利用高光谱植被指数监测紧凑型玉米叶绿素荧光参数F_v_F_m_谭昌伟

２ 结 果 与 讨 论
２．１ 玉米生育期内光谱值和 Ｆｖ／Ｆｍ 的变化 从图１中可以 得 出 玉 米 从 ７ 月 ２３ 日 到 ９ 月 ５ 日 在
可见光的绿光波段光谱 值 的 大 小 顺 序 为 ８ 月 ２９ 日 ＞ ８ 月 ７ 日 ＞ ９月５日＞７月２３日，在可见光波段中红光和蓝光光谱 值的大小顺序恰好相反为７月２３日＞９月５日＞８月 ７ 日 ＞ ８ 月 ２９ 日 ，主 要 是 由 于 在 可 见 光 波 段 叶 绿 素 反 射 绿 光 而 吸 收 红和蓝光。拔节期玉米的叶片 叶 绿 素 含 量 少，随 着 生 育 期 的 推进叶绿素 含 量 逐 渐 增 加，到 乳 熟 期 玉 米 叶 片 开 始 失 绿 发 黄，叶绿素含量开始下降。在近 红 外 波 段 其 光 谱 值 的 大 小 顺 序为８月２９日＞ ８月７日＞ ９ 月 ５ 日 ＞７ 月 ２３ 日，主 要 是 由于随着玉米生育期的推进，叶 片 层 数 逐 渐 增 加，反 射 率 逐 渐增加，但到吐丝期玉米叶片 开 始 失 绿 发 黄，光 谱 反 射 率 逐 渐 降 低 ，叶 片 层 数 也 逐 渐 减 少 。
１０ｍｉｎ，然后测定 ＰＳⅡ原初光能转化效率 Ｆｖ／Ｆｍ ，每 次 测 定
重 复 ９ 次 ，其 计 算 公 式 为
Ｆｖ／Ｆｍ ＝ （Ｆｍ －Ｆｏ）／Ｆｍ
（２）
式中，Ｆｏ 为暗适 应 条 件 下 的 基 础 荧 光 值；Ｆｍ 为 暗 适 应
条件下的最大荧光值；Ｆｖ 为可变条件下的荧光值。
前，叶片叶绿素含 量 逐 渐 增 加 ，Ｆｖ／Ｆｍ 随 之 增 加，到 乳 熟 期 玉米叶片开始失绿 发 黄，叶 片 叶 绿 素 含 量 逐 渐 减 少，Ｆｖ／Ｆｍ 随之降低。
Ａｌｇｏｒｉｔｈｍ
Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ
结构敏感色素指数 ＳＩＰＩ
ＳＩＰＩ＝ （Ｒ８００－Ｒ４４５）／（Ｒ８００－Ｒ６８０）
Ｐｅｎｕｅｌａｓ ｅｔ ａｌ．（１９９５）
最优土壤调节植被指数 ＯＳＡＶＩ
ＯＳＡＶＩ＝１．１６× （Ｒ８００－Ｒ６７０）／（Ｒ８００－Ｒ６７０＋０．１６）
Ｒｏｎｄｅａｕｘ ｅｔ ａｌ．（１９９５）
关键词 高光谱植被指数；Ｆｖ／Ｆｍ ；监测模型；紧凑型玉米 中 图 分 类 号 ：Ｓ１２７ 文 献 标 识 码 ：Ａ ＤＯＩ：１０．３９６４／ｊ．ｉｓｓｎ．１０００－０５９３（２０１２）０５－１２８７－０５
引 言
１ 实 验 部 分
国内外 大 量 的 研 究 表 明，叶 绿 素 荧 光 （ｃｈｌｏｒｏｐｈｙｌｌ ｆｌｕｏ－ ｒｅｓｃｅｎｃｅ，ＣＦ）作为光合作用的指示性 探 针，已 被 广 泛 应 用 于 光合作用机理研究、分析植物对环境胁迫 的 响 应 机 理 和 探 测 植物 体 内 光 合 器 官 运 转 状 况 等［１－３］。随 着 高 光 谱 遥 感 技 术 的 迅速发展，其很快的被广泛应 用 到 农 业 的 品 质 鉴 定、估 产 和 病 虫 害 等 各 方 面 。Ｗｒｉｇｈｔ［４］和 王 纪 华 等［５］对 小 麦 的 蛋 白 质 品 质进行了研究；Ｗｉｍ 等［６］利用 ＴＭ 影像数据源，使用影 像 融 合技 术 重 新 构 建 了 ＮＰＰ 估 产 模 型，分 别 对 小 麦 和 水 稻 进 行 估产，任 建 强 等［７］使 用 ＭＯＤＩＳ 数 据 源、ＣＡＳＡ 模 型 对 黄 淮 海平原的冬小 麦 进 行 估 产 并 取 得 了 较 好 的 效 果 ；Ｂｒｏｎｓｏｎ［８］ 和 Ｈａｎｓｅｎ等［９］对 作 物 的 氮 素 含 量 和 氮 素 利 用 率 、Ｆｅｎｓｈｏｌｔ 等 对 ［１０］ 叶面积指数 （ＬＡＩ）进 行 了 研 究 ；在 作 物 的 病 害 方 面 ： Ａｄａｍｓ等 分 ［１１］ 别对大豆和 蚕 豆 斑 点 葡 萄 孢 子 病 和 大 豆 黄 痿 病进行了研究，并建立相关的 评 估 指 标。