玉米倒伏后冠層光譜變化特征分析

王猛 張杰 梁守真 侯學(xué)會(huì) 姚慧敏 隋學(xué)艷 王勇

摘要 農(nóng)作物倒伏災(zāi)害會(huì)帶來(lái)不同程度的產(chǎn)量損失，影響農(nóng)業(yè)發(fā)展。2010年7月山東省部分地區(qū)玉米發(fā)生了倒伏。通過(guò)實(shí)地觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，倒伏玉米結(jié)構(gòu)形態(tài)發(fā)生明顯變化，玉米倒伏類型主要表現(xiàn)為根倒伏；倒伏玉米冠層光譜反射率發(fā)生了明顯變化，光譜曲線整體下降；倒伏玉米各植被指數(shù)與正常生長(zhǎng)的玉米相比有不同程度的降低。通過(guò)分析玉米倒伏后冠層光譜的變化特征，為利用遙感技術(shù)監(jiān)測(cè)玉米倒伏災(zāi)害提供理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞 玉米倒伏；冠層光譜；植被指數(shù)；遙感監(jiān)測(cè)

中圖分類號(hào) S126 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 0517-6611（2014）31-11187-02

Character Analysis of the Canopy Spectral Changes after Corn lodging

WANG Meng， ZHANG Jie， LIANG Shouzhen， WANG Yong* et al

（Shandong Institute of Agriculture Sustainable Development， Shandong， Jinan 250100）

Abstract The disaster of corn lodging will bring the yield loss in varying degrees， and influence the agricultural development. The corn fell over in some areas of Shandong Province in July， 2013. The structure and morphology of corn lodging has changed significantly through the field observation， the lodging type is root lodging； the canopy spectral reflectance of corn lodging has changed， the curve of spectrum was down； vegetation indexes of lodging corn were degraded to varying degrees compared with the normal growth of corn. By analysis of the canopy spectral changes of corn lodging， this paper provides a theoretical basis for monitoring the lodging disaster by remote sensing technology.

Key words Corn lodging； Canopy spectral； Vegetation index； Remote sensing monitoring

遙感技術(shù)具有大面積同步觀測(cè)、時(shí)效性、經(jīng)濟(jì)性等特點(diǎn)，農(nóng)業(yè)是其最重要和最廣泛的研究應(yīng)用領(lǐng)域之一。遙感技術(shù)能夠快速準(zhǔn)確地收集植被、土壤、水分等農(nóng)業(yè)資源和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要信息^[1]。目前遙感在農(nóng)作物病蟲害方面研究較多，但是在作物倒伏方面的研究較少。作物倒伏后植株群體結(jié)構(gòu)有較大的改變，從而影響和改變作物群體冠層光譜特征，這為大面積遙感監(jiān)測(cè)提供了可能性。

2010年5月中旬，山東省自西向東出現(xiàn)了大面積降雨過(guò)程，7月份山東省多地普降暴雨。2010年入夏以來(lái)的幾次降雨，造成了農(nóng)作物的大面積受損、倒伏。為此，筆者以山東省臨沂市費(fèi)縣地區(qū)倒伏玉米為研究材料，對(duì)玉米倒伏后的冠層光譜進(jìn)行采集、分析，以期為利用遙感進(jìn)行大面積監(jiān)測(cè)提供一定的理論依據(jù)。

實(shí)地調(diào)查發(fā)現(xiàn)，受災(zāi)嚴(yán)重的玉米是春玉米，夏玉米也受到了影響，但在隨后的幾天時(shí)間里又恢復(fù)了正常生長(zhǎng)，對(duì)產(chǎn)量影響不大。春玉米則發(fā)生了根倒伏的現(xiàn)象^[2]，對(duì)玉米產(chǎn)量影響較大。研究區(qū)域內(nèi)，春玉米并不是大面積種植，而是小塊地種植，其中穿插著夏玉米、花生等農(nóng)作物。

1 玉米倒伏的類型、原因和影響

1.1 玉米倒伏的類型和原因

一般玉米倒伏分為根倒伏、莖倒伏、莖倒折，而田間發(fā)生倒伏的情況比較復(fù)雜，有時(shí)整個(gè)地塊發(fā)生同一類型的倒伏，有時(shí)則3種類型混合發(fā)生^[2]。而影響倒伏的因素又有幾種，一般多雨、大風(fēng)天氣是誘發(fā)玉米倒伏的直接因素，其次品質(zhì)抗倒伏能力的弱、種植密度過(guò)大、肥水運(yùn)籌不合理、病害與蟲害也是造成玉米倒伏的原因^[3]。如患有莖腐病的玉米莖稈硬度、莖稈解剖學(xué)特征以及韌皮組織的化學(xué)組分都發(fā)生了改變，莖稈脆弱易倒伏^[4]。

