夏玉米不同生育期葉片和冠層含水量的遙感反演

劉二華 周廣勝2)* 周 莉 張 峰

1)(中國氣象科學(xué)研究院， 北京 100081)

2)(南京信息工程大學(xué)氣象災(zāi)害預(yù)報(bào)預(yù)警與評(píng)估協(xié)同創(chuàng)新中心， 南京 210044)

3)(中國科學(xué)院植物研究所植被與環(huán)境變化國家重點(diǎn)試驗(yàn)室， 北京 100093)

引 言

作物含水量與作物生長狀況密切相關(guān)，及時(shí)了解作物水分狀況對(duì)作物適時(shí)灌溉以及提高作物產(chǎn)量具有重要指導(dǎo)作用[1]。作物含水量的表示方法主要有可燃物含水量(FMC)、等效水厚度(EWT)、相對(duì)含水量(RWC)等[2]。以上指標(biāo)從不同角度定量表達(dá)了作物含水量，但均通過野外人工實(shí)測數(shù)據(jù)計(jì)算得到，野外測量過程費(fèi)時(shí)、費(fèi)力且局限于點(diǎn)觀測[3-4]。遙感技術(shù)的發(fā)展為作物含水量監(jiān)測提供了有利的技術(shù)手段[5-7]。高光譜技術(shù)反演作物含水量的理論基礎(chǔ)是作物含水量在近紅外光譜波段有明顯的吸收谷，即作物水分變化會(huì)引起光譜反射率的變化，作物水分脅迫狀況可以通過光譜變化體現(xiàn)[8-9]。當(dāng)前，高光譜遙感反演作物葉片、植株和冠層尺度含水量已有大量研究[3]。程曉娟等[10]利用高光譜數(shù)據(jù)建立了冬小麥葉片和冠層尺度的含水量模型。鄭興明等[11]利用Landsat 8 OLI數(shù)據(jù)反演了玉米冠層尺度含水量。Elnaz等[12]反演了4種作物的冠層含水量。作物含水量的高光譜遙感估算方法研究主要有統(tǒng)計(jì)法(光譜指數(shù)法、光譜導(dǎo)數(shù)法、包絡(luò)線消除法和小波分析方法)、物理模型法(葉片與冠層耦合模型PROSAIL)、光譜反射率法[13-14]。光譜指數(shù)法一定程度上考慮了作物內(nèi)部的物理機(jī)制，可以減小光譜反射率單波段的散射特性，還避免了物理模型中一些參數(shù)的獲取[15]。

準(zhǔn)確反演作物含水量需要尋找對(duì)水分敏感的光譜波段并構(gòu)建光譜指數(shù)。綜合以往相關(guān)研究，作物水分敏感的光譜波段主要集中在900～1300 nm和1500～2500 nm的短波紅外波段[16-17]。以上反射率波段建立的植被水分指標(biāo)主要有水分指數(shù)(WI)、歸一化差值水分指數(shù)(NDWI)、歸一化差值紅外指數(shù)(NDII)、水應(yīng)力指數(shù)(MSI)、簡單比水指數(shù)(SRWI)、歸一化多波段干旱指數(shù)(NMDI)、全球植被水分指數(shù)(GVMI)和短波紅外水分脅迫指數(shù)(SIWSI)。以往研究分別對(duì)以上指標(biāo)反演作物含水量的能力進(jìn)行了研究[15，18-23]，均取得一定成果。但在植被生長過程中，植被生長狀況和生育階段等會(huì)導(dǎo)致作物對(duì)光譜響應(yīng)的差異[24]。植被綠度、結(jié)構(gòu)和植被水分信息等均對(duì)植被光譜反射率有貢獻(xiàn)，即使在對(duì)水分敏感的波段，光譜反射率的變化也可能不僅僅代表植被水分的變化[25]。之后有人提出了復(fù)比指數(shù)的概念[26]。復(fù)比指數(shù)是用一個(gè)對(duì)水分含量敏感的植被水分指數(shù)與一個(gè)對(duì)冠層綠度和結(jié)構(gòu)參數(shù)敏感的植被指數(shù)的比值表征。研究表明，復(fù)比指數(shù)可以減小冠層綠度和結(jié)構(gòu)等變化的影響[15]。同一作物不同生育期作物冠層含水量對(duì)光譜指數(shù)的敏感程度存在差異，兩者的相關(guān)關(guān)系也不同。張俊華等[5]認(rèn)為確定特定時(shí)期光譜指數(shù)與相應(yīng)時(shí)期各個(gè)指標(biāo)的關(guān)系是利用光譜監(jiān)測作物長勢的前提。因此，僅使用單一的冠層含水量反演模型難以準(zhǔn)確監(jiān)測全生育期作物含水量，通過構(gòu)建不同生育期各類植被光譜指數(shù)反演作物含水量的最佳模型，篩選出能準(zhǔn)確反演不同生育期作物含水量的光譜指數(shù)模型是本文的主要研究目標(biāo)。可為快速定量監(jiān)測不同生育期夏玉米含水量以及作物長勢提供依據(jù)[27]。