然 而 对 于 叶 绿 素 荧 光参数与光谱植被指数关系的研究鲜见 报 道。本 工 作 以 紧 凑 型玉米（以下称为玉米）作为研究对象，利 用 获 取 的 叶 绿 素 荧 光参数与植被指数，构建以光谱植被指数 为 支 撑 的 叶 绿 素 荧 光参数的遥感监测模型，实时准确获取玉 米 的 叶 绿 素 荧 光 参 数信息。
摘 要 为进一步评价遥感监测紧凑型玉米叶绿素荧光参数 Ｆｖ／Ｆｍ 的 可 行 性，通 过 开 展 小 区 紧 凑 型 玉 米 试 验，分析紧凑型玉米整个生育期 Ｆｖ／Ｆｍ 与高光谱植被指数的相关关系，建立紧凑型 玉 米 Ｆｖ／Ｆｍ 高 光 谱 监 测 模型。结果表明，紧凑型玉米 Ｆｖ／Ｆｍ 与选取的高光谱植 被 指 数 均 呈 极 显 著 正 相 关 ，其 中 结 构 敏 感 色 素 指 数 （ＳＩＰＩ）与 Ｆｖ／Ｆｍ 的相关性最好，相关系数（ｒ）为０．８８。用 ＳＩＰＩ建立紧凑型玉米 Ｆｖ／Ｆｍ 的监测模型，其决定系 数 （Ｒ２）为 ０．８１２ ６，均 方 根 误 差 （ＲＭＳＥ）为 ０．０８２。研 究 表 明 ，利 用 高 光 谱 植 被 指 数 可 以 有 效 地 监 测 紧 凑 型 玉 米 整 个 生 育 期 的 Ｆｖ／Ｆｍ 。
＊ 通 讯 联 系 人 ｅ－ｍａｉｌ：ｇｕｏｗｓ＠ｙｚｕ．ｅｄｕ．ｃｎ
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光谱学与光谱分析 第３２卷
冠 层 垂 直 高 度 １．５ ｍ，传 感 器 视 场 角 为 ２５°。测 量 扫 描 时 间 为 ０．２ｓ，重复１０次，取其 平 均 值 作 为 该 样 点 冠 层 的 光 谱 反 射 率。
ＶＩ，ｒ为 ０．８５，转 换 ＴＣＡＲＩ和 ＣＣＩＩ的 ｒ 分 别 为 ０．８３３ 和 ０．８２９。表２中相 关 性 大 小 的 顺 序 是 ＳＩＰＩ＞ＧＲＥＥＮＮＤＶＩ＞
第５期 光谱学与光谱分析
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ＴＣＡＲＩ＞ＣＣＩＩ＞ＯＳＡＶＩ＞ＮＤＶＩ。从 这 个 相 关 性 的 顺 序 来 看 ＯＳＡＶＩ可 以 减 少 环 境 因 素 对 ＮＤＶＩ的 影 响 。为 了 选 择
第３ ２卷 ，第５期 光 谱 学 与 光 谱 分 析 ２ ０ １ ２ 年 ５ 月 Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ ａｎｄ Ｓｐｅｃｔｒａｌ Ａｎａｌｙｓｉｓ
Ｖｏｌ．３２，Ｎｏ．５，ｐｐ１２８７－１２９１ Ｍａｙ，２０１２
利用高光谱植被指数监测紧凑型玉米叶绿素荧光参数 Ｆｖ／Ｆｍ
２．２ 植 被 指 数 的 选 择 和 相 关 性 分 析 根据前人研究，结合玉米光 谱 和 叶 绿 素 荧 光 特 性，选 择
常 用 的 ６ 个 植 被 指 数 （表 １）。
Ｔａｂｌｅ １ Ｈｙｐｅｒｓｐｅｃｔｒａｌ ｖｅｇｅｔａｔｉｏｎ ｉｎｄｉｃｅｓ ｕｓｅｄ ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ
Ｖｅｇｅｔａｔｉｏｎ ｉｎｄｅｘ