1.2 玉米倒伏后的影響

玉米倒伏后，對(duì)于倒伏較輕的5～7 d基本可以恢復(fù)正常生長(zhǎng)，對(duì)產(chǎn)量影響不大；倒伏嚴(yán)重的會(huì)造成玉米自身的生理構(gòu)造嚴(yán)重破壞，進(jìn)而影響玉米的產(chǎn)量，在抽雄前后倒伏的玉米對(duì)產(chǎn)量影響尤其嚴(yán)重；倒伏的玉米還容易發(fā)生病蟲害使得田間管理復(fù)雜化^[2]。

2 玉米倒伏后冠層光譜變化

實(shí)地測(cè)量光譜的地點(diǎn)位于臨沂市費(fèi)縣方城鎮(zhèn)，在調(diào)查過(guò)程中發(fā)現(xiàn)玉米發(fā)生了不同程度的倒伏，倒伏為根倒伏。研究區(qū)內(nèi)玉米倒伏嚴(yán)重，植株幾乎全撲倒在地上，葉片相互郁閉，通風(fēng)透光不良，容易形成惡劣的田間環(huán)境，嚴(yán)重影響玉米葉片的光合作用，造成雌穗發(fā)育較小，雄穗分枝和花粉量減少，授粉質(zhì)量差，最終造成產(chǎn)量下降，給當(dāng)?shù)胤N植春玉米的農(nóng)戶造成的損失也是不可忽略的。

2.1 光譜測(cè)量方法

選取5塊玉米種植區(qū)域作為測(cè)量小區(qū)，其中3個(gè)區(qū)域中的玉米倒伏率分別為70%、80%、90%，另外2個(gè)區(qū)域?yàn)檎ＩL(zhǎng)的春玉米與夏玉米。所用光譜測(cè)量?jī)x器為野外便攜式光譜儀（ASD FieldSpec HandHeld），其波段范圍是350～1 050 nm，光譜分辨率3 nm（350～1 000 nm），采樣間隔（波段寬）為1.41 nm（350～1 000 nm），測(cè)量速度固定掃描時(shí)間為3 s，裸光纖25°前視場(chǎng)角。

光譜采集具有一定的要求，首先是天氣晴朗且無(wú)云、風(fēng)力較小，其次時(shí)間為北京時(shí)間10：00～14：00^[5]。測(cè)量人員身著深色衣服，陰影不能落在視場(chǎng)范圍內(nèi)，探頭垂直向下，高度始終保持離地面2 m。根據(jù)玉米倒伏面積的大小，確定每個(gè)小區(qū)采集5個(gè)樣本點(diǎn)，每個(gè)樣本點(diǎn)在視場(chǎng)范圍內(nèi)重復(fù)5次取平均，取樣本點(diǎn)的平均值作為小區(qū)光譜反射率，各小區(qū)測(cè)量前后均用標(biāo)準(zhǔn)的參考板進(jìn)行校正。

2.2 倒伏玉米的光譜信息 利用光譜儀分別測(cè)量倒伏程度為70%、80%、90%的玉米的光譜信息，以及正常生長(zhǎng)的春玉米和夏玉米的光譜信息，結(jié)果如圖1所示，其中：S1.mn為倒伏面積為70%的小區(qū)玉米光譜；S2.mn為倒伏面積為80%的小區(qū)玉米光譜；S3.mn為倒伏面積為90%的小區(qū)玉米光譜；SZC.mn為正常生長(zhǎng)的春玉米光譜；SZX.mn為正常生長(zhǎng)的夏玉米光譜。

從圖1可以看出，玉米倒伏后其冠層光譜發(fā)生了明顯的變化，在可見(jiàn)光和近紅外波段其光譜曲線整體下降，尤其在近紅外波段下降了20%。由于3個(gè)小區(qū)的倒伏程度都很嚴(yán)重，它們之間的光譜反射率差別不大，近紅外波段都維持在40%左右；而未倒伏的春玉米其光譜反射率為58%，夏玉米則比其低8%。5個(gè)小區(qū)冠層光譜在可見(jiàn)光和近紅外波段相對(duì)變化的幅度不是很大，可見(jiàn)光500 nm及以上其減少幅度為10%～30%，近紅外波段的減少幅度為30%左右相對(duì)穩(wěn)定一些。

