基于反射特性的玉米苗期光譜與農(nóng)藥污染程度關(guān)系研究

呂云峰

（長春師范學(xué)院城市與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，吉林長春130032）

基于反射特性的玉米苗期光譜與農(nóng)藥污染程度關(guān)系研究

呂云峰

（長春師范學(xué)院城市與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，吉林長春130032）

由于田間大量除草農(nóng)藥的使用，玉米在苗期會受到農(nóng)藥的脅迫.為簡單地利用光譜特性反映玉米受污染的程度，為遙感檢測玉米生長狀況提供依據(jù)，以不同污染程度的玉米苗反射光譜為對象，研究了苗期玉米受到污染后的反射光譜特性；同時也對玉米苗反射光譜中的偏振信息進(jìn)行了測量和分析.結(jié)果表明：隨著受污染程度的增加，玉米苗的光譜反射比也增加；而計(jì)算得到的線偏振度隨污染程度的增加而減小，且2種指標(biāo)與污染程度分別成正相關(guān)與負(fù)相關(guān)，所得到的回歸模型的R2分別為0.8782，0.8857.在以后研究過程中，可以把現(xiàn)有的非偏振測量方法和偏振測量結(jié)合起來，對遙感反演玉米受污染程度有很大的幫助.

反射率；玉米苗期；偏振度；污染

0 引言

早期歐美地區(qū)對農(nóng)業(yè)土地利用信息更新的方法主要是通過農(nóng)民和行政執(zhí)法部門的調(diào)查得到的［1－2］，這個過程會產(chǎn)生由于人為因素造成的誤差，且比較耗費(fèi)時間和資金.與此同時，遙感影像的分析和使用為監(jiān)測大面積農(nóng)作物提供了有效和低廉的方法，利用遙感技術(shù)可以監(jiān)測農(nóng)作物生長狀態(tài)從而估計(jì)作物產(chǎn)量，同時也可以在時間上保持獲取信息的一致性［3］.

現(xiàn)今利用這些遙感影像獲取農(nóng)作物長勢或者分類的方法都是基于前期對農(nóng)作物反射光譜特性的研究.Curran等和Horler等對紅邊和葉綠素含量之間的關(guān)系做了詳細(xì)報(bào)道［4－5］；Daughtry等從玉米冠層的反射率中發(fā)現(xiàn)了評估葉綠素含量的方法［6］.同時研究者們又對作物冠層的反射特性和反射分布特性做了大量研究，Kuusk對大麥和三葉草的反射角度分布做了詳細(xì)研究［7］；Li等對植被的反射傳輸方法做了研究［8］，為以后陸地衛(wèi)星反演植被參數(shù)提供了強(qiáng)有力的依據(jù).

在對作物和植被反射特性的研究過程中，偏振現(xiàn)象也引起了大量學(xué)者的關(guān)注.Curran研究了生物量與偏振度之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)偏振主要與冠層粗糙度有關(guān)，即冠層生長茂盛且整齊的高生物量的夏季作物的偏振反射大于生長參差不齊的低生物量的冬季作物［9］；Vanderbilt等對植被的偏振反射做了大量的研究［10］，并首先建立了谷類作物冠層的偏振反射模型，同時解釋了在小麥成熟期偏振特性變化的原因.

最近10年內(nèi)，偏振遙感對地觀測越來越受到世界各國研究者的重視，尤其是Breon等研究者［11－12］，多次利用POLDER偏振數(shù)據(jù)建立了植被和土壤等地物的偏振反射模型；而Peltoniemi等多次對典型地物的高光譜偏振波譜進(jìn)行了測量，其中也包括農(nóng)作物冠層［13］；Litivinov等利用航空偏振平臺也對地表進(jìn)行了偏振測量［14］.

針對反射過程中出現(xiàn)的偏振現(xiàn)象，本文在測量了不同污染程度的玉米苗期的反射信息的同時也對反射中的偏振進(jìn)行了測量和分析，并將偏振與非偏振結(jié)合起來分析了污染對玉米苗期反射的影響.

1 實(shí)驗(yàn)材料與測量方法

利用4個污染程度的玉米作為研究對象，為了確保玉米生長狀況一致，均在相同的溫度、土壤濕度和光照條件下使玉米發(fā)芽成長至1～4葉期.種植玉米時，采用同等大小的花盆和同等濕度的土壤1kg；種植后用薄膜蓋住，防止水分蒸發(fā)（即保證同等溫度、濕度條件下生長）.由于每盆都有薄膜防止水分蒸發(fā)，所以從種植到噴藥再到光譜測量過程中，不需要再次澆水，保證了每盆玉米都是在同等條件下生長的.

各種濃度的農(nóng)藥（異惡草松）均用同等大小噴霧瓶，整盆均勻噴霧20下.噴藥后再用薄膜袋套上，防止水分和藥物蒸發(fā)或相互污染.將樣品放入同一環(huán)境下生長至2葉期時，對其反射光譜和偏振反射光譜進(jìn)行測量.第一次測量完畢后，將玉米苗再放入相同的環(huán)境條件下使其繼續(xù)生長至4葉期時，再對苗期玉米的反射和偏振光譜進(jìn)行測量.