１．１ 试 验 设 计 ２０１０年７月至９月间试验在扬州大 学 试 验 农 场（１１９°１８′
Ｅ，３２°２６′Ｎ）开展，供 试 品 种 为 ３ 个 紧 凑 型 品 种（系）：农 华 ８ 号、金海５号和郑单 ９５８。对 玉 米 冠 层 进 行 了 光 谱 测 量 和 光 合有效辐射测定。为了在田间栽培条件下 更 大 范 围 地 表 现 出
的光谱值；ｍ 为平滑前数据点的值，即原始光谱值。
１．３ 叶绿素荧光参数 Ｆｖ／Ｆｍ 测量
每次光谱测定 后 的 玉 米 叶 片，用 调 制 式 荧 光 仪 ＯＳ１－ＦＬ
（Ｏｐｔｉ－Ｓｃｉｅｎｃｅｓ，Ｔｙｎｇｓｂｏｒｏ，ＭＡ，ＵＳＡ）测 定 与 反 射 率 相 同
部位叶片的叶绿素荧光参数。首先用暗适 应 夹 将 叶 片 暗 适 应
归一化差值植被指数 ＮＤＶＩ
ＮＤＶＩ＝ （Ｒ８９０－Ｒ６７０）／（Ｒ８９０＋Ｒ６７０）
Ｒｏｕｓｅ ｅｔ ａｌ．（１９７３）
绿度植被指数 ＧＲＥＥＮＮＤＶＩ
ＧＲＥＥＮＮＤＶＩ＝ （Ｒ７５０－Ｒ５５０）／（Ｒ７５０＋Ｒ５５０）
Ｂａｒｅｔ ｅｔ ａｌ．（１９９１）
转换叶绿素吸收反射指数 ＴＣＡＲＩ
ＴＣＡＲＩ＝３× ［（Ｒ７１０－Ｒ６８０）－０．２× （Ｒ７００－Ｒ５６０）（Ｒ７１０／Ｒ６８０）］
Ｆｖ／Ｆｍ 的最佳估算方程，分别对所有植被指数进 行 回 归 分 析 （图 ３）。
１．２ 光 谱 测 试 分别 在 玉 米 拔 节 期 （７ 月 ２３ 日）、喇 叭 口 期 （８ 月 ７ 日）、
吐丝期（８月２９日）、乳 熟 期 （９ 月 ５ 日 ）进 行 ４ 次 光 谱 测 定。 采用美国 ＡＳＤ Ｆｉｅｌｄｓｐｅｃ ＦＲ２５００型野外光谱辐射谱仪，光谱 范 围３５０～２ ５００ｎｍ，分辨率在３５０～１ ０００ｎｍ 光谱区为１．４ ｎｍ，１ ０００～２ ５００ｎｍ 区为２ｎｍ，光 谱 重 采 样 间 隔 为 １ｎｍ。 在晴朗无云、北京时间１０：３０～１４：００，选择 代 表 性 植 株 进 行 测定，测定前后用参 考 板 标 定，测 定 时 传 感 器 探 头 向 下，距
综合图１和图２，随着 玉 米 生 育 期 的 推 进 叶 片 叶 绿 素 含 量 和叶片层数逐渐增加，在近红外波段的反射率和 Ｆｖ／Ｆｍ 也 逐渐增加。
Ｆｉｇ．１ Ｒｅｓｐｏｎｓｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｒｅｆｌｅｃｔａｎｃｅ ｓｐｅｃｔｒａ ｏｆ ｃｏｒｎ ａｔ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｇｒｏｗｔｈ ｓｔａｇｅｓ
收 稿 日 期 ：２０１１－１０－３０，修 订 日 期 ：２０１２－０１－２５ 基金项目：国家 自 然 科 学 基 金 项 目 （４０８０１１２２，４１１０１３９５），江 苏 高 校 优 势 学 科 建 设 工 程 项 目 和 公 益 性 行 业 （农 业 ）科 研 专 项 经 费 项 目
（２００８０３０３７）资 助 作 者 简 介 ：谭 昌 伟 ，１９８０ 年 生 ，扬 州 大 学 农 学 院 讲 师 ｅ－ｍａｉｌ：ｔａｎｗｅｉ０１０＠１２６．ｃｏｍ
玉米长势差异和生化组分变异，于拔节期 安 排 了 一 个 从 不 施 氮到施重氮（级差４５０ｋｇ，０～９００ｋｇ·ｈａ－１）３个氮肥水 平 处 理，即 Ｎ１：不 施 氮 肥；Ｎ３：施 氮 ４５０ｋｇ·ｈａ－１；Ｎ４：施 氮 ９００ｋｇ·ｈａ－１，使 之 表 现 为 缺 氮 、适 量 氮、过 量 氮。３ 次 重 复，行距×株距为７０ｃｍ×６０ｃｍ，每区面积 为 ２０ ｍ×２０ ｍ。 常规水分管理。