3 光譜分析

3.1 光譜反射率值和倒伏指數(shù)的相關(guān)性分析

將倒伏春玉米3個(gè)調(diào)查小區(qū)5個(gè)測(cè)量點(diǎn)共15組冠層光譜數(shù)據(jù)和相應(yīng)小區(qū)的倒伏指數(shù)做相關(guān)性分析（n=15）。其冠層光譜數(shù)據(jù)選取的波長(zhǎng)范圍是350～900 nm，共451個(gè)光譜反射率值，每個(gè)波段的冠層光譜反射值和其對(duì)應(yīng)的倒伏指數(shù)分別做相關(guān)性分析得出相關(guān)性系數(shù)，將所有的相關(guān)性系數(shù)按照對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)值組合成一條相關(guān)性曲線，如圖2所示。

在350～400nm波段，冠層光譜反射率值和倒伏指數(shù)的相關(guān)系數(shù)是1，即完全相關(guān)。隨著倒伏指數(shù)的增大，這個(gè)波段范圍內(nèi)的各個(gè)波長(zhǎng)反射率值也相應(yīng)增大。而在700～830 nm波段，冠層光譜反射率值和倒伏指數(shù)的相關(guān)系數(shù)是-1，即完全負(fù)相關(guān)。隨著倒伏指數(shù)的增大，這個(gè)波段范圍內(nèi)的各個(gè)波長(zhǎng)反射率值也相應(yīng)減小。在400～520、610～700 nm波段，其相關(guān)性為正相關(guān)，即隨著倒伏指數(shù)的增大，這兩個(gè)波段范圍內(nèi)的各個(gè)波長(zhǎng)反射率值也相應(yīng)增大，只是增大的程度不同。在520～610 nm波段，其相關(guān)性為負(fù)相關(guān)，隨著倒伏指數(shù)的增大，這個(gè)波段范圍內(nèi)的各個(gè)波長(zhǎng)反射率值也相應(yīng)減小。

3.2 玉米倒伏后其植被指數(shù)變化分析

植被指數(shù)是監(jiān)測(cè)作物長(zhǎng)勢(shì)水平的有效方法^[1]。根據(jù)植被指數(shù)公式以及利用光譜反射率值推算植被指數(shù)公式，將玉米倒伏后的紅光波段反射率平均值和近紅外波段反射率平均值代入公式得4種植被指數(shù)數(shù)據(jù)^[6]。從表1可以看出，玉米倒伏后其比值植被指數(shù)、歸一化植被指數(shù)、差值植被指數(shù)值都降低了。由于在測(cè)量倒伏指數(shù)為0.8的小區(qū)時(shí)，云量發(fā)生了變化導(dǎo)致其值有些異常。各監(jiān)測(cè)小區(qū)的倒伏指數(shù)相差不大，其植被指數(shù)變化也不大；但與正常生長(zhǎng)的玉米相比較，各個(gè)植被指數(shù)值都降低了，只是降低的幅度不同。

正常生長(zhǎng)的玉米和倒伏玉米其冠層結(jié)構(gòu)發(fā)生了明顯變化，正常生長(zhǎng)時(shí)玉米葉片和天穗是直立的，倒伏后其葉片和天穗變?yōu)槠戒伒姆绞?，莖稈的貢獻(xiàn)增加了，如圖3所示。

隨著倒伏玉米冠層結(jié)構(gòu)的改變，其冠層光譜反射率曲線也隨之發(fā)生相應(yīng)的變化，在可見(jiàn)光和近紅外波段光譜曲線整體下降。反映作物長(zhǎng)勢(shì)的植被指數(shù)是依據(jù)作物在紅光波段和近紅外波段的光譜反射率值進(jìn)行計(jì)算的，各植被指數(shù)也隨著光譜反射率曲線的變化發(fā)生了不同程度的降低。

4 結(jié)論

玉米倒伏后植株冠層結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，倒伏前的冠層光譜主要是由玉米葉片和天穗貢獻(xiàn)的，倒伏后其冠層光譜由葉片、天穗、莖稈共同貢獻(xiàn)，增加了莖稈對(duì)冠層光譜的貢獻(xiàn)。倒伏玉米發(fā)生了明顯的光譜變化：監(jiān)測(cè)范圍內(nèi)的光譜曲線與正常生長(zhǎng)的玉米光譜曲線相比整體下降，尤其在近紅外波段下降了20個(gè)百分點(diǎn)；其光譜曲線也整體低于夏玉米的光譜曲線。倒伏玉米的比值植被指數(shù)、歸一化植被指數(shù)、差值植被指數(shù)值也隨著光譜反射率曲線的降低發(fā)生了不同程度的降低。

地面通過(guò)光譜儀測(cè)定倒伏作物光譜，為遙感圖像的光譜判斷提供理論上的依據(jù)，使得利用遙感圖像大面積監(jiān)測(cè)作物倒伏災(zāi)害成為現(xiàn)實(shí)，以期為農(nóng)業(yè)部門提供信息，縮短農(nóng)業(yè)生產(chǎn)受損的調(diào)查時(shí)間。

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