基于近地遙感系統(tǒng)的小麥玉米冠層RVI和NDVI獲取影響因素分析

鄭裕東，徐云成，嚴海軍*，鄭永軍

1. 中國農業(yè)大學水利與土木工程學院，北京 100083 2. 中國農業(yè)大學工學院，北京 100083

引 言

小麥、 玉米生長過程中的水肥虧缺會造成糧食減產。作物冠層也會因生長狀態(tài)的不同產生相應的變化，以此為切入點，通過人工手持或近地平臺搭載光譜傳感器快速獲取作物冠層信息，為作物的高效水肥管理提供決策，及時緩解作物水肥虧缺問題，是目前近地遙感研究的重要方向。國內外學者已在設備選擇與布設[1-3]、 觀測系統(tǒng)搭建[4-5]與診斷模型建立[6-8]等方面開展了較多研究。由于大型自走式噴灌機具有自動化程度高、 覆蓋面積廣等優(yōu)點，因此亦有將大型噴灌機作為平臺進行作物冠層的近地遙感觀測研究[9]。作物冠層具有復雜的立體結構，對光譜具有二向反射特性，會造成光譜反射率數(shù)據與實際偏離。為此，有學者選取特定的觀測天頂角構建了診斷模型，如Feng等[10]研究了作物植被指數(shù)與葉氮含量的關系，提出了新的葉氮含量預測模型，降低了-30°～0°之間觀測天頂角的干擾； Song等[11]發(fā)現(xiàn)主平面后向區(qū)域觀測天頂角40°條件下構建的氮素診斷模型具有較高的預測精度。同時，也有學者將研究重點關注在觀測方式對冠層信息數(shù)據的影響方面，如Sun[12]在不同觀測天頂角條件下測量水稻冠層光譜反射率，發(fā)現(xiàn)水層深度和LAI可影響冠層反射率的各向異性； 郭建茂[13]利用地面遙感系統(tǒng)連續(xù)觀測冬小麥冠層，發(fā)現(xiàn)在不同觀測天頂角、 方位角下的冠層NDVI與增強型植被指數(shù)(EVI)具有相似變化趨勢。

由此可見觀測條件給冠層光譜測量的干擾增加了數(shù)據的不確定性。目前已開展的研究多以單個參數(shù)的觀測條件為主，且只對有限觀測因素進行定性分析，缺乏對各觀測條件下作物不同生育期冠層光譜數(shù)據變化的定量分析。為此，本工作模擬大型噴灌機觀測條件搭建近地遙感系統(tǒng)，以高效、 快捷地獲取冬小麥和夏玉米的冠層光譜數(shù)據，通過變異系數(shù)和權重分析方法量化在不同觀測天頂角、 觀測方位角、 觀測高度下作物冠層RVI和NDVI數(shù)據的變化情況，并分析觀測條件對數(shù)據變化的影響程度，從而掌握關鍵冠層光譜信息的變化規(guī)律，為快速獲取高精度的冠層信息數(shù)據提供指導。

1 實驗部分

試驗地點位于中國農業(yè)大學通州實驗站(39°41′59″N、 116°41′01″E)，屬溫帶大陸性半濕潤季風氣候，海拔21 m，年平均溫度11.3 ℃，年平均降水量620 mm，土壤類型為砂壤土，肥力中等。受試小麥和玉米進行正常水肥管理，品種分別為農大211和農大86。在長勢均一的農田內選擇三塊5 m×5 m的觀測小區(qū)，于2019年4月14日(返青期)、 4月30日(拔節(jié)期)、 5月4日(抽穗期)、 5月13日(揚花期)、 6月2日(灌漿期)進行小麥冠層觀測，7月23日(V7期)、 7月27日(V9期)、 8月1日(V11期)、 8月8日(V12期)和8月19日(V14期)進行玉米冠層觀測。觀測時天氣晴朗無風、 無云或少云。使用SRS-NDVI傳感器(Decagon Devices, Inc. USA)測得冠層近紅外波段(810 nm)和紅光波段(650 nm)的反射率，視場角36°； 使用CR300數(shù)據采集器(Campbell Scientific, Inc. USA)設置采集頻率及時間，并存儲數(shù)據。

