基于小波特征和冬小麥生理參數(shù)的土壤水分高光譜模型優(yōu)化

楊錫震 ，陳俊英 ※，張秋雨 ，王天陽(yáng) ，左西宇 ，楊 寧 ，耿宏鎖 ，趙 笑

（1.西北農(nóng)林科技大學(xué)水利與建筑工程學(xué)院, 楊凌 712100；2.西北農(nóng)林科技大學(xué)旱區(qū)農(nóng)業(yè)水土工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,楊凌 712100；3.西北農(nóng)林科技大學(xué)成人教育學(xué)院, 楊凌 712100）

0 引 言

土壤含水率（soil moisture content，SMC）過(guò)低會(huì)對(duì)作物生理狀態(tài)造成負(fù)面影響[1]，定量監(jiān)測(cè)SMC是實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)灌溉中重要的環(huán)節(jié)[2]。SMC的變化會(huì)影響作物的生理生化過(guò)程，使得作物葉片空間形態(tài)結(jié)構(gòu)、顏色、厚度等發(fā)生一系列的變化，從而導(dǎo)致作物冠層反射率的變化[3]。因此利用作物光譜特性對(duì)作物水分狀況進(jìn)行遙感監(jiān)測(cè)已成為農(nóng)業(yè)遙感研究熱點(diǎn)。

目前，一些研究者采用安裝在無(wú)人機(jī)上的熱紅外、RGB、多光譜、高光譜、雷達(dá)傳感器獲取反射率等信息后，通過(guò)回歸模型與SMC建立聯(lián)系[4-6]。相比于其他傳感器，包含更多波段輻射信息的高光譜數(shù)據(jù)能夠更加準(zhǔn)確地描述與目標(biāo)生化和生理信息相關(guān)的各種特征[7]，通過(guò)冠層高光譜信息監(jiān)測(cè)覆被條件土壤水分的研究值得探索。然而，高光譜遙感技術(shù)在獲取地物豐富的窄帶（1～10 nm）光譜信息[8]的同時(shí)，采集的作物冠層光譜容易受到土壤背景和環(huán)境噪聲的影響[9]，并且存在大量的冗余數(shù)據(jù)和波段自相關(guān)性問(wèn)題[10]。葛翔宇等[11]利用高光譜影像數(shù)據(jù)結(jié)合多種植被指數(shù)與機(jī)器學(xué)習(xí)算法構(gòu)建了冬小麥返青期SMC估算模型；REN等[12]通過(guò)近地面高光譜數(shù)據(jù)構(gòu)建的植被指數(shù)和紅邊參數(shù)對(duì)不同生育期冬小麥根域土壤含水率進(jìn)行分析，并基于優(yōu)化的光譜指數(shù)構(gòu)建了SMC監(jiān)測(cè)模型；王瑾杰等[13]通過(guò)分?jǐn)?shù)階微分技術(shù)從高維數(shù)據(jù)中提取敏感變量，挖掘了冬小麥返青期冠層光譜監(jiān)測(cè)土壤水分的可能性。然而，已有研究所提取的光譜特征易受環(huán)境噪聲以及土壤背景影響，大多未進(jìn)一步探索模型在多種物候期的適用性，構(gòu)建的模型遷移能力有待進(jìn)一步提升。

針對(duì)提取的光譜特征受環(huán)境噪聲影響大以及吸收特征重疊等問(wèn)題，當(dāng)前研究廣泛使用Savitzky-Golay（SG）平滑以及植被指數(shù)來(lái)降低環(huán)境噪聲，增強(qiáng)綠色植物光譜特征，然而土壤水分波動(dòng)導(dǎo)致冠層光譜的部分變化可能較為微弱，難以通過(guò)植被指數(shù)體現(xiàn)。已有研究表明[14]，連續(xù)小波變換（continuous wavelet transformation，CWT）是一種有效的光譜處理方法，能夠降低光譜噪聲并且獲取比反射光譜更多的信息。對(duì)于植被光譜來(lái)說(shuō)，通過(guò)連續(xù)小波變換能夠顯著提高光譜與葉綠素、水分等物質(zhì)之間的相關(guān)性，高尺度與低尺度小波特征體現(xiàn)了外界擾動(dòng)在寬波段區(qū)域整體振幅和窄波段區(qū)域譜形的變化，能夠?yàn)橹参锷硖匦缘墓庾V數(shù)據(jù)建模增加更多維度[15-16]。