1 野外試驗(yàn)與數(shù)據(jù)處理

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

2014年和2015年的6—10月在中國氣象局固城生態(tài)與農(nóng)業(yè)氣象試驗(yàn)站(39°08′N，115°40′E，海拔15.2 m)大型可控式水分試驗(yàn)場[28]，試驗(yàn)材料為夏玉米“鄭單958”。試驗(yàn)場設(shè)有大型電動(dòng)遮雨棚，占地750 m2，共設(shè)42個(gè)試驗(yàn)小區(qū)，小區(qū)面積8 m2(4 m×2 m)，小區(qū)間筑有3 m深混凝土隔離墻，防止水分水平交換。該站多年平均降水量為494 mm[29]，年變異系數(shù)為62.9%。試驗(yàn)地土壤為褐土，含有機(jī)碳13.67 g·kg-1，全氮0.87 g·kg-1，有機(jī)磷25.76 mg·kg-1，有效鉀118.55 mg·kg-1，pH值為8.1[30]，平均田間持水量為22.1%，平均土壤容重為1.37 g·cm-3[31]。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)1： 2014年6月24日播種夏玉米，小區(qū)玉米行距為50 cm，株距為25 cm，每小區(qū)64穴，每穴播3粒，每個(gè)小區(qū)64株。播種后，各小區(qū)施磷酸二銨300 kg·hm-2，每個(gè)小區(qū)240 g。試驗(yàn)共設(shè)置5個(gè)處理，每個(gè)處理3個(gè)重復(fù)。出苗后7月2日按照設(shè)置的5個(gè)梯度灌溉量進(jìn)行一次性灌溉(表1)。三葉期觀測A～E處理的0～30 cm土壤相對(duì)濕度依次為60%，69%，83%，91%，96%。

表1 2014年夏玉米生長季灌水設(shè)置

試驗(yàn)2： 2015年6月25日播種夏玉米，小區(qū)玉米行距為40 cm，株距為30 cm，每個(gè)小區(qū)67株。拔節(jié)期后按照設(shè)置的5個(gè)處理灌水，每個(gè)處理3個(gè)重復(fù)(表2)。

表2 2015年夏玉米生長季灌水設(shè)置

1.3 觀測要素

1.3.1 夏玉米生長狀況指標(biāo)測定

本文測定的夏玉米主要生育期如下：2014年有三葉期、七葉期、拔節(jié)期(7月30日)、拔節(jié)期(8月7日)、抽雄期、灌漿期和成熟期，2015年有七葉期、拔節(jié)期、抽雄期、開花期、灌漿期和成熟期。每次觀測前，每小區(qū)隨機(jī)選取1株長勢處于該小區(qū)平均生長狀態(tài)的玉米，將玉米葉片取下，用直尺測定葉長和葉寬。將葉片置于電子秤上稱其鮮重，將稱重完畢的樣本裝入信封放入烘箱，以100～105℃殺青2 h，然后將烘箱溫度調(diào)至80℃，烘干24～48 h至恒重，最后稱干重。