實(shí)驗(yàn)過程中利用ASD光譜儀進(jìn)行光譜測試，并且結(jié)合多角度偏振測試平臺獲取偏振反射信息［15］.該測試平臺由光源系統(tǒng)和角度測量系統(tǒng)組成，光源可以在0°～90°范圍內(nèi)變化，最小變化范圍為0.5°；探測角度和相對方位角的精度為0.02°，利用該角度探測系統(tǒng)可以獲取被探測目標(biāo)在任意方向上的反射信息.為了確保獲取信息的準(zhǔn)確性，在測量過程中保持玉米苗冠層在一個平面上，且在測量幾何中心.ASD光譜儀的光譜范圍是350～2500nm.在計(jì)算偏振度的時候是通過旋轉(zhuǎn)ASD探測頭前的棱鏡獲取不同偏振狀態(tài)的線偏振光，從而計(jì)算出線偏振度.偏振度的計(jì)算公式如下：

式中：p為偏振度；Imax和Imin代表旋轉(zhuǎn)棱鏡時到達(dá)傳感器的最大和最小反射輻射值.為確保數(shù)據(jù)的精確性，每次測量10個光譜值，然后取平均值.

2 結(jié)果與討論

通過對偏振數(shù)據(jù)的分析并結(jié)合反射光譜曲線，確定將450～1000nm為主要研究區(qū)域.這是因?yàn)樵谠摬ǘ畏秶鷥?nèi)，玉米苗的反射光譜隨農(nóng)藥污染程度的增加變化最明顯，而在近紅外區(qū)域內(nèi)變化很小，所以確定該區(qū)域?yàn)橹饕芯繉ο?

圖1和圖2是玉米2葉期和4葉期的反射光譜曲線.實(shí)驗(yàn)中利用了4個質(zhì)量分?jǐn)?shù)的農(nóng)藥（0.77%，0.44%，0.12%，0）作為實(shí)驗(yàn)對比.

圖1、圖2是在光線入射角度為45°、垂直方向觀測獲取的反射信息.通過圖1與圖2的對比發(fā)現(xiàn)，隨著玉米苗葉子數(shù)量的增加反射率增加，同時隨著污染濃度的增加反射率也增加.玉米葉數(shù)量的增加導(dǎo)致多重反射的增加，所以使反射率增加；而污染程度嚴(yán)重的玉米苗反射率在可見光范圍增加的幅度大于近紅外波段范圍，這主要是因?yàn)楫悙翰菟墒褂衩兹~肉由原來的綠色變成黃色，也就使得玉米葉片的反射率增加.這一光譜反射特性可以用來鑒別玉米被污染的程度和污染范圍.

圖1 玉米苗2葉期的反射光譜曲線

圖2 玉米苗4葉期的反射光譜曲線

為了更詳細(xì)地研究反射信息，在實(shí)驗(yàn)過程中對450～1000nm波段范圍內(nèi)的偏振信息做了分析與計(jì)算（見圖3、圖4）.

圖3、圖4是光線入射角度為45°、探測角度為35°、相對方位角為180°（入射主平面）條件下，由公式（1）計(jì)算得到的線偏振度曲線.

圖3 玉米苗2葉期的線偏振度曲線

圖4 玉米苗4葉期的線偏振度曲線

通過圖3、圖4與圖1、圖2的對比，發(fā)現(xiàn)線偏振度與反射率呈現(xiàn)相反的關(guān)系，但是隨著污染程度的增加，線偏振度減小.圖3與圖4對比發(fā)現(xiàn)，4葉期玉米的線偏振度大于2葉期.這是由于在2葉期，玉米葉呈豎直狀，進(jìn)入傳感器方向的鏡面反射光較少；當(dāng)葉子數(shù)達(dá)到4個的時候，先前長出的葉子呈彎曲狀，形成鏡面反射，使得偏振光所占的比例增大，所以圖4的線偏振大于圖3.

在建立污染程度與反射率和線偏振度之間的關(guān)系時，通過分析發(fā)現(xiàn)，選取550nm的反射率與線偏振度作為指標(biāo)的時候反射信息及偏振信息與污染程度的相關(guān)性最大.圖5是利用污染程度與反射率之間的關(guān)系回歸得到的方程.結(jié)果發(fā)現(xiàn)，反射率與污染程度成明顯的線性關(guān)系，也就是說在遙感監(jiān)測苗期玉米受污染的時候，可以通過反射率反映出受污染程度的大小.

圖5 反射率（550nm）與污染程度的關(guān)系

圖6 線偏振度（550nm）與污染程度的關(guān)系

圖6是線偏振度為550nm時與污染程度之間的回歸方程.從結(jié)果中依然可以發(fā)現(xiàn)線偏振度與污染程度有很好的線性關(guān)系.這種對植被與偏振反射特性的研究在早期被定義為與葉子的幾何分布和冠層的植物梗莖有關(guān)，并且與反射率有著明顯的相關(guān)性.Curran在研究了波段對草的偏振影響時發(fā)現(xiàn)，在葉綠素吸收波長處高度偏振而在近紅外偏振較低［9］.這與本研究的結(jié)果一致，即偏振度與生物量有關(guān)，但是這種關(guān)系是在偏振主要與冠層粗糙度有關(guān)的假設(shè)前提下提出的.

