成像光譜儀和地物光譜儀在小麥冠層尺度上的對比研究

0 前沿

【研究意義】近(jin)年(nian)來(lai)，隨(sui)著(zhe)遙(yao)感(gan)技(ji)術(shu)的(de)日(ri)新(xin)月(yue)異(yi)
，高(gao)光(guang)譜(pu)遙(yao)感(gan)已(yi)成(cheng)為(wei)國(guo)內(nei)外(wai)研(yan)究(jiu)的(de)熱(re)點(dian)。高(gao)光(guang)譜(pu)的(de)光(guang)譜(pu)分(fen)辨(bian)率(lv)能(neng)精(jing)確(que)到(dao)納(na)米(mi)級(ji)，使(shi)其(qi)在(zai)探(tan)測(ce)植(zhi)物(wu)生(sheng)命(ming)信(xin)息(xi)和(he)解(jie)析(xi)植(zhi)被(bei)長(chang)勢(shi)狀(zhuang)況(kuang)方(fang)麵(mian)具(ju)有(you)得(de)天(tian)獨(du)厚(hou)的(de)優(you)勢(shi)。因(yin)此(ci)
，利(li)用(yong)高(gao)光(guang)譜(pu)深(shen)入(ru)到(dao)作(zuo)物(wu)生(sheng)態(tai)係(xi)統(tong)內(nei)部(bu)，將(jiang)更(geng)有(you)助(zhu)於(yu)作(zuo)物(wu)垂(chui)直(zhi)梯(ti)度(du)養(yang)分(fen)狀(zhuang)況(kuang)的(de)定(ding)量(liang)化(hua)研(yan)究(jiu)。【前人研究進展】在農業領域，國內外學者應用高光譜遙感進行了大量的研究，主要在以下兩方麵取得進展：一是航空高光譜遙感。Martin 等 利用 AVIRIS（airborne visible/ infrared imaging spectrometer）的 0.75 μm、1.64 μm 兩個波段的光譜反射率
，對葉片氮含量進行統計回歸
，進行了作物氮素診斷研究；Tong 等在中日合作高光譜農業遙感項目中，利用 PHI（pushbroom hyperspectral imager）在日本長野進行了當地幾種農作物的精確識別；楊敏華等利用 PHI（operative modular imaging spectrometer）對冬小麥進行營養組分反演研究並進行結果填圖
； Karimi-Zindashty利用 CASI（compact airborne spectrographic iager）對雜草和氮肥脅迫下的玉米進行了研究。二是地麵高光譜遙感。國內外學者利用地物光譜儀 ASD Fieldspec FR2500 對小麥、水稻、大豆、玉米等作物的組分、結構、品質、養分、病蟲害脅迫等進行了深入研究 。如趙春江等 利用地物光譜儀采集冬小麥冠層的多角度光譜信息，對小麥不同層次的養分狀況進行研究；王秀珍等對水稻冠層和葉片的光譜信息進行研究，構建了色素反演模型，且精度較高。【本研究切入點】hangkonggaoguangpusuirankeyichengxiang，danjiyuqimijidekongjianfenbianlv
，zhinengduidamianjidezuowuquntidechangshijinxingjiancepingjia
，wufatancedaozuowudejiegouhezhongxiacengdeyangfenbianhuaqingkuang。diwuguangpuyikeyiduizuowugetijinxingyanjiu，danshitabunengchengxiang，caijidezuowuguancengguangpuxinxishihunhede，shiqigoujiandegezhongfanyanmoxingdejingdushoudaoxianzhi。benyanjiuliyongchengxiangguangpuyihediwuguangpuyitongshihuoqudongxiaomaiguanjianshengyuqideguancengguangpuxinxi，duibifenxiliangyiqihuodedeguancengguangpudechayi
，yongdiwuguangpuyizuobiaozhun

，yanzhengchengxiangguangpuyihuoqushujudekekaoxing；然後選取常用的植被指數和小麥的葉片氮含量建立關係並分析，初步得出成像高光譜在近地使用有很大的潛力。【擬解決的關鍵問題】筆者利用成像光譜儀圖譜合一的優勢，為航空、航天高光譜遙感提供冠層水平定標

、驗證和尺度轉換服務；同(tong)時(shi)也(ye)可(ke)以(yi)從(cong)冠(guan)層(ceng)深(shen)入(ru)到(dao)中(zhong)下(xia)層(ceng)進(jin)行(xing)研(yan)究(jiu)，為(wei)作(zuo)物(wu)養(yang)分(fen)的(de)立(li)體(ti)監(jian)測(ce)提(ti)供(gong)新(xin)的(de)技(ji)術(shu)手(shou)段(duan)。驗(yan)證(zheng)成(cheng)像(xiang)光(guang)譜(pu)儀(yi)在(zai)近(jin)地(di)使(shi)用(yong)的(de)可(ke)行(xing)性(xing)，為(wei)進(jin)一(yi)步(bu)利(li)用(yong)其(qi)探(tan)測(ce)、解析作物的生長發育狀況做好了前期準備。

