]運(yùn)用高光譜雷達(dá)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)包含32個(gè)光譜通道，覆蓋范圍539～910 nm，融合光譜與空間探測(cè)能力。通過(guò)PROSPECT模型反演了水稻葉片葉綠素含量，作為對(duì)比，運(yùn)用支持向量回歸分析法，構(gòu)建支持向量回歸模型，表明這個(gè)光譜范圍適合探測(cè)葉綠素含量，并且PROSPECT模型反演精度更高。

2.2 針對(duì)冠層尺度的PROSAIL模型

Croft等[22]基于光學(xué)遙感數(shù)據(jù)，使用PROSAIL輻射傳輸模型估算了黑云杉、糖楓樹、桃楊樹等植被冠層葉綠素含量，這些植被具有不同冠層郁閉度和冠層結(jié)構(gòu)，結(jié)果表明由衛(wèi)星圖像反演得到的葉片葉綠素含量與實(shí)測(cè)葉綠素含量值有良好的關(guān)聯(lián)，具有強(qiáng)烈的線性和可以忽略的偏差，基于中尺度分辨率影像和Landsat5影像的驗(yàn)證模型決定系數(shù)分別為0.62和0.65。Botha等[23]利用PROSAIL模型，基于馬鈴薯冠層光譜反射率反演葉片葉綠素含量，結(jié)果表明該模型能減少土壤反射率影響，反演精度較高。

農(nóng)作物對(duì)光譜輻射的吸收、透射、反射受到多種因素影響，如葉片傾角、葉片結(jié)構(gòu)、葉面積指數(shù)等，目前還無(wú)法精確描述光譜輻射的傳輸機(jī)制，因此，基于光譜輻射傳輸機(jī)制的物理模型模擬的農(nóng)作物冠層或葉片輻射率與其真實(shí)輻射率間存在一定差異。

3 耦合模型

將統(tǒng)計(jì)模型和物理模型進(jìn)行耦合，融合各自優(yōu)勢(shì)：統(tǒng)計(jì)模型，效率高，精度較理想，但是隨時(shí)空改變而變化；物理模型，考慮作物生理參數(shù)對(duì)光譜反射率的影響，但模型過(guò)于復(fù)雜，參數(shù)太多，且參數(shù)間互相影響。因此，通過(guò)物理模型，模擬不同葉綠素含量下的光譜曲線，分析葉綠素含量與光譜曲線間的關(guān)系，比如優(yōu)選植被指數(shù)、訓(xùn)練反演模型等，再根據(jù)實(shí)測(cè)作物光譜，利用統(tǒng)計(jì)模型進(jìn)行葉綠素含量反演。耦合模型能夠最大化統(tǒng)計(jì)模型的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)避免物理模型存在的計(jì)算復(fù)雜、參數(shù)眾多等缺點(diǎn)。

湯旭光等[24]利用PROSAIL模型模擬了4個(gè)層次葉綠素含量下大豆冠層光譜反射率，表明葉綠素主要影響400～700 nm反射率?；诘孛鎸?shí)測(cè)，選取400～700 nm全部波段進(jìn)行小波分析，獲取6個(gè)小波能量系數(shù)，再分別采用傳統(tǒng)回歸分析、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)以及偏最小二乘回歸分析構(gòu)建大豆葉綠素含量估算模型，結(jié)果表明引入小波分析法進(jìn)行高光譜特征提取，構(gòu)建葉綠素反演模型是可行且成功的。呂杰等[25]運(yùn)用PROSPECT模型模擬了不同葉綠素含量下玉米葉片反射率，據(jù)此建立訓(xùn)練數(shù)據(jù)集，利用粒子群優(yōu)化算法確定支持向量機(jī)回歸參數(shù)，構(gòu)建玉米葉片葉綠素含量估算模型，利用實(shí)測(cè)玉米葉片高光譜數(shù)據(jù)估算葉片葉綠素含量，結(jié)果表明基于該反演模型能準(zhǔn)確預(yù)測(cè)玉米葉綠素含量。孟慶野等[26]基于PROSAIL模型模擬得到不同葉綠素含量下作物冠層光譜反射率，利用該反射率改進(jìn)葉綠素吸收比率指數(shù)，再結(jié)合土壤背景調(diào)節(jié)指數(shù)，運(yùn)用傳統(tǒng)回歸分析方法，建立了葉綠素估算模型，通過(guò)實(shí)測(cè)小麥冠層光譜和葉片葉綠素含量對(duì)模型進(jìn)行了驗(yàn)證，表明改進(jìn)后的葉綠素吸收比率指數(shù)模型的決定系數(shù)有了較大提升。

4 結(jié)論

統(tǒng)計(jì)模型只具有統(tǒng)計(jì)意義上的相關(guān)性，方法簡(jiǎn)單，無(wú)明確物理含義。作物地理環(huán)境差異使得遙感反演參數(shù)與作物生理參數(shù)不可避免地會(huì)隨著地理環(huán)境的改變而變化，因此統(tǒng)計(jì)模型不可通用。物理模型難以準(zhǔn)確描述輻射傳輸機(jī)制，影響因素較多，使用相對(duì)復(fù)雜，但是其不依賴于植被類型，具有普適性。目前，統(tǒng)計(jì)模型在農(nóng)作物葉綠素含量的估算中應(yīng)用最多，仍占主流。綜上所述，物理模型因其對(duì)環(huán)境適應(yīng)性更好，魯棒性更強(qiáng)，更適合大面積監(jiān)測(cè)，必然是一種發(fā)展趨勢(shì)。物理模型隨著輻射傳輸理論研究的不斷改進(jìn)，還有很大的進(jìn)步空間，值得相關(guān)研究者進(jìn)一步完善。此外，統(tǒng)計(jì)模型反演作物葉綠素含量具有方便、快捷、易操作的優(yōu)勢(shì)，通過(guò)不同特征量組合來(lái)提升反演精度是統(tǒng)計(jì)模型值得探索的一個(gè)方向。

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