1.3.2 夏玉米冠層反射率測定

夏玉米冠層光譜反射率利用美國ASD公司生產(chǎn)的FieldSpec Pro野外高光譜輻射儀測定，光譜儀視場角為25°，光譜范圍為350～2500 nm，光譜間隔為1 nm。測量過程中太陽光線變化較大時(shí)及時(shí)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)白板校正，以優(yōu)化白板參比。觀測時(shí)間為10:00—14:00(北京時(shí))，光照條件較好(太陽高度角大于45°)[32]，觀測時(shí)探頭垂直向下，距離地面1.5 m，每個(gè)小區(qū)觀測采樣20次，將20次觀測數(shù)據(jù)的平均值作為該小區(qū)的光譜反射率。

1.4 數(shù)據(jù)處理

1.4.1 夏玉米含水量計(jì)算

為確保作物含水量估算模型的準(zhǔn)確性和適用性，從冠層尺度和葉片尺度兩方面進(jìn)行分析。冠層含水量(EWTC)表示冠層水平的等效水厚度，是葉片等效水厚度(EWT)與葉面積指數(shù)的乘積，其中葉片等效水厚度指植被水分含量與單位葉面積之比，研究表明EWTC能準(zhǔn)確反映冠層尺度的水分含量[33]，表達(dá)式如下：

EWTC=EWT×LAI,

(1)

(2)

(3)

(4)

可燃物含水量(FMC)指植物體中葉片水分與干物質(zhì)的比值。該指標(biāo)可以表征可燃物含水量狀況，表達(dá)式如下：

(5)

式(1)～(5)中，F(xiàn)W和FD分別表示夏玉米植株的鮮重和干重(單位均為g)，LAI表示夏玉米葉面積指數(shù)(單位為cm2·cm-2)，ρ表示夏玉米種植密度，m為測量株數(shù)，n為第j株的總?cè)~片數(shù)，Lij和Bij分別表示第j株玉米的第i片葉的葉長和最大葉寬，Area表示夏玉米植株葉面積(單位為cm2)。

1.4.2 光譜指數(shù)構(gòu)建

利用光譜處理軟件ViewSpecPro將高光譜數(shù)據(jù)處理為具有物理意義的光譜反射率數(shù)據(jù)，將作物水分敏感的波段轉(zhuǎn)換為光譜指數(shù)。在文獻(xiàn)[34]研究的基礎(chǔ)上，構(gòu)建一個(gè)新的復(fù)比指數(shù)，表達(dá)式為

(6)

新復(fù)比指數(shù)利用一個(gè)對(duì)水分敏感的水分指數(shù)與一個(gè)可以表征植被綠度和結(jié)構(gòu)參數(shù)的敏感指標(biāo)的比值構(gòu)建，可以消除冠層綠度變化對(duì)含水量的影響。

1.4.3 模型檢驗(yàn)

不同生育期夏玉米含水量反演模型精度利用決定系數(shù)(R2)和均方根誤差進(jìn)行檢驗(yàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 夏玉米含水量變化特征

2014年和2015年生長季內(nèi)冠層含水量變化特征相似(圖1)。冠層含水量隨生育期先增大后減小，2014年抽雄期冠層含水量達(dá)到最大，2015年開花期冠層含水量達(dá)到最大。2014年和2015年可燃物含水量均隨生育期變化呈減小趨勢，生育期初期可燃物含水量最大(圖1)。

