吐絲期玉米倒伏后地面高光譜特征參數(shù)分析

楊粉團+顧曉鶴+李剛+王紀華+宋森楠+楊貴軍+譚昌偉+郭文善

摘要： 倒伏是玉米主要自然災(zāi)害之一，及時、準確地監(jiān)測玉米倒伏的程度，對于玉米倒伏災(zāi)害的損失評估及防治有重要意義。設(shè)置玉米吐絲期不同倒伏程度的田間模擬試驗，利用地面高光譜數(shù)據(jù)，比較正常生長的玉米及受倒伏危害玉米的冠層反射光譜和高光譜特征參數(shù)的差異，分析了倒伏角度與高光譜參數(shù)之間的相關(guān)關(guān)系。結(jié)果表明，玉米倒伏后可見光波段的反射率增加高于近紅外波段，且隨著時間的推移，近紅外波段的差異變小。玉米吐絲期倒伏后紅谷吸收深度變淺，反射綠峰高度降低，紅邊位置和近紅外平臺位置均向短波方向移動。紅邊內(nèi)（620～760 nm）一階微分光譜所包圍的面積變化差異小；藍邊內(nèi)（430～470 nm）和近紅外平臺（780～1 300 nm）的一階微分光譜所包圍的面積增加顯著。倒伏角度與高光譜特征參數(shù)相關(guān)分析表明，D、SDr/SDb、（SDr-SDb）/（SDr+SDb）相關(guān)系數(shù)最高，可以作為監(jiān)測玉米倒伏程度的高光譜特征參數(shù)指標。

關(guān)鍵詞： 玉米；吐絲期；高光譜；倒伏角度

中圖分類號： S127；S513.04 文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2016）03-0085-03

從2012年開始，玉米取代稻谷成為我國第一大糧食作物。近年來，我國玉米產(chǎn)量不斷提高，玉米密植與倒伏的矛盾日益突出，玉米倒伏引發(fā)的產(chǎn)量損失呈加劇趨勢。夏季暴雨、大風(fēng)在我國呈常態(tài)化發(fā)生，玉米倒伏風(fēng)險很大，減產(chǎn)幅度在10%～30%[1]?；诘孛娓吖庾V數(shù)據(jù)，研究玉米不同程度倒伏的光譜特性，可以為光學(xué)遙感監(jiān)測玉米及其他作物倒伏提供依據(jù)。高光譜遙感技術(shù)是20世紀80年代發(fā)展起來的遙感前沿技術(shù)，目前該技術(shù)已經(jīng)在農(nóng)業(yè)信息化領(lǐng)域得到應(yīng)用，在小麥病害[2]、蟲災(zāi)[3] 等方面都取得了一系列成果。倒伏是生產(chǎn)中主要的自然災(zāi)害，關(guān)于小麥[4-6]、水稻[7]倒伏研究成果較多，對玉米倒伏也有相應(yīng)研究[8]。本研究通過玉米不同程度倒伏模擬試驗，利用相關(guān)分析法探討玉米冠層高光譜特征參量的變化規(guī)律，篩選敏感特征參數(shù)，以期為玉米倒伏產(chǎn)量損失評估提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗設(shè)計

試驗在北京市小湯山國家精準農(nóng)業(yè)研究示范基地進行。該基地位于北京市昌平區(qū)小湯山鎮(zhèn)，40°10′ N，116°26′ E，研究區(qū)地勢平坦，種植方式為冬小麥-玉米輪作一年兩熟制，當(dāng)季種植玉米前為小麥茬口。玉米種植品種為京華8號，2013年6月23日播種，大田留苗密度67 500株/hm2，純氮用量180 kg/hm2，其他按常規(guī)田管理。實施玉米吐絲期人工模擬根倒不同等級處理。試驗區(qū)于8月19日開始抽雄，8月20日對大田進行灌水處理，使大田表面保持淺水層，8月21日進行模擬倒伏處理，設(shè)3種倒伏角度處理，分別為正常、傾斜、嚴重倒伏，每種處理設(shè)置30行12 m。在玉米近地莖稈施加一定推力，使處理區(qū)內(nèi)玉米倒伏程度分為傾斜、嚴重倒伏2級。以玉米莖稈與垂直方向的夾角為倒伏角度（α），45°≤α<90°定義為嚴重倒伏，0°<α<45°定義為傾斜。于倒伏后第2天、第5天、第9天分別測定田間相關(guān)指標及冠層光譜。

