小麦叶面积指数与冠层反射光谱的定量关系

2.2 冠层光谱和生长参数测定
于小麦拔节后主要生育期，采用美国 Cropscan 公司生产的 MSR-16 型便携式光谱辐射 仪测定不同处理各小区的冠层光谱反射率。光谱仪视场角为 31.1°，波段范围为 452~1650 nm， 设 16 个波段，其中可见光为 460、510、560、610、680 和 710 nm；近红外为 760、810、870、 950、1100、1220、1480、1500 和 1650 nm。测量选择在晴朗无云或少云的天气进行，测量 时间为 10:00~14:00。测量时将光谱仪探头置于长势均匀、冠层整齐的区域正上面，距冠层 垂直高度 1 m 处进行测量。每次采集目标光谱前后都进行参考板校正。每小区重复测量 5 次，取平均值作为该小区的光谱测量值。在获取冠层反射光谱的同时进行破坏性取样，采用 CID-301 型叶面积仪测定小麦叶面积指数。
Perpendicular vegetation index
PVI = ρ NIR − a ρ red − b 1+ a2
转换型土壤调整指数 Transformed Soil Adjusted
Vegetation Index
TSAVI
TSAVI
= a ( ρ NIR − a ρ red − b ) a ρ NIR + ρ red − ab
1 引言
利用遥感技术监测作物生长过程的状况与趋势，即长势监测是农业遥感的重要任务之 一。长势监测的目的是为田间管理提供及时的作物信息，也为早期估测产量提供苗情依据。 叶面积指数是遥感长势监测中最常用的描述作物长势的综合参数[18, 3]。 关于作物叶面积的 遥感估测方面，已有众多研究提出了不同的敏感区域和不同波段组合的植被指数[2]。Prasad[6] 的研究表明，红光区反射率与叶面积指数相关性较为密切。刘伟东等[4, 9, 15]在水稻上的研究 也证明了这一结论，并且分别提出671 nm和682 nm反射率与叶面积指数的关系最好。宋开山 [10]认为760 nm与550 nm反射率构成的比值植被指数与大豆叶面积呈幂函数关系。薛利红[17] 在水稻上的研究也提出相近波段组合的比值植被指数RVI(810,560)与水稻LAI呈幂函数关 系。谭昌伟[11]发现垂直植被指数PVI 和比值植被指数RVI(810,560)可以作为反演夏玉米LAI 的最佳植被指数，并采用指数方程拟合它们与LAI的关系。唐延林[12]在研究水稻、玉米和棉 花3种作物叶面积指数与冠层反射光谱的关系中发现，800 nm与680 nm反射率构成的比值植 被指数可以用来反演这3种作物的LAI。Wiegand[16]认为比值植被指数RVI和转换型土壤调整 指数TSAVI与小麦LAI线性相关，绿度植被指数GVI和垂直植被指数PVI与小麦LAI的关系则 用幂函数和二次方程拟合最佳，相关系数都达0.72~0.86；并且认为这些植被指数中估测叶面 积指数最好的关系是幂函数关系，GVI和PVI相对RVI而言响应更灵敏。
纵观已有的研究报道，可以看出，用于作物叶面积遥感监测的适宜特征光谱参数随不同 的作物、不同的试验条件而有所差异；而且有关各种植被指数与 LAI 的关系函数表达方式 及预测能力的结论也不尽相同，所以有必要进一步深入研究和定量分析小麦冠层反射光谱与 LAI 的动态关系。为此，本研究以不同年份、品种、施氮水平的田间试验为基础，综合分析 小麦叶面积指数与冠层反射光谱特征的关系，明确小麦 LAI 监测的特征光谱及定量方程，
12
510nm
26
12ຫໍສະໝຸດ Baidu
560nm
660nm
* 国家自然科学基金 (30400278)、江苏省自然科学基金 (BK2003079, BK2005212)和高校博士点基金 (20030307017 资助项目.