1 材料與方法

1.1 試驗設計

試驗地點位於江蘇某國家試驗基地，冬小麥品種為揚麥18，於 2013 年 10 月播種，正常肥水管理。2014 年在冬小麥的拔節期（4月14日）、孕穗期（5 月1日）
、灌漿期（5月21日）采集小麥的冠層的高光譜數據。

1.2 儀器介紹

農業掃描成像光譜儀（GaiaField-V10E） 是江蘇雙利合譜科技有限公司研發。光譜儀采用了1392（ 空間維）×1040（ 光譜維）
， 像元單元尺寸為6.4 5 μm×6.45 μm 的 CCD 進行線陣推掃成像（ 圖1）
， 具體的性能參數如下：

（1）光譜範圍：400—1 000 nm
；

（2）光譜分辨率：2.8 nm，采樣間隔1.2 nm
；

（3）空間分辨率：5-10 mm（視物距而定）；

（4）視場角：23°；（5）光譜通道數：520。

圖 1 成像光譜儀野外實物圖

地物光譜儀 ASD Fieldspec FR2500 的性能參數如下：

（1）光譜範圍：350—2 500 nm；

（2）光譜分辨率：3 nm@700 nm；10 nm @1 400 nm& 2 100 nm；

（3）采樣間隔：1.4 nm
，350—1 000 nm；2 nm，1 000—2 500 nm；

（4）視場角：25°。

1.3 葉片氮含量

與光譜測量同步，每個小區前期取小麥植株 6 株並放於保鮮袋，後期取 10 株單莖，帶回實驗基地，按器官(葉、莖和穗)分離，在 105°下殺青並在 80° 下烘幹，用磨樣機粉碎後用自封袋密閉低溫保存，供生物化學組分分析。葉層氮含量采用流動分析儀 A5 測定。

2 結果與分析

考慮到 ASD光譜輻射儀在農業遙感中廣泛使用，其光譜信息往往作為作物長勢及病蟲害監測的重要依據，為此本研究以 ASD 光譜數據為標準， 從2個角度依次對比 ASD 與成像光譜儀的光譜反射率（ 其中成像光譜數據為純小麥葉片光譜， 即去除背景土壤、麥穗等的影響）。 第一，將 ASD 采集的冬小麥冠層高光譜數據重采樣成GaiaField-V10E波段， 並計算每個生育期重采樣後的平均反射率
，對比重采樣的 ASD GaiaField- V10E的生育期平均反射率。如圖 2 所示，整體上
，兩種冬小麥冠層光譜信息在 可見光-紅邊區域的變化趨勢高度一致：V10E光譜曲線在 550 nm 附近出現“綠峰”特征，與 ASD 光譜曲線相符
，且因抽穗期間冬小麥冠層出現小麥穗子且葉片發黃萎縮
，導致 2 種光譜反射率在近紅外區間差距較大；拔節期由於小麥葉麵積較小
，ASD獲取的小麥冠層光譜含有較多的土壤信息
，因此其在可見光如綠峰與成像光譜儀V10E的光譜反射率存在大小差異，但峰值位置不變； 無論是紅穀或者紅邊

，成像光譜儀V10E和地物光譜儀ASD的光譜反射率曲線幾乎吻合
，在近紅外區域存在差異主要是受土壤、麥穗、黃葉等原因的影響。

圖 2 不同生育期成像光譜儀V10E 光譜曲線與 重采樣的 ASD 光譜曲線對比

• 研究對比分析了成像光譜儀V10E和重采樣的 ASD在400 ～ 1000nm 範圍冬小麥冠層光譜反射率的相關性，如圖3 所示，結果顯示兩者高度相關R2均在 0.995以上。

圖3 不同生育期的成像光譜儀V10E 和 重采樣的 ASD 光譜反射率的相關性

2.2 成像光譜儀與地物光譜儀監測LNC模型精度評價

本研究運用植被指數NDVI分別構建成像光譜儀V10E
、地物光譜儀ASD 監測小麥葉片氮含量的監測模型，圖4為兩個監測模型的1：1圖（監測模型由於數據的保密性暫不對外公布），從圖4可知

，成像光譜儀V10E監測小麥葉片氮含量的精度更高，為0.963，而地物光譜儀ASD的監測精度則為0.712
， 遠低成像光譜儀V10E。

圖 4 成像光譜儀與地物光譜儀預測葉片氮含量精度