高光譜相機用于水稻、玉米、棉花的紅邊特征比較研究

本研究應(yīng)用了400-1000nm的高光譜相機，可采用廣東賽斯拜克科技有限公司產(chǎn)品SP130M進行相關(guān)研究。光譜范圍在400-1000nm，波長分辨率優(yōu)于2.5nm，可達1200個光譜通道。采集速度全譜段可達128FPS，波段選擇后最高3300Hz（支持多區(qū)域波段選擇）。

本研究測定了水稻,玉米,棉花3種作物共6個品種的冠層和主莖葉片不同生育期高光譜反射率及其對應(yīng)葉片中葉綠素,類胡蘿卜素含量,分析了它們的高光譜及其紅邊特征和紅邊參數(shù)與葉面積指數(shù),地上生物量,鮮葉重及葉片色素含量的相關(guān)性.結(jié)果表明:(1)3種怍物冠層高光譜反射率大小與其生育期有關(guān).冠層和葉片光譜反射率最大值比較結(jié)果是,冠層光譜:棉花>玉米>水稻;葉片光譜:水稻>棉花>玉米.(2)3種作物冠層光譜的紅邊都具有"雙峰"現(xiàn)象.紅邊幅值Dλ,和紅邊面積Sr均呈增大,減少的變化規(guī)律,但紅邊位置λr的變化范圍和變化規(guī)律不同;冠層紅邊參數(shù)λr,Dλr,Sr與其葉面積指數(shù)和鮮葉重之間都呈極顯著相關(guān),但與地上鮮生物量和地土干生物量相關(guān)性有差異;葉片葉綠素a,葉綠素b,總?cè)~綠素及類胡蘿卜素含量與其光譜紅邊位置λr之間都呈極顯著相關(guān),但與紅邊參數(shù)Dλr,Sr的相關(guān)性有差異.

光譜測定

(1)冠層光譜 選擇晴朗無云無風(fēng)天氣，于當(dāng)天10:00～14:00,分別在七葉期、拔節(jié)期、開花期、乳穗期測定其冠層光譜反射率。測量時，傳感器探頭向下，距冠層頂垂直高度約0.70～1.00m(拔

節(jié)前為0.70m,拔節(jié)后為1.00m)。每個小區(qū)內(nèi)選取長相適中的植株5株，光譜采樣以10個光譜為一采樣光譜，每次記錄10個光譜，以其平均值作為該小區(qū)的光譜反射值，測量時及時進行標(biāo)準(zhǔn)白板校正(標(biāo)準(zhǔn)白

板反射率為1,這樣所測得的目標(biāo)物光譜反射率是無量綱和單位的相對反射率)。

冠層光譜數(shù)據(jù)測定后，對應(yīng)測冠層光譜的位置取樣測定玉米植株的生物物理參數(shù)。采樣后按器官分離，測鮮生物量，然后置于105℃烘箱中殺青0.5h,以70℃恒溫烘干，當(dāng)兩次測重(相隔1h)相差≤%時，測干生物量。葉面積指數(shù)采用掃描與長寬法結(jié)合測量(由掃描確定所乘系數(shù))。

(2)葉片光譜  定期從各小區(qū)選取長相適中的植株5株，取樣測完全展開倒一葉(以剝開下層葉葉鞘后可見葉耳及葉鞘的葉片中最上面一片葉為完全展開倒一葉)和倒三葉(按倒一葉往下類推)的光譜，用生化方法測葉片葉綠素和類胡蘿卜素含量。測葉片光譜時，樣品置于反射率近似為零的黑色橡膠上，光譜儀視場角為8°,探頭垂直向下，距樣品表面距離0.10m;光源用光譜儀所帶的50W鹵化燈，光源距樣品表面距

離0.45m,方位角70°。光譜儀、控制計算機和室內(nèi)光源連接在UPS上，每次數(shù)據(jù)采集前都進行標(biāo)準(zhǔn)白板校正，光譜采樣以10個光譜為一采樣光譜，每次記錄10個光譜，然后求平均。

1.2.3葉綠素、類胡蘿卜素測量 對應(yīng)測光譜的葉片，剪取包含測光譜的葉片中部0.200g成細(xì)絲(或細(xì)粒),葉片加混合提取液(丙酮、無水乙醇、蒸餾水的質(zhì)量比為4.54.51)100mL,于室溫下遮光靜置至樣品完全發(fā)白，對提取液用BECKMAN DU-600比色，分別測定663nm(葉綠素a吸收峰)、645nm(葉綠素b吸收峰)和440nm的OD值，然后按下面公式計算葉綠素和類胡蘿卜素含量12]。