目前在覆被條件下土壤水分監(jiān)測(cè)模型中，有效光譜特征的提取大多是通過(guò)直接分析作物反射率與土壤水分?jǐn)?shù)值之間的關(guān)系，然而土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的模型在不同環(huán)境條件下的土壤含水率監(jiān)測(cè)中可移植性較差[12,17]。為提高模型穩(wěn)定性，研究者探索了基于物理方法構(gòu)建模型的潛力，其中，D?PPER等[18]發(fā)現(xiàn)人為影響葉面積大小后，冠層反射率對(duì)SMC監(jiān)測(cè)模型精度大幅降低，模型對(duì)葉面積指數(shù)（leaf area index，LAI）有很強(qiáng)的依賴性，SMC的分布情況與LAI的分布相似。值得注意的是，葉片數(shù)據(jù)光譜特征主要是由葉片水分、色素及其干物質(zhì)等對(duì)光吸收與散射的特性所決定[19]，因此植被冠層反射率更多受到葉片水分、色素、冠層結(jié)構(gòu)的影響[20-21]，作物光譜對(duì)土壤水分的響應(yīng)更多是通過(guò)生理參數(shù)體現(xiàn)，然而目前很少有研究通過(guò)葉片葉綠素（leaf chlorophyll content，LCC）和葉片含水率（leaf water content，LWC）等對(duì)光譜的響應(yīng)特征來(lái)構(gòu)建土壤水分監(jiān)測(cè)模型，葉片理化參數(shù)的小波光譜特征信息在提高冬小麥根域SMC估算模型精度以及適用性方面的潛力有待探索。

綜上，為了提高土壤含水率遙感監(jiān)測(cè)模型在冬小麥多種物候期的適用性以及遷移能力，本研究通過(guò)連續(xù)小波變換提取了對(duì)葉片葉綠素、含水率以及葉面積指數(shù)敏感的小波特征，探討通過(guò)以上葉片理化參數(shù)的光譜特征信息反演SMC的可行性，并將所選特征應(yīng)用于地面非成像傳感器以及機(jī)載成像傳感器，比較土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)和基于葉片理化參數(shù)的方法構(gòu)建土壤水分監(jiān)測(cè)模型的潛力，以期為優(yōu)化土壤水分監(jiān)測(cè)模型和增強(qiáng)模型適用性提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)地位于中國(guó)陜西楊凌西北農(nóng)林科技大學(xué)中國(guó)干旱區(qū)節(jié)水農(nóng)業(yè)研究所（34°17’42”N，108°4’2”E），研究區(qū)是西北地區(qū)典型的旱地農(nóng)業(yè)區(qū)，屬半濕潤(rùn)干旱氣候。試驗(yàn)區(qū)土壤質(zhì)地（0～60 cm）為中等壤土，有機(jī)質(zhì)為14.48 g/kg，且地下水埋藏較深（黃土臺(tái)塬區(qū)70～90 m），不考慮地下水補(bǔ)給。土壤干容重為1.6 g/cm3，平均田間持水率為22%（質(zhì)量含水率）。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)及過(guò)程

試驗(yàn)設(shè)置4種水分處理，布局完全隨機(jī)，2 a試驗(yàn)種植時(shí)間分別為2020年10月19日、2021年10月17日，其中拔節(jié)期為3月上旬至4月上旬，抽穗期為4月中旬至4月下旬，灌漿期為5月上旬至5月中旬。如圖1所示，設(shè)置4個(gè)灌溉等級(jí)，灌溉梯度分別為田間持水率的40%～50%（W1）、田間持水率的50%～65%（W2）、田間持水率的65%～80%（W3）、田間持水率的80%～95%（W4），每個(gè)處理3次重復(fù)，共12塊小區(qū)，在關(guān)鍵生育期每隔7 d測(cè)定各小區(qū)土壤水分并灌水。冬小麥品種為陜西中部推廣的小偃22號(hào)，小區(qū)（4 m×4 m）行距為0.25 m。冬小麥采用滴灌系統(tǒng)，且配置有遮雨棚防止降水影響。

圖1 試驗(yàn)小區(qū)布置Fig.1 Layout of experimental plots

1.3 數(shù)據(jù)采集

本研究使用的數(shù)據(jù)集包括：1）2022年2月25日、3月28日、4月2日、4月13日、4月20日、4月21日、5月2日、5月11日、5月16日獲取的地面高光譜、機(jī)載高光譜數(shù)據(jù)以及葉綠素、葉面積、葉片含水率和土壤含水率，共108份樣本。2）2021年3月23日、4月8日、4月30日的地面光譜數(shù)據(jù)和土壤含水率，共36個(gè)樣本。

1.3.1 遙感數(shù)據(jù)獲取

遙感數(shù)據(jù)采集時(shí)均為晴朗無(wú)風(fēng)、視野良好的天氣狀況，測(cè)定時(shí)間為11:00-14:00，包括近地面非成像光譜數(shù)據(jù)和機(jī)載高光譜圖像：1）近地面非成像高光譜數(shù)據(jù)，利用ASD Field Spec 3高光譜儀獲取距離小麥冠層20～30 cm的原始光譜反射率數(shù)據(jù)。每次測(cè)量前利用漫反射參考板矯正，每個(gè)小區(qū)以五點(diǎn)取樣法（每個(gè)采樣點(diǎn)測(cè)量3次）測(cè)量后將其重采樣至450～950 nm（采樣間隔4 nm），取其平均值作為該小區(qū)代表性光譜反射率。2）機(jī)載高光譜圖像，采用DJ M300 RTK無(wú)人機(jī)搭載Cubert S185高光譜鏡頭采集小麥冠層高光譜影像，飛行高度為25 m，最終獲得的圖像空間分辨率約為1 cm，光譜范圍為450～950 nm（采樣間隔為4 nm），取每個(gè)小區(qū)（400×400 像素）均值作為該小區(qū)代表性光譜反射率。