1.2 冠層光譜測定

用ASD Field-Spec FR2500光譜儀、1050光譜儀、2500光譜儀（均購自美國ASD公司）測量各倒伏樣點的玉米冠層光譜，波段值為350～2 500 nm，光譜儀的采樣間隔為1.4 nm（350～1 000 nm區(qū)間） 和2.0 nm（1 000～2 500 nm區(qū)間）。1050光譜儀的波段范圍是350～1 050 nm，采樣間隔（波段寬）為1.438 nm。選擇在天氣晴朗或少云、無風(fēng)條件下測定光譜，光譜測定時間范圍為10：00—15：00。測定步驟為：首先開啟光譜儀預(yù)熱，再次測量之前都先進行光譜儀優(yōu)化，冠層光譜測定前后都進行參考板測定，冠層光譜測定時探頭垂直向下，距冠層垂直高度約1 m，光譜儀視場角25°，在視場范圍內(nèi)重復(fù)10次，以其平均值作為該樣點的冠層光譜值。為了方便運算數(shù)據(jù)，統(tǒng)一選擇350～1 050 nm的光譜值進行分析。

1.3 冠層倒伏程度測定

冠層倒伏程度用倒伏角度來表示，倒伏角度（α）為玉米莖稈與垂直方向的夾角。根據(jù)倒伏后玉米莖稈某點距離地面的高度和該點到根部的長度，求解倒伏角度。處理地塊內(nèi)設(shè)置24個2 m×2 m的倒伏均勻的小區(qū)，每小區(qū)選擇有代表性的5株進行測定，平均值為該小區(qū)的倒伏角度。

1.4 數(shù)據(jù)分析方法

采用常用的高光譜數(shù)據(jù)平均值，微分及對數(shù)變換方法，對R的對數(shù)變換和一階微分變換見如下公式：

2 結(jié)果與分析

2.1 反射光譜特征分析

對24個小區(qū)對應(yīng)的正常生長玉米、不同程度倒伏玉米冠層的光譜分別進行測定。對光譜反射率ρ及其分式1/ρ、lg ρ及ρ的一階導(dǎo)數(shù)Kρ進行比較。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，lg ρ能更好地反映玉米冠層光譜的波形特征，并能對大氣效應(yīng)、土壤背景等噪聲起到平滑作用。Kρ能部分消除噪聲影響，明顯地展示紅邊部位的光譜差異。采用Kρ、lg ρ進行光譜分析。

圖1為對數(shù)光譜，圖1-a、圖1-b、圖1-c光譜測定時間分別是倒伏后第2天、第5天、第9天。從圖1-a可以看出，受倒伏脅迫的玉米冠層在可見光區(qū)、近紅外區(qū)的光譜特征都發(fā)生了明顯變異。與正常生長的玉米相比，倒伏后第2天，受倒伏脅迫的玉米光譜在全波段的反射率均增加，可見光波段增加幅度高于近紅外波段，這種變化與前人對作物倒伏冠層光譜變化規(guī)律的研究結(jié)論[4]一致。從圖1-b、圖1-c可以看出，隨著倒伏后時間的延長，這種差異逐漸縮小，近紅外波段的差異在倒伏后第9天基本消失，可見光波段的差異尚存在。圖2是正常生長和受倒伏脅迫危害玉米的一階導(dǎo)數(shù)光譜曲線，圖2-a、圖2-b、圖2-c分別代表倒伏后第2天、第5天、第9天光譜。較之正常生長的玉米，倒伏玉米冠層的“紅邊”（680～760 nm紅光范圍的反射光譜）向短波方向偏移，即所謂“藍移”。

2.2 高光譜特征參數(shù)的定量分析

從原始光譜及由一階微分光譜提取的基于高光譜的位置變量、面積變量等16種高光譜特征參數(shù)，進一步定量分析正常生長的玉米與倒伏玉米冠層光譜的差異，尋找差異最明顯的特征參數(shù)。從表1可見，較之正常生長的玉米，倒伏玉米冠層的光譜發(fā)生了以下變化：紅谷吸收深度變淺，反射綠峰的高度降低，尤以倒伏第2天反應(yīng)最強烈，后期有一定的恢復(fù)生長，差異縮??；紅谷吸收深度和反射綠峰高度的比值和歸一化變形參數(shù)變化也有相似的變化規(guī)律；藍邊位置無變化；紅邊位置、近紅外平臺位置均向短波方向移動，紅邊位置移動較少，近紅外平臺位置移動較多；紅邊內(nèi)一階微分光譜所包圍的面積變化差異小；藍邊內(nèi)和近紅外平臺的一階微分光譜所包圍的面積增加顯著。