1.1 試驗數(shù)據采集

試驗時搭建了觀測系統(tǒng)[圖1(a)]用于還原大型噴灌機實地觀測條件，傳感器固定在觀測系統(tǒng)平臺的支架梁上，可調整觀測角度和高度； 平臺底座裝有滑輪，便于在固定軌道上移動。試驗參數(shù)包括傳感器觀測方向與天頂方向的夾角θ(觀測天頂角)、 觀測平面與主平面的夾角φ(觀測方位角)、 傳感器距地面的垂直距離H(觀測高度)、 當日的采集時刻t(觀測時刻)、 作物生育期T(觀測時期)、 冠層信息采集頻率f(觀測頻率)和觀測時傳感器的移動速度v(移動速度)。圖2為天頂角與方位角示意圖，觀測方向所在直線與Z軸相交，二者所處平面為觀測平面，太陽與Z軸所處平面為主平面，觀測平面與主平面的夾角為φ，試驗時要求太陽高度角不小于10°。試驗采用單因素法進行觀測，設計參數(shù)如表1所示，移動速度依據大型噴灌機行走速度范圍確定； 考慮到作物冠層二向反射率的各向異性和觀測視場內組分的變化情況，試驗利用主平面內45°天頂角的觀測條件，每組因素的觀測時間控制在0.5 h內完成。通過長寬系數(shù)法測得葉面積指數(shù)(LAI)，小麥、 玉米的各生育期LAI如表2所示。

圖1 觀測系統(tǒng)及設備(a)： 觀察場所； (b)： SRS-NDVI傳感器； (c)： CR300數(shù)據采集口Fig.1 Observation system and equipment(a)： Observation site； (b)： SRS-NDVI sensor；(c)： CR300 data collector

圖2 觀測天頂角θ及觀測方位角φ示意圖Fig.2 Schematic diagram of zenith angleθ and azimuth angle φ

表1 試驗參數(shù)Table 1 Experimental parameters

表2 小麥、 玉米各生育期的LAITable 2 LAI of wheat and maize in each growth stage

1.2 冠層信息計算

試驗獲取的冠層光譜數(shù)據包括比值植被指數(shù)RVI和植被歸一化指數(shù)NDVI，其計算公式如式(1)和式(2)

(1)

(2)

式中：RNIR為近紅外波段的冠層反射率數(shù)據；RRED為紅光波段的冠層反射率數(shù)據。

1.3 數(shù)據處理

通過引入變異系數(shù)CV評估各觀測參數(shù)對冠層RVI和NDVI數(shù)據的影響程度[15]，并在此基礎上獲得觀測參數(shù)的影響因素權重W；CV和W的計算公式如式(3)—式(6)

(3)

(4)

(5)

(6)

式中：σ是標準偏差；μ是平均值；N是某類數(shù)據的樣本數(shù)量；xi是某類數(shù)據中第i個(i=1, 2, 3，…，N)樣本數(shù)據；Wj是某類數(shù)據在特定條件下對變異系數(shù)的影響因素權重；M是數(shù)據的種類數(shù)量；CVj是第j類(j=1, 2, 3，…，N)數(shù)據在該特定條件下的變異系數(shù)。

2 結果與討論

2.1 冠層光譜信息的方向性特征

以小麥灌漿期、 玉米V12時期為例，通過Person相關性分析獲得RRED，RNIR與各觀測參數(shù)之間的相關系數(shù)(表3)，其中觀測時刻換算為太陽天頂角進行計算。由表3可知，觀測高度、 觀測頻率、 移動速度對冠層信息數(shù)據無顯著相關關系(p>0.05)，觀測時刻、 觀測天頂角、 觀測方位角與小麥和玉米冠層RRED，RNIR相關關系極顯著(p<0.01)，以上結果由冠層二向反射特性引起，即冠層反射率不僅與其形態(tài)結構和光譜特征有關，還與光的入射角度和反射角度有關。

表3 冠層光譜信息與觀測條件的相關系數(shù)Table 3 Correlation coefficient of canopy spectral information and observation conditions

2.1.1RRED，RNIR隨觀測條件的變化

小麥、 玉米的冠層RRED和RNIR日變化趨勢如圖3所示，兩者趨勢基本一致： 正午時刻太陽天頂角最小，RRED和RNIR處于當日最小值。隨著太陽天頂角增大，葉片對太陽光產生了更多地攔截與散射，RRED和RNIR逐漸增加。隨著LAI增大，視場內非葉片組分比例下降，RNIR增大，RRED降低。由于近紅外對太陽天頂角的敏感性較紅光弱，并且太陽天頂角增大使投射到土壤和葉片背景內的陰影組分比例增加，因此稀疏冠層RRED增速大于稠密冠層。