1.3.2 田間數(shù)據(jù)采集

1）葉綠素

光譜數(shù)據(jù)采集后在試驗(yàn)小區(qū)內(nèi)隨機(jī)選取3株具有代表性的小麥，莖葉分離后，通過(guò)乙醇提取葉片葉綠素并采用分光光度計(jì)法測(cè)定提取液在665、649 nm處吸光度，計(jì)算植株葉片中葉綠素含量（mg/g）[22]。

式中A649、A665為提取液在665、649 nm處吸光度；FW為葉片鮮質(zhì)量，g；V為提取液體積，mL；Ca、Cb和C總分別為葉綠素a含量、葉綠素b含量、總?cè)~綠素含量，mg/g。

2）葉面積指數(shù)

光譜數(shù)據(jù)采集后在試驗(yàn)小區(qū)內(nèi)隨機(jī)選取3株具有代表性的小麥，莖葉分離后通過(guò)對(duì)照片閾值分割后提取單株葉面積，然后以3株小麥葉面積均值乘以單位面積單莖數(shù)（單位面積單莖數(shù)是根據(jù)關(guān)鍵生育期田間群體樣本調(diào)查獲得）得到葉面積指數(shù)[23]。

3）葉片含水率

光譜采樣完成后在試驗(yàn)小區(qū)內(nèi)隨機(jī)選取3株具有代表性的小麥，莖葉分離后，及時(shí)測(cè)定鮮葉質(zhì)量。而后將樣本放入烘箱在105 ℃殺青30 min，然后在75 ℃烘干至恒質(zhì)量后測(cè)定其干質(zhì)量。葉片含水率（LWC，g/g）的計(jì)算式如下：

式中DW為葉片干質(zhì)量，g。

4）土壤含水率

采用烘干法測(cè)定土壤含水率，光譜采樣完成后，及時(shí)在每個(gè)光譜采樣區(qū)域中心處取土，取土深度為10、20、30、40、60 cm。及時(shí)測(cè)量土樣濕質(zhì)量后在105℃下烘干24 h，質(zhì)量恒定后測(cè)量其干質(zhì)量。根據(jù)其前后差值確定質(zhì)量含水率后乘以土壤干容重計(jì)算5個(gè)深度的平均體積含水率，作為該小區(qū)土壤含水率實(shí)測(cè)值。

1.3.3 模型的構(gòu)建與驗(yàn)證

為分析所選波段在地面?zhèn)鞲衅骱蜋C(jī)載傳感器中的效果，本研究使用2022年采集的地面光譜建立地面土壤含水率監(jiān)測(cè)模型，通過(guò)2021年采集的數(shù)據(jù)驗(yàn)證地面模型精度。并通過(guò)K-S算法將2022年測(cè)量的機(jī)載高光譜圖像數(shù)據(jù)劃分為建模集和驗(yàn)證集用于機(jī)載模型。2種模型建模與驗(yàn)證集土壤含水率如表1。

表1 冬小麥根域土壤含水率的建模和驗(yàn)證數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)Table 1 Modeling and validation data statistics of soil moisture content in the root zone of winter wheat

1.4 光譜特征提取

1.4.1 連續(xù)小波變換

小波變換包括連續(xù)小波變換與離散小波變換2種變體，其中連續(xù)小波變換能夠提供更多植被光譜中吸收特征的形狀與位置信息[24]。本研究利用S-G方法進(jìn)行光譜數(shù)據(jù)的平滑濾波后，選取墨西哥帽小波族（小波族中的小波函數(shù)為Mexh）[25]對(duì)冠層高光譜反射率進(jìn)行分析。此外，為降低數(shù)據(jù)運(yùn)算量共分解8個(gè)尺度（21、22、23、……、28）[26]。計(jì)算式如下：

式中λ為反射率光譜各波段序號(hào)，f(λ)為對(duì)應(yīng)波段的反射率，l1和l2分別為輸入反射率光譜的起始和終止波段序號(hào)，ψ(λ)為波函數(shù)，ψ(a,b)(λ)為平移和縮放后的母小波函數(shù)，a為縮放因子，也稱為尺度，b為平移因子。WF(a,b)為小波系數(shù)，可以看成在尺度a和平移因子為b時(shí)母小波函數(shù)與反射率的相似度，也可稱為小波特征。