圖1 夏玉米含水量隨生育期的變化特征

2.2 光譜反射率變化特征

圖2是夏玉米抽雄期的光譜反射率變化特征，由圖2可見，2014年和2015年夏玉米抽雄期不同波段處光譜反射率變化特征相似，大氣中存在3個(gè)水分強(qiáng)吸收帶，波段范圍為1360～1400 nm，1820～1930 nm和2400～2500 nm附近。由于光譜波動(dòng)范圍較大，不適宜與冠層含水量做相關(guān)性分析。本文選取350～1350 nm，1450～1800 nm波段構(gòu)建植被光譜指數(shù)。

圖2 夏玉米抽雄期冠層光譜反射率變化特征

2.3 夏玉米冠層含水量模型

以下采用3個(gè)植被水分指數(shù)、2個(gè)復(fù)比指數(shù)和1個(gè)紅外反射率面積指數(shù)分別與2014年夏玉米不同生育期可燃物含水量(FMC)和等效水厚度(EWTC)建立回歸模型并分析模型精度。

2.3.1WI指數(shù)

水分指數(shù)(WI)由參考波段和特長波段的比值構(gòu)建，該指數(shù)中參考波段為900 nm，特長波段為970 nm，R900和R970分別表示900 nm和970 nm處的光譜反射率(下同),WI表達(dá)式如下：

(7)

利用試驗(yàn)觀測數(shù)據(jù)中的光譜反射率數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換得到WI指數(shù)，將同一生育期不同水分處理的WI與對(duì)應(yīng)冠層含水量和可燃物含水量進(jìn)行回歸分析(圖3)。結(jié)果顯示：WI值越大，冠層含水量越高，七葉期及之后WI與冠層含水量呈顯著線性關(guān)系。由表3中R2大小可知，WI指數(shù)反演不同生育期冠層含水量精度從高到低為抽雄期、拔節(jié)期、灌漿期、成熟期、七葉期。三葉期冠層含水量反演模型未達(dá)到0.05顯著性水平(三葉期和成熟期圖略)?？扇嘉锖糠囱菽Ｐ驮谄呷~期達(dá)到0.01顯著性水平，其他生育期反演模型均較差?？傮w而言，WI反演夏玉米抽雄期冠層含水量能力最好。

圖3 基于WI指數(shù)建立不同生育期夏玉米含水量模型

續(xù)圖3

2.3.2MSI指數(shù)

水應(yīng)力指數(shù)(MSI)由光譜1600 nm和820 nm對(duì)應(yīng)的光譜反射率比值構(gòu)建得到,表達(dá)式如下：

(8)

MSI與冠層含水量和可燃物含水量呈線性相關(guān)關(guān)系(圖4)。隨生育期推進(jìn)，MSI反演冠層含水量能力先增強(qiáng)后減弱(表3)。三葉期冠層含水量反演模型未達(dá)到0.05顯著性水平(三葉期和成熟期圖略)?？扇嘉锖糠囱菽Ｐ驮谄呷~期達(dá)到0.01顯著性水平，其他生育期反演模型均較差。

表3 不同光譜指數(shù)反演夏玉米冠層和葉片尺度含水量模型精度(R2)

注：*表示達(dá)到0.01顯著性水平。

2.3.3GVMI指數(shù)

全球植被水分指數(shù)(GVMI)屬于歸一化植被水分指數(shù)，其表達(dá)式如下：

(9)

GVMI與不同生育期冠層含水量和可燃物含水量回歸模型如圖5所示。GVMI與冠層含水量呈線性關(guān)系。隨生育期推進(jìn)，GVMI反演冠層含水量精度先增強(qiáng)后減弱(表3)(三葉期和成熟期圖略)?？扇嘉锖糠囱菽Ｐ驮谄呷~期達(dá)到0.01顯著性水平，其他生育期反演模型均較差。

2.3.4WNV指數(shù)