觀測方位角對玉米和小麥冠層RRED和RNIR的影響如圖4所示，小麥與玉米的RRED和RNIR變化趨勢相近。當視場從前向觀測區(qū)域(0°～90°)移動至后向觀測區(qū)域(90°～180°)，視場內的陰影比例減小，光譜反射率增大； 并且隨著LAI增大，此變化趨勢愈發(fā)明顯[11]。同時由于近紅外波段具有較強的反射、 透射和散射能力，其反射率隨方位角的變化幅度小于紅光波段，但是與小麥植株密度(37萬株/畝)相比，玉米植株密度(5 500株/畝)較低，會影響近玉米紅外波段的散射及反射，使其RRED和RNIR的變化幅度差異較小。

圖5顯示了不同觀測天頂角條件下玉米和小麥的冠層RRED和RNIR變化規(guī)律。由于陰影效應及熱點效應，整體上RRED和RNIR在前向觀測區(qū)域(0°～60°)小于后向觀測區(qū)域(-60°～0°)，但近紅外波段較強的透射及散射能力減少了視場中的陰影比例，使其在前、 后向觀測區(qū)域分布更為對稱[圖5(a)]。在近紅外波段，其反射率呈“V”型分布，并且整體上隨天頂角增大而增大，同時由于在視場最低點(天頂角為0°)處的非葉片組分比例最大，RNIR處于最小值；RNIR隨著LAI增大而增大，且對天頂角的敏感性增強。由于玉米較小的植株密度在生長前期(LAI為0.85和1.95)影響了近紅外波段在冠層中的散射及透射，在其前向觀測區(qū)域內近紅外波段對天頂角的敏感程度弱于小麥，因此玉米RNIR在前、 后向觀測區(qū)域未呈對稱分布[圖5(b)]。小麥和玉米冠層的RRED整體上隨著LAI增大而減小，且在后向觀測區(qū)域隨著天頂角增大而增大，在前向觀測區(qū)域隨著天頂角增大略有減小，且減小幅度隨LAI增大而減小，這也是由陰影效應與紅光本身散射及透射性能決定的。

圖3 冠層RRED和RNIR日變化趨勢(a)： 小麥； (b)： 玉米Fig.3 Daily trend of canopy red light and near infrared reflectance(a)： Wheat； (b)： Maize

圖4 不同觀測方位角下的冠層RRED和RNIR分布(a)： 小麥； (b)： 玉米Fig.4 Distribution of canopy red light and near infrared reflectance under different view azimuth angles(a)： Wheat； (b)： Maize

圖5 不同觀測天頂角下的冠層RRED和RNIR分布(a)： 小麥； (b)： 玉米Fig.5 Distribution of canopy red light and near infrared reflectance under different view zenith angles(a)： Wheat； (b)： Maize

2.1.2 RVI和NDVI隨觀測條件的變化

小麥和玉米RVI和NDVI的日變化趨勢如圖6所示，整體上二者隨LAI增大而增大。與前人研究結果相同[14]，在太陽天頂角最小時，上述兩種植被指數(shù)處于最大值。由于可見光反射率的變化幅度大于近紅外，RRED增幅大于增幅RNIR(圖3)，因此RVI和NDVI隨太陽天頂角增大呈減小趨勢。由線段斜率可知，小麥和玉米RVI和NDVI對太陽天頂角的敏感性隨LAI增大而增強，因此獲取植被指數(shù)數(shù)據時應盡量縮短觀測時間，以減小太陽天頂角的影響。

圖6 冠層RVI和NDVI日變化趨勢(a)： 小麥； (b)： 玉米Fig.6 Daily trend of canopy RVI and NDVI(a)： Wheat； (b)： Maize

圖7 不同觀測方位角下的冠層RVI和NDVI分布(a)： 小麥； (b)： 玉米Fig.7 Distribution of canopy RVI and NDVI under different view azimuth angles(a)： Wheat； (b)： Maize

圖7給出了觀測方位角對玉米和小麥RVI、 NDVI的影響。當視場從前向轉為后向觀測區(qū)域時，由于RRED增幅大于增幅RNIR(圖4)，RVI和NDVI均呈減小趨勢。而且當LAI增大時，由于RRED和RNIR增幅變緩(圖4)，導致觀測方位角對NDVI的影響減弱、 而對RVI影響增強。圖8給出了不同觀測天頂角對玉米和小麥RVI和NDVI的影響，在視場從后向移至前向觀測區(qū)域的過程中，RVI和NDVI在整體上呈逐漸增大趨勢，這是由RNIR降幅小于RRED(圖5)所致。同時隨著LAI增大，RRED降幅逐漸大于RNIR降幅(圖5)，導致觀測天頂角對NDVI的影響逐漸減弱、 對RVI的影響逐漸增強。