* *通讯联系人.
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从而为建立小麦长势遥感监测与诊断模型提供理论基础和技术途径。
2 材料与方法
Normalized difference
Abbreviation RVI (λ1,λ2) DVI (λ1,λ2) NDVI (λ1,λ2)
Algorithm formula
ρλ1 / ρλ2 ρλ1 − ρλ2
ρλ1 − ρλ 2 ρλ1 + ρλ 2
Reference Pearson et al. (1972) Richardson et al. (1977) Rouse et al.
2.1 试验设计
试验 1：于 2001~2002 年在南京农业大学校内的试验站进行。前茬作物为玉米，土壤为 黄棕壤土，有机质 1.21%，全氮 0.13%，速效氮 84.2 mg·kg-1，速效磷 23.3 mg·kg-1，速效钾 97.2 mg·kg-1。供试小麦品种为徐州 26 和淮麦 18；设 4 个施氮水平，分别为 0、120、210 和 300 kg·hm-2 纯氮，基肥和拔节肥各 1/2。磷、钾肥施用量分别为 120 kg·hm-2 P2O5、150 kg·hm-2 K2O，全部用作基肥。小区面积为 4 m2（2.4m×1.68m），基本苗 1.5×106·hm-2，行距 24.5 cm。 两因素随机区组排列，重复 3 次。其他管理措施同高产大田栽培。
2.3 数据分析方法
利用任意两波段反射率构建比值植被指数[5]、差值植被指数[7]和归一化植被指数[8]。另
外提取了一些常见的光谱参数，主要包括绿度调节植被指数[13]、垂直植被指数[7]以及转换型
土壤调整植被指数[1]，各参数计算方法详见表 1。 综合利用 2 年试验不同生育期共 252 对叶
面积指数与对应的冠层光谱反射率和光谱参数，统一分析它们之间的定量关系。
注： ρ , λ , NIR 分别为反射率、波长和近红外光，green 和 red 为绿光和红光。
Richardson & Wiegand, (1977)
Baret et al,(1989)
3 结果与分析
3.1 不同氮素水平下叶面积指数随生育期的变化
以 2001~2002 年氮肥试验中徐州 26 为例，描述了不同氮素水平下小麦叶面积指数随生 育时期的变化模式（图 1）。可以看出，LAI 随生育进程呈抛物线变化规律，从拔节到孕穗 期小麦单株叶面积持续增长，促使 LAI 不断增加，达到最大值。孕穗期以后，随生育期的 推移，下部叶片逐渐衰老脱落，导致 LAI 迅速下降。并且在不同施氮水平下小麦 LAI 存在 差异，总体上随施氮量的增加呈上升趋势，但两个高氮处理之间的差异不明显。
nitrogen levels in Xuzhou 26
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反 射 率 Reflectance (%)
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3.2.2 不同生育期冠层光谱反射率 图 3 分段并选择代表性波段来描述冠层光谱反射率随生育期的变化规律。A 图为可见光
区（460~710 nm）冠层光谱反射率先下降后上升的变化规律，以孕穗期为最低点。B 图可以 看出近红外短波段光反射率（760~1220 nm）是先上升后下降，开花前后达最大值。C 图中 近红外长波段区域（1480~1650 nm）反射率的变化，与可见光部分相同。其他类型小麦品种 冠层反射光谱随生育期的变化规律相同。
光谱参数
表 1 光谱指数计算方法及出处
Table 1 Algorithm and references of different spectral indices
缩写
计算公式
参考文献
Spectral parameter 比值植被指数
Ratio vegetation index 差值植被指数
Differential vegetation index 归一化植被指数
平呈负相关关系，而近红外短波段范围内（760~1220 nm）的光谱反射率则随着施氮水平的
增加呈上升趋势。不同氮素水平下各波段反射率的变异系数的最大值出现在 660、680、610