1.4.2 變量投影重要性分析

由于通過(guò)作物冠層光譜監(jiān)測(cè)根域土壤含水率是通過(guò)光譜監(jiān)測(cè)作物生理狀態(tài)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，因此本研究需要識(shí)別對(duì)不同生化參數(shù)敏感的波段，變量投影重要性（variable importance in the project，SVIP）分析可以通過(guò)偏最小二乘回歸模型中的SVIP值表征自變量在模型擬合中對(duì)因變量的解釋能力，較高的SVIP值表示該波長(zhǎng)位置對(duì)于因變量的解釋能力更強(qiáng)，而較低值的波長(zhǎng)重要性較小[27]。因此，本研究計(jì)算了最優(yōu)CWT變換尺度下基于葉綠素、葉片含水率、葉面積指數(shù)、土壤含水率建模時(shí)每個(gè)波長(zhǎng)光譜特征的VIP值，用以確定對(duì)不同生化參數(shù)敏感的波長(zhǎng)。本研究以SVIP＞1作為篩選原則，按照LI等[28]采用的方法確定對(duì)因變量敏感的波段。

1.5 偏最小二乘回歸分析

偏最小二乘回歸（partial least squares regression，PLSR）可以在建立模型時(shí)分解因變量和自變量，實(shí)現(xiàn)波段優(yōu)選和信息集成[29]。為評(píng)估所選波段在不同數(shù)據(jù)集中的效果，本研究通過(guò)以對(duì)生化參數(shù)敏感的波段作為自變量，SMC為因變量來(lái)構(gòu)建PLSR模型，通過(guò)模型的精度評(píng)估所選波段的適用性。

采用R2、均方根誤差（RMSE）評(píng)估PLSR模型模擬精度，其計(jì)算式見(jiàn)文獻(xiàn)[29]。

2 結(jié)果與分析

2.1 葉片生化參數(shù)對(duì)土壤含水率變化的響應(yīng)

通過(guò)比較4種水分處理下冬小麥葉片生化參數(shù)的變化可以發(fā)現(xiàn)土壤含水率的變化對(duì)葉面積指數(shù)與葉綠素影響較大，結(jié)果如表2所示。

表2 2022年不同水分處理下冬小麥生化參數(shù)的變化Table 2 Changes in biochemical parameters of winter wheat under different water treatments in 2022

總體來(lái)看（表2），小麥葉片變化趨勢(shì)與LISAR等[30]的結(jié)論基本一致，水分脅迫降低了冬小麥葉片LCC和LAI，同時(shí)期W4處理葉綠素含量平均高于W1處理38.4%；葉面積指數(shù)高于W1處理124.1%，但葉片水分在不同處理下差異較小，葉片含水率W4處理僅比W1處理平均高5.8%，大多數(shù)時(shí)期二者差異并不顯著。已有研究表明，干旱發(fā)生后，缺水會(huì)導(dǎo)致植物氣孔關(guān)閉來(lái)降低葉片水分的流失，隨后會(huì)引起葉綠素水平降低，最終導(dǎo)致植物葉表面積總體降低[31]，與本研究葉片生化參數(shù)變化表現(xiàn)一致。

從冬小麥各生育期來(lái)看，在拔節(jié)期（2月25日、3月28日、4月2日）葉片LCC逐漸升高，到抽穗期（4月13日、4月20日）時(shí)基本穩(wěn)定在2.41～3.27 mg/g，在灌漿期時(shí)（5月2日、5月11日、5月16日）略有降低，葉片含水率在拔節(jié)到灌漿期基本穩(wěn)定在0.75 g/g。值得注意的是，冬小麥LAI從拔節(jié)到灌漿期呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢(shì)，抽穗后期基本達(dá)到最大值，從表2中葉面積指數(shù)來(lái)看，W1處理在4月13日達(dá)到峰值，而W4處理直到4月20日達(dá)到最大值，水分脅迫導(dǎo)致葉片提前開(kāi)始枯萎，冬小麥生育期提前，這與姚寧等[32]的研究結(jié)果一致。

2.2 CWT光譜對(duì)土壤水分變化的響應(yīng)

以2022年冬小麥冠層原始反射率（RI光譜）和連續(xù)小波變換光譜（CWT光譜）為自變量，對(duì)各波段光譜與冬小麥不同生化參數(shù)進(jìn)行了相關(guān)性分析，結(jié)果如圖2所示。為消除正負(fù)相關(guān)系數(shù)的影響，求得其平方值（r2），總體來(lái)看，相比于RI光譜，CWT光譜與各生化參數(shù)之間的相關(guān)性得到了明顯提高（圖2b～圖2e）。

圖2 原始光譜（RI）和連續(xù)小波變換光譜（CWT）與不同指標(biāo)之間的相關(guān)系數(shù)的平方（r2）Fig.2 Square of correlation (r2) between initial spectrum (RI),continuous wavelet transform (CWT) spectrum and different indicators