Chla(mg/L)=9.7840D?-0.9900Ds,Chlb(mg/L)=21.4260Ds-4.6500D?Ch1(mg/L)=5.1340Da+20.436ODss,Car(mg/L)=4.695OD?-0.268(Chla+Chlb)Chl(Car)(mg/g)=[濃度(mg/L)X提取液體積(mL)J/[質(zhì)量(g)×1000]

數(shù)據(jù)處理與分析

冠層和葉片光譜

從圖1可見，隨發(fā)育期推移，玉米冠層光譜反射率在可見光范圍內(nèi)降低，在近紅外區(qū)域增高，到開花期時兩者差異最大；開花以后，在可見光和近紅外范圍內(nèi)反射率均降低。這是因為近紅外反射率主要取決于生物量、葉面積指數(shù)和冠層結(jié)構(gòu)，可見光反射率主要取決于冠層葉綠素含量和蓋度。

從圖2可見，隨發(fā)育期推移，Y2的冠層反射率變化比YI快，其近紅外反射率最大值要明顯高于Y1,同時，在拔節(jié)期Y2完全展開倒一葉葉片的光譜反射率也有異于Y1,產(chǎn)生此種現(xiàn)象的原因可能是Y2的生育期比Y1短，其生物量、葉面積指數(shù)的增加和減小都比YI快，Y2葉片的節(jié)間距較Y1短，葉傾角較Yl小，這使得葉片反光面積增加和光在葉片的散射減弱；Y2葉片比YI葉片略厚，同時葉色較深，這樣Y2葉片對近紅外光的二次散射和對可見光的吸收加強。

冠層和葉片光譜的紅邊參數(shù)

植被光譜的紅邊參數(shù)主要有：(1)紅邊位置λea:紅光范圍(680～760nm)內(nèi)一階導(dǎo)數(shù)光譜最大值所對

應(yīng)的波長(單位：nm);(2)紅邊幅值(又稱紅邊斜率)Ded:紅光范圍(680～760nm)內(nèi)一階導(dǎo)數(shù)光譜的最大值(單位：nm°1);(3)紅邊峰值面積(簡稱紅邊面積)Sed:680～760nm之間的一階導(dǎo)數(shù)光譜所包圍的面積R+1-R。(無量綱和單位)。本文一階導(dǎo)數(shù)采用差分計算，DA=。有人認(rèn)為有兩個因素決定著紅邊位A?1-A.1

置和紅邊斜率：一個是葉綠素含量，它能引起700mm附近的光譜變化；另一個是作物對近紅外波段的散射特性，它由冠層結(jié)構(gòu)和葉片結(jié)構(gòu)等因素決定。

從圖3可見，玉米冠層光譜的紅邊具有“雙峰”現(xiàn)象，這跟大多數(shù)綠色植物的紅邊相似。在生長早期，由于冠層葉面積指數(shù)較小，受土壤背景的影響，冠層光譜的“雙峰”現(xiàn)象并不明顯，隨著發(fā)育期推移，生物量增加、葉面積指數(shù)增大，土壤背景對冠層光譜的影響減小，“雙峰”現(xiàn)象愈來愈明顯，到開花期時達到最大，以后隨著玉米成熟，下部葉片開始變黃、脫落，“雙峰”現(xiàn)象逐漸減弱。

從圖4可見，試驗的兩個品種玉米冠層反射光譜的紅邊位置在整個生育期內(nèi)處于710～740mm之間。在試驗期間，隨發(fā)育期推移，紅邊位置一直呈“紅移”現(xiàn)象，而紅邊幅值和紅邊面積在拔節(jié)前呈“紅移”現(xiàn)象，到開花期時達到最大，開花后逐漸減小，呈“藍移”現(xiàn)象。另外，Y2的紅邊幅值和紅邊面積隨栽種時間的變

化要快于Y1,這可能是Y2的生育期比YI短的緣故。

紅邊參數(shù)與LAI地上生物量和葉鮮重的相關(guān)性

分別計算紅邊參數(shù)Aed、Dd、Srd與葉面積指數(shù)LAI、地上鮮生物量AFM、地上干生物量ADM和鮮葉重HM之間的相關(guān)系數(shù)，結(jié)果見表1。從表1可見，3個紅邊參數(shù)與LAI、AFM、ADM和FM之間有很好的

相關(guān)性，都達到了0.01的極顯著水平，因此，可以用玉米冠層反射光譜的紅邊參數(shù)Aed、Dd、Srd來估算其葉面積指數(shù)、地上生物量和鮮葉重，估算回歸方程如表2所示。另外，從表1還可知，玉米冠層反射光譜3個紅邊參數(shù)彼此之間也存在極顯著相關(guān)。