產(chǎn)生以上變化的主要原因是玉米倒伏后，冠層結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，倒伏冠層結(jié)構(gòu)平坦，正常生長狀態(tài)下冠層立體結(jié)構(gòu)內(nèi)存在的大量陰影在倒伏狀態(tài)下消失，取而代之的是重疊在一起的葉片、莖稈，呈現(xiàn)出獨特的冠層光譜，這種變化不同于其他病蟲害、缺素、洪澇、干旱時葉面積下降或葉綠素合成受阻時表現(xiàn)的可見光吸收減少、近紅外波段降低的現(xiàn)象。

2.3 高光譜特征參數(shù)與玉米倒伏角度的相關(guān)分析

分析3次測定的倒伏冠層光譜與倒伏角度的相關(guān)系數(shù)，從[CM（25]表2可以看出，在3次測定中表現(xiàn)穩(wěn)定且關(guān)系顯著的高光譜特征參數(shù)有紅谷吸收深度（D），藍邊內(nèi)和近紅外平臺內(nèi)一階微分所包圍的面積，以及由紅邊內(nèi)、藍邊內(nèi)和近紅外平臺內(nèi)一階微分包圍面積組成的比值參數(shù)和歸一化參數(shù)。其中以D、SDr/SDb、（SDr-SDb）/（SDr+SDb）相關(guān)系數(shù)最高，可以作為監(jiān)測玉米倒伏程度的高光譜特征參數(shù)指標。

3 結(jié)論與討論

吐絲期是玉米生長發(fā)育的關(guān)鍵時期，玉米處于旺盛的代謝時期，倒伏后恢復(fù)活躍生長，隨著時間的推移，倒伏群體的光譜特性會發(fā)生一定變化。本研究結(jié)果表明，10 d內(nèi)正常生長的玉米隨著時間推移，冠層光譜變化很小，倒伏群體的冠層光譜隨著時間的推移出現(xiàn)規(guī)律性變化。此外，可見光波段的變化較近紅外波段的變化幅度大且持久，因此利用光學(xué)手段進行倒伏監(jiān)測時間宜早不宜晚，且宜利用可見光波段信息。玉米倒伏后冠層結(jié)構(gòu)改變，視場內(nèi)組分改變，群體的光學(xué)特性也隨之改變，使得遙感探測與評價成為可能。本研究分析了吐絲期正常生長和受不同倒伏程度脅迫的玉米冠層光譜，并研究了其高光譜特征參數(shù)的差異，分析了倒伏角度與冠層高光譜特征參數(shù)的相關(guān)系數(shù)。結(jié)果表明：玉米吐絲期倒伏初期，受倒伏脅迫的玉米光譜在全波段的反射率均增加，可見光波段增加幅度高于近紅外波段。隨著倒伏后時間的延長，這種差異逐漸縮小，近紅外波段的差異在倒伏后第9天基本消失，可見光波段差異仍然存在。玉米吐絲期倒伏后紅谷吸收深度變淺，反射綠峰高度降低，紅邊位置和近紅外平臺位置均向短波方向移動。紅邊內(nèi)一階微分光譜所包圍的面積變化差異??；藍邊內(nèi)和近紅外平臺的一階微分光譜所包圍的面積增加顯著。D、SDr/SDb、（SDr-SDb）/（SDr+SDb）與倒伏角度的相關(guān)系數(shù)最高，可以作為監(jiān)測玉米倒伏程度的高光譜特征參數(shù)指標。本試驗地點在北京市，采用夏播玉米品種進行試驗，試驗結(jié)果仍需在其他生態(tài)區(qū)或采用其他不同類型品種進行驗證和完善。今后研究重點是通過數(shù)學(xué)方法研究高光譜特征參數(shù)優(yōu)化或植被指數(shù)的應(yīng)用，探索其在光學(xué)衛(wèi)星影像上的應(yīng)用。

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