圖4 基于MSI指數(shù)建立不同生育期夏玉米含水量模型

圖5 基于GVMI指數(shù)建立不同生育期夏玉米含水量模型

WNV為復(fù)比指數(shù)，是利用一個(gè)對(duì)水分敏感的水分指數(shù)與一個(gè)可以表征植被綠度和結(jié)構(gòu)參數(shù)的敏感指標(biāo)的比值構(gòu)建。WNV不僅可以預(yù)測可燃物含水量,還可以預(yù)測冠層含水量。RNIR表示近紅外光波段的光譜反射率，數(shù)值為841～876 nm范圍內(nèi)的光譜反射率平均值。RED表示紅光波段的光譜反射率，數(shù)值為620～670 nm范圍內(nèi)的光譜反射率平均值。WNV表達(dá)式如下：

(10)

將WNV與冠層含水量和可燃物含水量進(jìn)行回歸分析(圖6)。WNV與冠層含水量呈線性和曲線關(guān)系，反演精度從高到低為拔節(jié)期、抽雄期、灌漿期、成熟期、七葉期(表3)。三葉期反演模型精度不理想，未達(dá)到0.05顯著性水平(三葉期和成熟期圖略)?？扇嘉锖糠囱菽Ｐ驮谄呷~期達(dá)到0.01顯著性水平，其他生育期反演模型均不理想。

2.3.5WCG指數(shù)

WCG指數(shù)與冠層含水量和可燃物含水量的關(guān)系(圖7)，反演精度從高到低為拔節(jié)期、抽雄期、灌漿期、成熟期和七葉期(表3)。除三葉期外，其余各生育期反演冠層含水量均較好(三葉期和成熟期圖略)?？扇嘉锖糠囱菽Ｐ驮谄呷~期達(dá)到0.01顯著性水平，其他生育期反演模型均不理想。

圖6 基于WNV指數(shù)建立不同生育期夏玉米含水量模型

2.3.6 紅邊反射率曲線面積

紅邊反射率曲線面積是指植被光譜紅邊范圍(680～780 nm)反射率曲線與橫坐標(biāo)波長之間形成的面積。紅邊反射率曲線面積最初是用于反演稀疏草地綠色生物量，本文將其應(yīng)用于估算植被冠層含水量，其表達(dá)式如下：

(11)

式(11)中，Darea為紅邊反射率曲線面積，R表示反射率，Ri表示波長i處的光譜反射率，λ為波長。計(jì)算不同生育期夏玉米紅邊反射率曲線面積，并構(gòu)建與冠層含水量的關(guān)系。圖8表明Darea反演冠層含水量精度從高到低為抽雄期、拔節(jié)期、灌漿期、成熟期和七葉期(表3)(三葉期和成熟期圖略)?？扇嘉锖糠囱菽Ｐ驮谄呷~期達(dá)到0.01顯著性水平，其他生育期反演模型均不理想。

綜合以上6個(gè)光譜指數(shù)反演夏玉米不同生育期冠層和葉片尺度含水量能力，結(jié)果表明：夏玉米同一生育期不同光譜指數(shù)反演夏玉米含水量的能力不同，不同生育期同一光譜指數(shù)反演夏玉米含水量能力也有差異。WI，MSI，GVMI，WNV，WCG和Darea均無法反演三葉期的EWTC，七葉期及之后各生育期反演的夏玉米EWTC均達(dá)到0.01顯著性水平，WNV可以反演三葉期的FMC?？傮w而言，以上植被指數(shù)反演七葉期的可燃物含水量精度略高于冠層含水量。