和 1480 nm 波段上。其他类型小麦品种在整个生育期的反射光谱都遵循这一基本规律。
50
7.5
N0
N120
N0
6.5
N210
40
N120
N300
N210
5.5
30
N300
4.5
20
叶面积指数 Leaf area index 反射率 Reflectance (%)
3.5
10
2.5 125
135
145
155
165
175
播后天数 Days after sowing (d)
0 460 560 660 710 810 950 1220 1500
试验 2：于 2003~2004 年在江苏省农业科学院试验站进行。前茬水稻田，供试土壤为黄 黏土，有机质 0.96%，全氮 0.10%，速效磷 40.29 mg·kg-1，速效钾 102.78 mg·kg-1。供试小麦 品种为宁麦 9 号、淮麦 20、徐州 26 和扬麦 10。设 5 个施氮水平，分别为 0、75、150、225 和 300 kg·hm-2 纯氮，基追比 6:4，60%作基肥，拔节肥和孕穗肥各占 20%，配施 P2O5 150 kg·hm-2 和 K2O 112.5 kg·hm-2，全部用作基肥。小区面积为 16 m2，基本苗为 1.8×106·hm-2，行距 25 cm。 两因素随机区组排列，3 次重复。其他管理措施同高产大田栽培。
波段 Wavelength (nm)
图 1 不同氮素水平下徐州 26 叶面积指数随生育期的变化 Fig. 1 Changes of LAI with growth stages in Xuzhou 26 under
different nitrogen levels
图 2 不同氮素水平下徐州 26 孕穗期的冠层光谱反射率 Fig. 2 Canopy spectral reflectance at booting under different
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小麦叶面积指数与冠层反射光谱的定量关系*
李映雪，朱艳∗ ∗，戴廷波，田永超，曹卫星
南京农业大学江苏省信息农业高技术研究重点实验室，农业部作物生长调控重点开放实验 室，南京 （210095）
摘 要：在分析不同氮素水平下小麦叶面积指数（LAI）和冠层光谱反射率随生育期变化模 式的基础上，确立了 LAI 与冠层光谱反射率及光谱参数的相关关系，提出了小麦 LAI 的敏 感光谱参数及预测方程。结果表明，小麦 LAI 和近红外短波段（760~1220 nm）反射率都随 施氮量的增加呈上升趋势，可见光反射率则相反；从拔节到成熟，LAI 和近红外短波段反射 率均表现为先上升后下降的趋势，而可见光波段（460~710 nm）反射率随生育期的推进先降 低然后升高，以孕穗期反射率最低，近红外长波段区域（1480~1650 nm）反射率的变化与可 见光部分相同。LAI 与可见光波段反射率负相关，与近红外短波段反射率呈极显著正相关， 其中以 810 nm 相关最好。可以选择 RVI(810,510)和 DVI(810,560)作为反演小麦 LAI 的光谱 参数。另外，在证明垂直植被指数 PVI 和转换型土壤调整指数 TSAVI 对 LAI 预测能力的同 时，发现利用 RVI(810,510)、DVI(810,560)和 PVI 3 个植被指数共同推算小麦 LAI 的准确度 更高。 关键词：小麦 叶面积指数 冠层反射光谱 光谱指数 定量关系
3.2 不同氮素水平下冠层光谱反射率随生育期的变化
3.2.1 不同氮素水平下冠层光谱反射率
同样以试验 1 中徐州 26 孕穗期冠层反射光谱为例，来展示小麦冠层光谱反射率对施氮
水平的响应模式。从图 2 可以看出，不同施氮水平下的小麦冠层光谱反射率存在明显差异，
可见光波段（460~710 nm）与近红外长波段区域（1480~1650 nm）的光谱反射率与施氮水
(1974)
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vegetation index
绿度调节植被指数 Green adjusted Vegetation Index
GSAVI
GSAVI
=
ρ NIR − ρ green
(1 + L )
ρ NIR + ρ green + L
Tian
垂直植被指数 PVI