其中，冠層CWT光譜與土壤含水率之間的相關(guān)系數(shù)r2由0.46提升至0.61，提升幅度小于葉綠素和葉面積指數(shù)。冠層CWT光譜與土壤含水率高相關(guān)區(qū)域位于450～750 nm，集中于可見(jiàn)光與紅邊區(qū)域；小尺度CWT光譜在730 nm紅邊位置處與葉綠素有較強(qiáng)的相關(guān)性，且強(qiáng)弱相關(guān)性邊界較為明顯；CWT處理后光譜與葉片含水率的相關(guān)性提升較小，高相關(guān)性區(qū)域分布在730以及650 nm附近，分界線并不顯著；對(duì)于葉面積指數(shù)，高相關(guān)性區(qū)域主要位于近紅外區(qū)域。前人研究發(fā)現(xiàn)，由于低尺度小波分量更適合捕捉窄吸收特性的特征，高尺度分量更適合于定義葉片光譜的整體形態(tài)[33]，本研究表明，與冬小麥生化參數(shù)以及土壤含水率相關(guān)性較高的小波系數(shù)均集中于1～4的小尺度，并且隨著分解尺度的增加，強(qiáng)相關(guān)性區(qū)域與弱相關(guān)性區(qū)域之間的邊界逐漸模糊，在7～8的高頻尺度中，特征波段基本消失。

2.3 光譜特征的選擇

2.3.1 CWT分解尺度的確定

通過(guò)原始光譜與CWT光譜建立的土壤水分PLSR監(jiān)測(cè)模型見(jiàn)表3。與RI光譜（驗(yàn)證集R2=0.085）相比，CWT光譜具有更好的監(jiān)測(cè)能力（驗(yàn)證集R2最高為0.379），能夠深度挖掘光譜數(shù)據(jù)中的信息[15]。然而不同分解尺度的CWT光譜估算精度存在明顯差異，小尺度CWT光譜建模精度較高但穩(wěn)定性差，獨(dú)立驗(yàn)證集R2最高為0.379，隨著分解尺度的增加，精度逐漸減小，因此選定CWT-1、2、3、4光譜作為后續(xù)波段篩選對(duì)象。

表3 基于RI和CWT光譜的土壤水分偏最小二乘回歸模型評(píng)價(jià)Table 3 Evaluation of partial least squares models (PLSR) for SMC based on RI and CWT spectra

2.3.2 基于作物生理參數(shù)的敏感特征選擇

通過(guò)每個(gè)波段的SVIP值來(lái)選擇不同生化參數(shù)的敏感波段，圖3為不同尺度CWT光譜SVIP值的分布情況，表4為各尺度CWT光譜對(duì)不同的生化參數(shù)敏感的波段。整體來(lái)看，隨著尺度增大，特征波段的數(shù)量逐漸減少，在CWT-4尺度時(shí)，不同指標(biāo)選擇的特征波段位置基本一致，738 nm附近的小波特征相對(duì)敏感。此外，各波段小波特征對(duì)LWC敏感程度相對(duì)較低（SVIP值較低），通過(guò)SMC選取的波段集中于750 nm以前，而LCC、LWC、LAI選取的波段在可見(jiàn)光以及近紅外均有分布，其中LCC和LAI最大VIP值均位于742 nm附近。

表4 基于VIP-PLSR模型識(shí)別的CWT光譜敏感波段Table 4 Sensitive waveband identified by the VIP-PLS model for CWT spectra

圖3 進(jìn)行PLS分析時(shí)CWT光譜對(duì)4個(gè)不同指標(biāo)的重要性Fig.3 Variable importance in the project (SVIP) of each band in PLSR analysis of 4 different indexes by CWT spectra

2.3.3 地面試驗(yàn)驗(yàn)證

利用PLSR算法，基于SMC、LCC、LWC、LAI選定的小波光譜特征（表4）建立土壤含水率監(jiān)測(cè)模型，通過(guò)2022年冬小麥數(shù)據(jù)建立模型后，使用2021年冬小麥數(shù)據(jù)集驗(yàn)證所選光譜特征構(gòu)建的模型在獨(dú)立數(shù)據(jù)集的效果，所有模型精度如表5所示，經(jīng)驗(yàn)證，4類(lèi)特征最佳模型分別為SMC-CWT2、LCC-CWT1、LWC-CWT3、LAI-CWT1（圖4）。結(jié)果表明，CWT-1尺度下葉綠素特征構(gòu)建的模型在2021年獨(dú)立數(shù)據(jù)集驗(yàn)證效果相對(duì)較好，模型遷移能力強(qiáng)。其中，基于SMC篩選構(gòu)建的模型驗(yàn)證集R2均低于0.3，而基于CWT1-LCC小波特征光譜建立的土壤含水率模型建模集R2為0.693，RMSE為1.85%，驗(yàn)證集R2為0.541，RMSE為2.42%。

表5 基于近地面非成像數(shù)據(jù)土壤含水率PLSR模擬性能評(píng)價(jià)Table 5 PLSR model performance evaluation of soil moisture content based on the ground non-imaging data

圖4 基于近地面非成像數(shù)據(jù)不同特征構(gòu)建的最優(yōu)土壤含水率PLSR模擬模型結(jié)果Fig.4 The results of the PLSR simulation model of optimal soil moisture content constructed by different characteristics based on the ground non-imaging data