圖8 不同觀測天頂角下的冠層RVI和NDVI分布(a)： 小麥； (b)： 玉米Fig.8 Distribution of canopy RVI and NDVI under different view zenith angles(a)： Wheat； (b)： Maize

2.2 冠層光譜信息的變異性特征

2.2.1 變異系數(shù)

表4給出了小麥、 玉米冠層在不同觀測條件下RVI和NDVI數(shù)據的CV。小麥和玉米冠層RVI的CV分別為15%～50%和10%～33%。不同觀測時刻下二者RVI的CV均與LAI成正比，這主要是由RVI日變化幅度在生長過程中增大而引起的(圖6)。由于在LAI增長過程中RVI在不同觀測方位角下變化幅度增大(圖7)，不同觀測方位角下小麥和玉米RVI的CV亦與LAI成正比關系。不同觀測天頂角下小麥RVI的CV與LAI成反比，這主要是由于小麥生長初期(LAI為1.04)RVI均值接近于0造成[圖8(a)]，隨著LAI增大小麥RVI均值增加幅度大于由觀測天頂角引起的RVI變化幅度，致使CV逐漸降低； 與小麥相反，由于玉米生長初期(LAI=0.85)RVI均值相對較大[圖8(b)]，且隨著LAI增大玉米RVI均值增加幅度小于由觀測天頂角引起的RVI變化幅度，因此不同觀測天頂角下玉米RVI的CV與LAI成正比。

表4 不同觀測條件下冠層光譜信息的變異系數(shù)Table 4 CV of canopy spectral information under different observation conditions

由表4可知，小麥和玉米冠層NDVI的CV分別為2%～50%和18%～39%。觀測時刻、 觀測方位角和觀測天頂角對小麥和玉米冠層NDVI觀測的影響類似，由于在LAI增長過程中NDVI變化幅度小于NDVI均值增幅(圖6—圖8)，因此小麥和玉米NDVI的CV隨LAI增大均有減小趨勢。由以上可知，小麥和玉米的冠層光譜信息獲取結果主要取決于冠層覆蓋狀況，并且在相同的LAI條件下，冠層RVI和NDVI數(shù)據也會因觀測時刻、 觀測方位角和觀測天頂角的差異受到不同程度的影響。

2.2.2 影響因素權重

表5給出了不同觀測條件對小麥、 玉米冠層RVI和NDVI數(shù)據變化的影響權重。隨著LAI增大，觀測時刻對小麥冠層RVI、 NDVI的影響逐漸增大，觀測天頂角對其影響逐漸減小，而觀測方位角帶來的影響幾乎不變。在玉米V7—V14階段，觀測時刻、 觀測方位角和觀測天頂角對玉米冠層RVI和NDVI的影響程度大致相同。因此在獲取小麥冠層RVI和NDVI時應根據冠層覆蓋度有所側重，即在返青至拔節(jié)期和抽穗至揚花期應分別注意觀測天頂角和觀測時刻對測量結果的影響。

表5 不同觀測條件對冠層光譜信息的影響權重WTable 5 Influence weight W of different observation conditions on canopy spectral information

3 結 論

對冬小麥返青期至灌漿期、 夏玉米V7—V14時期進行了近地遙感觀測試驗，分析了各觀測參數(shù)對作物冠層光譜反射率數(shù)據變化的影響程度。對于小麥和玉米的冠層RVI和NDVI，研究結果發(fā)現(xiàn)： (1)觀測高度、 觀測頻率和移動速度對數(shù)據的影響可忽略不計。(2)數(shù)據獲取主要取決于冠層覆蓋程度，且在相同LAI情況下數(shù)據也會因觀測時刻、 觀測方位角和觀測天頂角的差異而受到不同程度的影響。(3)應盡量選擇在太陽天頂角較穩(wěn)定的12:00—14:00時段進行觀測，并縮短觀測時長，此外還應選擇固定的觀測方位角和觀測天頂角，注意陰影效應與熱點效應的影響。(4)小麥RVI和NDVI變異系數(shù)分別為15%～50%和2%～50%，玉米RVI和NDVI變異系數(shù)分別為10%～33%和18%～39%； (5)在小麥返青至拔節(jié)期和抽穗至揚花期應分別注意觀測天頂角和觀測時刻對測量結果的影響。本文研究結果可為小麥、 玉米不同生長階段的冠層光譜信息比對提供基準，為快速獲取其高精度的冠層信息數(shù)據提供技術支撐。

致謝：美國農業(yè)部農業(yè)研究局可持續(xù)水管理研究所隋瑞秀老師從試驗開展到文章內容修改均傾注了很多心血，特此表示衷心感謝！