Vanderbilt曾試圖建立糧食作物的偏振反射模型，在該過程設(shè)想小麥和玉米葉子表面被蠟質(zhì)層覆蓋，并且在特定的入射和反射角度方向會產(chǎn)生鏡面反射［10］.本研究的結(jié)果得出了與先前研究者相同的結(jié)論：玉米反射光中的偏振信息主要是來自于葉表面產(chǎn)生的鏡面反射，所以說當(dāng)污染程度增加的時候，葉子表面的鏡面反射沒有受到影響，也就是偏振反射信息沒有變化，只是葉子內(nèi)部的結(jié)構(gòu)和葉綠素遭到破壞，使反射率增加.因此，污染嚴(yán)重的玉米苗的反射率增大時，對應(yīng)的線偏振度就會減小.

從以上的分析中可以發(fā)現(xiàn)，利用玉米苗期的反射光譜可以確定受污染的程度，而且偏振信息的大小可以反映出作物冠層的形態(tài)變化，從而也可以確定作物生長的時期.

3 結(jié)論

實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的測量和分析結(jié)果表明，玉米受農(nóng)藥污染的程度以及苗期的不同生長狀態(tài)可以利用反射特性來辨別，同時偏振信息也可以提供判別依據(jù).

隨著苗期玉米葉片數(shù)量的增加，反射比也增加，尤其是在近紅外波段范圍內(nèi).而無論苗期玉米葉片的數(shù)量是否增加，隨著污染程度的增大，反射比都會變大.但是在可見光波段范圍變化比較明顯，主要表現(xiàn)在綠光與紅光波段.

在未受到污染情況下，苗期玉米的線偏振度也是隨著葉片數(shù)量的增加而變大.當(dāng)污染程度變大的時候，對應(yīng)的線偏振度減小，減小幅度最大的范圍是可見光波段的紅光波段.

在對比分析苗期玉米的反射比與線偏振度的過程中可以發(fā)現(xiàn)，它們之間呈現(xiàn)反比例關(guān)系，但是是非線性的.通過建立污染程度與反射比、線偏振之間的回歸模型可以看出，污染程度與它們之間的相關(guān)性比較相似，且相關(guān)系數(shù)比較高.可以通過這種回歸來反映苗期玉米受到的污染程度.

由于在電磁波與玉米葉片相互作用的時候，散射與透射過程中都會包含偏振信息，而現(xiàn)有的遙感技術(shù)通常將這部分信息忽略.也就是說，反射光中偏振信息的研究不僅可以為遙感技術(shù)提供一種有效的手段，也會使得對農(nóng)作物輻射傳輸過程的了解更加詳細(xì)，從而更好地選擇有效的方法來反演作物信息.

偏振反射尤其對作物冠層的粗糙度較為敏感，而很難單獨(dú)利用反射特征來分辨.所以在對農(nóng)作物進(jìn)行遙感評估時，應(yīng)該結(jié)合偏振信息和常規(guī)反射信息，以便提高反演精度，為農(nóng)業(yè)評估提供更高質(zhì)量的服務(wù)信息.

本文只是探討了玉米苗期反射特性中的偏振信息，如果想要真正結(jié)合實(shí)際應(yīng)用，還應(yīng)該進(jìn)行大量的野外與實(shí)驗(yàn)室的研究工作，如角度分布與偏振之間的關(guān)系、作物冠層的水分含量是否影響偏振信息的變化等問題.

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Abstract：Corn seedlings are polluted by pesticide because of a large number of pesticides were used in cultivated land.To provide more reflectance information that detected from corn seedlings polluted by pesticide for remote sensing technique，in this study we simply invert the pollution level with the reflectance from corn seedlings.Simultaneously，we also obtain and analyze the polarization of the corn seedlings.The results confirmed that the reflectance increased with an increase in pollution level and the degree of linear polarization increased with a decrease in pollution level.Both of reflectance and degree of linear polarization were linear proportion to the amount of pesticide pollution，the R2was 0.8782and 0.8857，respectively.Combining the non－polarized measurements with polarized measurements is useful to help us understand the reflected information of corn and to provide additional method for remote sensing technique.

Keywords：reflectance；corn seedlings；degree of polarization；pollution

（責(zé)任編輯：方 林）

The study of the relationship between the characteristic of spectrum of corn seedlings and pesticide pollution on the basis of reflection

LU Yun－feng
（College of Urban and Environmental Sciences，Changchun Normal University，Changchun 130032，China）

TP79［學(xué)科代碼］170·4510

A

2011－12－23

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（40971190）；吉林省青年基金資助項(xiàng)目（201101105）；吉林省教育廳“十二五”計(jì)劃項(xiàng)目（2012220）；長春師范學(xué)院自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（2010024）.

呂云峰（1977—），男，博士，副教授，主要從事偏振光與定量遙感研究.

1000－1832（2012）02－0127－05