2.3.4 無(wú)人機(jī)試驗(yàn)驗(yàn)證

為進(jìn)一步探索選定的小波特征對(duì)反演冬小麥土壤含水率的魯棒性和實(shí)用性，利用72個(gè)機(jī)載高光譜圖像樣本構(gòu)建了基于表4選定小波特征的土壤含水率反演模型，并用36個(gè)樣本進(jìn)行驗(yàn)證。結(jié)果表明，基于1尺度的3種生理指標(biāo)小波特征構(gòu)建的模型效果較好，所選特征在機(jī)載平臺(tái)表現(xiàn)較好，其中通過(guò)2尺度葉綠素小波特征構(gòu)建的土壤含水率反演模型精度最高（表6）。綜合2種平臺(tái)數(shù)據(jù)來(lái)看，選擇LCC-CWT1為最佳反演模型，其基于機(jī)載成像數(shù)據(jù)的建模集R2為0.682，RMSE為1.86%，驗(yàn)證集R2為0.687，RMSE為1.92%。圖5為基于最佳反演模型估算的土壤水分分布圖，其中，W1～W4處理SMC均值分別為17.38%、17.44%、20.31%、21.58%，與試驗(yàn)方案表現(xiàn)出相似的分布特征。

表6 基于機(jī)載成像數(shù)據(jù)的土壤含水率PLSR模擬性能評(píng)價(jià)Table 6 PLSR model performance evaluation of soil moisture content based on the UAV data

圖5 LCC-CWT1-PLSR模型估算的SMC分布Fig.5 Spatial distribution of SMC prediction by LCC-CWT1-PLSR model

3 討 論

3.1 土壤含水率變化對(duì)葉片生化參數(shù)的影響

當(dāng)前，通過(guò)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的土壤水分監(jiān)測(cè)模型適用性較差，因此本研究對(duì)葉片光譜特性進(jìn)行分析，嘗試提高模型適用性。葉片的光譜特性由葉片水分、色素、干物質(zhì)等對(duì)光的吸收和散射的特性所決定[19]，而作物水分的虧缺會(huì)導(dǎo)致葉片在形態(tài)結(jié)構(gòu)、顏色、水分等發(fā)生變化，因此本研究分析了不同水分處理下葉綠素、葉片含水率、葉面積指數(shù)的變化。從表2可以看出，灌水量減少顯著降低了冬小麥葉片葉綠素含量和葉面積指數(shù)，而葉片含水率在不同水分處理下只有微弱的差異，這可能與葉片氣孔關(guān)閉有關(guān)。土壤水分降低導(dǎo)致作物受旱后，氣孔關(guān)閉是植物對(duì)水分虧缺的第一反應(yīng)，通過(guò)關(guān)閉葉片氣孔可以有效降低蒸騰速率，防止葉片水分流失[30]。其中氣孔的關(guān)閉導(dǎo)致了小麥光合作用的降低，嚴(yán)重影響其生長(zhǎng)，導(dǎo)致葉面積的減少，但其通過(guò)生長(zhǎng)與生存的平衡，有效降低了葉片水分減少，這與本試驗(yàn)實(shí)測(cè)冬小麥生化參數(shù)所表現(xiàn)的規(guī)律一致（表2）。

對(duì)于葉綠素來(lái)說(shuō)，水分脅迫會(huì)抑制葉綠素的合成[30,34]，因此隨著灌水量的降低，葉綠素與葉面積顯著降低。此外，相比于絕對(duì)含水率，干旱對(duì)晝夜葉片水勢(shì)和相對(duì)含水量的影響更大[35]，葉片水分容易受環(huán)境溫度影響以及由于小麥自身的調(diào)控機(jī)制導(dǎo)致各處理梯度并不明顯。同時(shí)，冬小麥葉面積隨水分脅迫時(shí)間的增加，不同處理間的差異逐漸增大，由于水分脅迫導(dǎo)致冬小麥加速衰老[36]，葉面積提前達(dá)到了極值，其中在2022年4月13日（抽穗期）時(shí)低水分處理W1、W2葉面積已經(jīng)達(dá)到了峰值，而高水分處理W3、W4其葉面積仍在升高。對(duì)3種生化參數(shù)的比較表明，土壤含水率的變化對(duì)冬小麥葉片葉綠素與葉面積的影響更顯著。