圖7 基于WCG指數(shù)建立不同生育期夏玉米含水量模型

圖8 基于Darea建立不同生育期夏玉米含水量模型

2.4 夏玉米不同生育期冠層含水量反演模型的驗(yàn)證

利用2015年夏玉米不同生育期觀測數(shù)據(jù)，驗(yàn)證2014年不同生育期光譜指數(shù)反演冠層含水量的精度，檢驗(yàn)方法為Pearson相關(guān)性檢驗(yàn)。結(jié)果表明，拔節(jié)期、抽雄期、灌漿期和成熟期EWTC模擬效果均較好(表4)。拔節(jié)期冠層含水量反演結(jié)果可以解釋2015年冠層含水量變異的63%及以上，其中，MSI和GVMI指數(shù)反演冠層含水量模型均可解釋2015年冠層含水量變異的66%。模擬效果較好。R2和均方根誤差判別指標(biāo)表明抽雄期6個(gè)光譜指數(shù)反演EWTC效果較拔節(jié)期有所增強(qiáng)，其中檢驗(yàn)效果最好的是MSI和WCG指數(shù)，模擬結(jié)果均可解釋2015年冠層含水量變異的72%，其次是Darea指數(shù)，模擬結(jié)果可解釋2015年冠層含水量變異的69%；灌漿期反演精度最好的指標(biāo)為MSI指數(shù)和WCG指數(shù)，均可以解釋2015年冠層含水量變異的74%。這表明，本文構(gòu)建的WCG指數(shù)反演夏玉米抽雄期和灌漿期冠層含水量的穩(wěn)定性較好，成熟期冠層含水量模型的R2均在0.55左右。

表4 不同生育期夏玉米含水量光譜指數(shù)模型驗(yàn)證

注：*表示達(dá)到0.01顯著性水平。

3 結(jié)論與討論

本文在前人利用遙感技術(shù)反演冠層含水量的基礎(chǔ)上，以2014年和2015年夏玉米干旱試驗(yàn)為例，分析了植被水分指數(shù)、復(fù)比指數(shù)以及新的復(fù)比指數(shù)和紅邊反射率曲線面積對(duì)不同生育期夏玉米含水量的遙感反演能力，得到以下結(jié)論：

1) 冠層和葉片尺度含水量指標(biāo)均可表征夏玉米含水量變化特征，但光譜指標(biāo)反演兩者的能力與夏玉米生育期有關(guān)，本文構(gòu)建的WCG指標(biāo)反演冠層抽雄期和灌漿期冠層含水量較其他指標(biāo)的穩(wěn)定性強(qiáng)。

2) 隨著夏玉米生育期推進(jìn)，覆蓋度越高光譜指數(shù)反演EWTC能力越強(qiáng)。光譜指數(shù)反演不同生育期EWTC精度從高到低為抽雄期、拔節(jié)期、灌漿期、成熟期、七葉期，夏玉米三葉期EWTC反演模型未達(dá)到0.05 顯著性水平。

3) 夏玉米營養(yǎng)生長期(三葉期、七葉期和拔節(jié)期)光譜指數(shù)可以反演FMC，其中僅WNV可以反演三葉期FMC?？傮w而言，光譜指數(shù)反演七葉期FMC能力較EWTC強(qiáng)，反演拔節(jié)期EWTC能力較FMC強(qiáng)，抽雄期開始光譜指數(shù)無法反演FMC。

夏玉米生長過程中葉片和冠層含水量、綠度和結(jié)構(gòu)均在變化，光譜指數(shù)反演夏玉米含水量精度隨之變化。本文在干旱處理背景下分不同生育期反演夏玉米含水量，根據(jù)夏玉米不同生育期綠度和結(jié)構(gòu)特征選擇最優(yōu)的光譜指數(shù)建立不同生育期反演精度較高的作物含水量模型，可以有效提高作物長勢狀況監(jiān)測。

本文建立的冠層含水量反演模型是基于華北夏玉米試驗(yàn)數(shù)據(jù)，該地區(qū)屬于半干旱區(qū)，是研究干旱發(fā)生發(fā)展的天然試驗(yàn)室，所建立的模型在相同的氣候區(qū)具有一定的參考價(jià)值。對(duì)于其他氣候區(qū)，鑒于玉米品種、氣候特征等差異，本文建立的模型的適用性有待進(jìn)一步驗(yàn)證，同時(shí)光譜指數(shù)法構(gòu)建的模型在實(shí)際應(yīng)用時(shí)需要多個(gè)試驗(yàn)樣本、多個(gè)試驗(yàn)區(qū)數(shù)據(jù)的驗(yàn)證與校準(zhǔn)。