紅邊參數(shù)與葉綠素、類胡蘿卜素的相關(guān)性

分別計算完全展開倒一、三葉反射光譜紅邊參數(shù)Aed、Ded、Sred與葉片葉綠素、類胡蘿卜素含量之間的相關(guān)系數(shù)，結(jié)果見表3。從表3可見，紅邊參數(shù)Aed、Ded與葉片葉綠素a、葉綠素b、總?cè)~綠素及類胡蘿卜素含量之間有很好的相關(guān)性，都達到了0.01的極顯著水平，而Sred與葉綠素、類胡蘿卜素含量的相關(guān)性不明顯。因此，可以用葉片反射光譜的紅邊參數(shù)Aed、Dd來估算其葉綠素、類胡蘿卜素含量，估算回歸方程如表4所示。

 結(jié)論

通過上述實驗與分析，可以得到以下結(jié)論：

隨發(fā)育期推移，玉米冠層光譜反射率在可見光范圍內(nèi)降低，在近紅外區(qū)域增高，到開花期時兩者差異最大；開花以后，在可見光和近紅外范圍內(nèi)反射率均降低。生育期越長，冠層光譜隨時間變化越慢。

玉米冠層光譜的紅邊具有“雙峰”現(xiàn)象，其現(xiàn)象隨發(fā)育期推移愈趨明顯，到開花期時達到最大，此后，“雙峰”現(xiàn)象逐漸減弱。

冠層反射光譜的紅邊位置在整個生育期內(nèi)處于710～740nm之間。隨發(fā)育期推移，紅邊位置呈“紅移”現(xiàn)象，而紅邊幅值和紅邊面積在拔節(jié)前呈"紅移”現(xiàn)象，到開花期時達到最大，開花后逐漸減小，呈“藍移”現(xiàn)象。

玉米冠層反射光譜紅邊參數(shù)Aed、Ded、Srd與葉面積指數(shù)、地上鮮生物量、地上干生物量和鮮葉重之間存在極顯著相關(guān)，完全展開倒一葉葉綠素a、葉綠素b、總?cè)~綠素及類胡蘿卜素含量與其反射光譜的紅邊參數(shù)λed、Dd、Sred也極顯著相關(guān)，這說明可以用光譜紅邊參數(shù)Aed、Dred、Srd來估算葉面積指數(shù)、地上生物量、鮮葉重、葉片的葉綠素(葉綠素a、葉綠素b、總?cè)~綠素)和類胡蘿卜素含量。

高光譜相機用于水稻、玉米、棉花的紅邊特征比較

對于水稻來說，高光譜相機能夠精確地測量其紅邊特征。水稻的紅邊特征通常出現(xiàn)在可見光的波長范圍內(nèi)，大約在700納米左右。通過高光譜相機，我們可以觀察到水稻在這個波長范圍內(nèi)的反射率變化，從而判斷水稻的生長狀況和營養(yǎng)狀況。例如，如果水稻的反射率增加，說明其生長狀況良好，反之則可能存在某些生長問題。

對于玉米來說，其紅邊特征同樣出現(xiàn)在可見光的波長范圍內(nèi)，但是與水稻不同，它的紅邊特征可能會提前一些，大約在720納米左右。通過高光譜相機，我們可以觀察到玉米在這個波長范圍內(nèi)的反射率變化，從而判斷玉米的生長狀況和營養(yǎng)狀況。與水稻類似，如果玉米的反射率增加，說明其生長狀況良好，反之則可能存在某些生長問題。

對于棉花來說，其紅邊特征同樣出現(xiàn)在可見光的波長范圍內(nèi)，但是與水稻和玉米不同，它的紅邊特征可能會略微偏后一些，大約在750納米左右。通過高光譜相機，我們可以觀察到棉花在這個波長范圍內(nèi)的反射率變化，從而判斷棉花的生長狀況和營養(yǎng)狀況。與水稻和玉米類似，如果棉花的反射率增加，說明其生長狀況良好，反之則可能存在某些生長問題。

通過對水稻、玉米和棉花三種作物的紅邊特征進行比較分析，我們可以發(fā)現(xiàn)它們在可見光波長范圍內(nèi)的紅邊特征存在一定的差異。這種差異可能與不同作物的生長特性、葉綠素含量以及營養(yǎng)狀況等因素有關(guān)。高光譜相機還可以對每個光譜的反射率進行精確測量，從而提供更加詳細(xì)和準(zhǔn)確的信息，有助于我們更好地理解作物的生長規(guī)律和營養(yǎng)需求。