3.2 連續(xù)小波變換對(duì)光譜的影響

為增強(qiáng)葉片光譜特性，突出葉片生化參數(shù)對(duì)光譜的響應(yīng)，本研究分析了連續(xù)小波變換對(duì)光譜的影響。小波系數(shù)可以反映特定尺度與特定波長(zhǎng)位置上小波基函數(shù)與冠層光譜反射率光譜之間的相似性，可以有效突出生化參數(shù)在不同波段的不同吸收強(qiáng)度所引起的光譜變化[15]。而且與反射率光譜相比，本研究發(fā)現(xiàn)小波特征光譜與土壤水分的相關(guān)性更高。另外，已有研究表明作物生化參數(shù)的變化更容易被低尺度小波特征捕捉到，而本研究也發(fā)現(xiàn)小波特征與作物生化參數(shù)的相關(guān)性更強(qiáng)且強(qiáng)相關(guān)區(qū)域均位于小尺度小波光譜（圖2）。因此這種情況可以看作是由于小波變換可以有效地反映作物生化參數(shù)的改變，從而間接增強(qiáng)了光譜與土壤水分之間的聯(lián)系。

經(jīng)過(guò)連續(xù)小波變換處理后，光譜與葉綠素以及葉面積指數(shù)之間的關(guān)系提升幅度較大，在720～740 nm的紅邊位置存在強(qiáng)相關(guān)性。這是由于葉片內(nèi)部的多次散射導(dǎo)致綠色植物在680～750 nm處反射率迅速增加，該處是植物光譜最明顯的光譜特征之一，是描述植物健康程度的重要波段[37]。WANG等[38]使用mexh函數(shù)作為波基函數(shù)，發(fā)現(xiàn)位于720～740 nm的小波特征能夠有效評(píng)估葉綠素濃度，這與本研究結(jié)果一致。此外，LAI被用于表征單位水平地面植被葉面積的多少，所以當(dāng)LAI增加時(shí)，由于葉片對(duì)光線起到了一定的攔截作用，植被冠層光譜受土壤影響降低，植物光譜特征會(huì)得到加強(qiáng)，因此對(duì)葉面積敏感的小波特征位于紅邊區(qū)域。

連續(xù)小波變換對(duì)葉片水分與光譜之間相關(guān)性提升較小，這可能是由于本研究采集的田間冠層光譜受外界環(huán)境影響較大，再加上由于冬小麥自身對(duì)干旱脅迫的調(diào)控，各處理中葉片含水率差距較微弱，對(duì)田間光譜的影響變得更加微弱。此外本研究為匹配機(jī)載高光譜圖像數(shù)據(jù)選取450～950 nm范圍光譜進(jìn)行研究，而有關(guān)的研究表明在1 300～2 500 nm的小波特征可以捕捉水分引起的葉片反射光譜形狀振幅的變化[16]，本研究中所用波長(zhǎng)范圍僅包括少量近紅外波段，因此連續(xù)小波變換后光譜與葉片水分相關(guān)性的提升較弱，但顯著提高了與葉面積和葉綠素的相關(guān)性。

3.3 不同小波特征的效果分析

土壤水分對(duì)冬小麥葉片不同生化參數(shù)的影響程度不同，為確定最佳土壤含水率監(jiān)測(cè)光譜特征，本研究比較了不同尺度下多種小波特征變量構(gòu)建土壤水分監(jiān)測(cè)模型的效果。

從分解尺度的大小來(lái)看，相比原始反射率光譜，低頻小波特征構(gòu)建的全波段SMC監(jiān)測(cè)模型效果略有提高但總體較差（表3），而1～2尺度的小波特征在經(jīng)過(guò)生化參數(shù)篩選后建立的土壤含水率監(jiān)測(cè)模型在精度與穩(wěn)定性上得到了提升（表5、表6）。對(duì)于近地面非成像數(shù)據(jù)來(lái)說(shuō)，可能是因?yàn)榈皖l小波特征突出了作物色素的吸收特征，通過(guò)色素對(duì)土壤水分的響應(yīng)來(lái)間接反映了作物土壤含水率大小，因此通過(guò)小尺度小波特征建立的模型有更高的精度。但由于葉片水分引起的光譜變化主要位于1 300～2 500 nm，因此在基于LWC驅(qū)動(dòng)構(gòu)建的土壤含水率監(jiān)測(cè)模型中近地面模型傾向于可以描述光譜整體變化的中低頻小波特征（尺度3）；而機(jī)載成像數(shù)據(jù)由于距離冠層較遠(yuǎn)，尺度大且混雜了部分土壤光譜特征，此時(shí)低頻小波特征可能在一定程度上反映了土壤水含水率，因此生化參數(shù)驅(qū)動(dòng)的機(jī)載模型均傾向于小尺度小波特征。

從特征變量的選取方法來(lái)看，通過(guò)葉綠素小波特征來(lái)建立土壤含水率監(jiān)測(cè)模型，其精度以及魯棒性表現(xiàn)最好。由于作物缺水會(huì)引起葉片在空間的伸展姿態(tài)、內(nèi)部的形態(tài)結(jié)構(gòu)、顏色、厚度等發(fā)生一系列的變化從而引起葉片及冠層光譜反射率特性的變化[31,39]，利用作物光譜特性對(duì)土壤水分進(jìn)行監(jiān)測(cè)本質(zhì)上是通過(guò)監(jiān)測(cè)作物在不同水分條件下的生理狀態(tài)實(shí)現(xiàn)的，僅分析作物冠層光譜與土壤含水率之間的數(shù)學(xué)關(guān)系選定的特征變量?jī)H適用于特定數(shù)據(jù)集，因此，基于SMC驅(qū)動(dòng)選擇的特征在不同數(shù)據(jù)集中表現(xiàn)不穩(wěn)定。而通過(guò)對(duì)作物生化參數(shù)敏感的小波特征來(lái)構(gòu)建的模型中，LWC特征以及LAI特征表現(xiàn)均弱于LCC特征，這與植物光學(xué)特性以及自身的調(diào)控機(jī)制有關(guān)，冬小麥在干旱情況下葉片含水量降低，為降低水分蒸散發(fā)，葉片氣孔關(guān)閉，減少葉綠素的合成，葉面積減小并卷曲下垂，以換取作物的存活[30,39]，在這個(gè)過(guò)程中，由于冬小麥?zhǔn)艿剿置{迫導(dǎo)致其生育期提前，下層葉片提前開(kāi)始枯萎[40]，導(dǎo)致土壤水分沒(méi)有降低，總?cè)~面積依然存在下降趨勢(shì)，而葉片水分的變化并不顯著，且對(duì)光譜的影響主要體現(xiàn)在吸水波長(zhǎng)位置（短波紅外區(qū)域），不足以顯著表現(xiàn)在450～950 nm范圍光譜中，這影響了LWC與LAI在不同生育期的適用性。而對(duì)于葉片葉綠素來(lái)說(shuō)，水分的缺失會(huì)影響葉綠素的合成，且實(shí)測(cè)LCC在拔節(jié)期后各處理均較為穩(wěn)定，干旱導(dǎo)致生育期的提前對(duì)于冠層葉綠素影響較小，并且低頻小波特征突出了色素的吸收特征，這增強(qiáng)了光譜與葉綠素之間的關(guān)系，因此基于LCC特征構(gòu)建的模型適用性較強(qiáng)。REN等[12]的研究也表明光譜的紅邊參數(shù)可以用于監(jiān)測(cè)冬小麥在返青-成熟階段的水分脅迫；而在植被反射率光譜曲線中，紅邊是最明顯的光譜特征之一，是描述植被葉綠素狀態(tài)的重要指示波段[15]，可見(jiàn)通過(guò)葉綠素來(lái)反映冬小麥水分脅迫具有優(yōu)勢(shì)，因此使用葉綠素小波特征構(gòu)建土壤含水率監(jiān)測(cè)模型，能夠有效提高模型的魯棒性。

綜上所述，本研究通過(guò)探討作物光譜與生化參數(shù)對(duì)土壤含水率變化的響應(yīng)構(gòu)建了不同的SMC反演模型，對(duì)低空遙感檢測(cè)土壤含水率的模型進(jìn)行了一定的探索。但本研究?jī)H結(jié)合光譜特征與葉綠素對(duì)反演模型進(jìn)行了優(yōu)化，僅考慮光譜維度數(shù)據(jù)未能充分體現(xiàn)葉片水分、葉面積對(duì)土壤水分變化的響應(yīng)，模型有待進(jìn)一步完善。因此，后續(xù)的研究工作將著手于結(jié)合多源遙感數(shù)據(jù)從多角度優(yōu)化SMC反演模型，為作物旱情監(jiān)測(cè)提供可行方案。

4 結(jié) 論

目前通過(guò)植物冠層光譜反演土壤含水率模型適用性較差。為了提高模型適用性、選擇合適的光譜特征，本研究探討了作物生化參數(shù)對(duì)土壤水分的響應(yīng)，提取了對(duì)作物不同生化參數(shù)敏感的小波特征，基于不同特征變量建立了土壤含水率偏最小二乘回歸監(jiān)測(cè)模型。結(jié)果表明：

1） 土壤含水率變化顯著影響了小麥葉綠素和葉面積，從而導(dǎo)致了冬小麥冠層光譜的變化。

2） 小尺度連續(xù)小波變換可以增強(qiáng)作物冠層光譜與作物土壤含水率之間的聯(lián)系，最佳變換尺度為1（相關(guān)系數(shù)的平方為0.61），相較于原始光譜提升0.15。

3） 選擇對(duì)作物生化參數(shù)敏感的小波特征構(gòu)建成像與非成像土壤含水率監(jiān)測(cè)模型具有更好的適用性，可用于多尺度、多生育期數(shù)據(jù)。小尺度下連續(xù)小波變換葉綠素特征構(gòu)建的地面非成像與機(jī)載成像數(shù)據(jù)土壤含水率監(jiān)測(cè)模型精度最高，綜合兩類(lèi)平臺(tái)數(shù)據(jù)來(lái)看，基于1尺度葉綠素小波特征構(gòu)建的模型效果最好，其在獨(dú)立非成像數(shù)據(jù)集驗(yàn)證中R2為0.541，均方根誤差為2.42%，在成像數(shù)據(jù)集驗(yàn)證中R2為0.687，均方根誤差為1.92%。