阿拉爾墾區(qū)棉花葉面積指數(shù)監(jiān)測模型與產(chǎn)量分析

張樹艷+王有武+白鐵成+劉小文

（塔里木大學(xué)，新疆阿拉爾 843300）

摘 要 棉花葉面積指數(shù)是衡量作物生物量的關(guān)鍵參數(shù)，為棉花葉面積指數(shù)的獲取提供可靠、方便的估算模型，以阿拉爾墾區(qū)作為主要研究區(qū)域，利用光譜分析儀對從墾區(qū)獲得棉花冠層光譜反射率和由此計(jì)算得到的植被指數(shù)進(jìn)行分析，基于NDVI的回歸模型確定性系數(shù)R2為0.92，進(jìn)而確定了阿拉爾墾區(qū)棉花葉面積指數(shù)的最佳監(jiān)測模型，為墾區(qū)棉花作物遙感監(jiān)測和產(chǎn)量估算奠定了良好基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞 棉花葉面積；指數(shù)監(jiān)測模型；歸一化植被指數(shù)

中圖分類號：S562 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2016.24.004

葉面積指數(shù)LAI和葉片生物化學(xué)性質(zhì)、冠層光譜及制備生態(tài)生理學(xué)特征具有較大關(guān)聯(lián)，是生物作物產(chǎn)量估算和分析的重要參數(shù)。諸多自然植物群落與作物冠層的葉面積指數(shù)研究表明，LAI自身的變化同葉片光學(xué)性質(zhì)的改變比且關(guān)聯(lián)，故LAI可被視為遙感監(jiān)測技術(shù)對植被長勢與產(chǎn)量估算過程中的重要結(jié)構(gòu)參數(shù)[1]。本文擬通過建立棉花葉面積指數(shù)與光譜植被指數(shù)間的回歸模型，確定棉花葉面積指數(shù)的監(jiān)測模型，為棉花長勢的監(jiān)測與產(chǎn)量估算提供依據(jù)。

1 阿拉爾墾區(qū)概述

阿拉爾墾區(qū)位于塔里木盆地西北角，地理坐標(biāo)為東經(jīng)81°03′，北緯40°33′，屬于典型的大陸性干旱荒漠氣候，墾區(qū)降雨較少且大氣干燥，年均相對濕度為51%，太陽輻射總量為年均6100MJ/m2左右，生長季太陽輻射量為1300MJ/m2左右，年均日照為2800～3000h，云霧天氣較少，氣象要素變化幅度較大，揚(yáng)塵、浮沉和沙暴等天氣較多。

2 研究方法

2.1 試驗(yàn)區(qū)與試驗(yàn)樣點(diǎn)選擇

據(jù)統(tǒng)計(jì)，阿拉爾墾區(qū)每年棉花種植面積約為10.6萬hm2，是新疆地區(qū)的主要植棉區(qū)之一，棉田占新疆棉田總面積的25%，本文所選取的試驗(yàn)區(qū)為阿拉爾墾區(qū)的10團(tuán)的棉花地，選擇種植面積相對較大的新陸中67號、中棉35和新海14這3個(gè)品種的棉花作為主要試驗(yàn)品種。

2.2 田間實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.2.1 棉花冠層光譜測試

采用美國賽默飛世爾公司Antaris II FT-NIR型光譜儀進(jìn)行測試，測量范圍10000-4000cm-1，掃描次數(shù)設(shè)置為32次，分辨率設(shè)置為8cm-1，采樣點(diǎn)數(shù)為1557點(diǎn)，檢測器為In Ga As檢測器。測試步驟：選擇晴朗無風(fēng)的天氣，對墾區(qū)棉花在蕾期、初花期以及盛花期、鈴期和吐絮期進(jìn)行采集，采集時(shí)間為當(dāng)日11：00-14：00，在試驗(yàn)田的3個(gè)點(diǎn)分別采集不同品種棉花的葉片，將葉片裝入紙袋，標(biāo)號封口。在室內(nèi)對各品種進(jìn)行光譜測量前，對各品種棉花進(jìn)行定標(biāo)校準(zhǔn)，使其對應(yīng)光譜與100%的基線靠近，而后，對準(zhǔn)目標(biāo)進(jìn)行測量獲取高光譜圖像，使用EVNI軟件獲取不同區(qū)域光譜反射值的平均值作為當(dāng)前試驗(yàn)區(qū)域棉花葉片的光譜反射值[2]。

2.2.2 葉面積測定

葉面積的測定主要依靠計(jì)算機(jī)、數(shù)碼照像機(jī)、萬深LA-S植物圖像分析軟件予以完成，具體操作為：在對冠層反射光譜進(jìn)行測定后，將其不重疊地鋪放在畫有坐標(biāo)網(wǎng)格的白色背景的紙張上，利用實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)備好的數(shù)碼相機(jī)拍攝，要求葉片光線均勻且無陰影，對統(tǒng)一目標(biāo)進(jìn)行3次拍攝，并將相應(yīng)的照片編號和樣點(diǎn)號進(jìn)行記錄；以LA-S植物圖像分析軟件得到圖片上的葉片面積。在試驗(yàn)時(shí)間方面，阿拉爾墾區(qū)試驗(yàn)點(diǎn)的試驗(yàn)時(shí)間為2013年6月22日、7月8日、7月24日、8月9日、8月24日和9月10日，分別對應(yīng)墾區(qū)棉花的蕾期、初花期、盛花期、結(jié)鈴期以及盛鈴期和吐絮期。

3 阿拉爾墾區(qū)棉花葉面積遙感監(jiān)測模型

3.1 葉面積指數(shù)在棉花各生育期間的變化

圖1給出了阿拉爾墾區(qū)10團(tuán)不同棉花葉片指數(shù)在整個(gè)生育期的變化情況。由圖1可知，從蕾期到初花期，因墾區(qū)棉花枝葉的數(shù)量急聚增加，使葉片面積持續(xù)增長，由此，LAI也呈現(xiàn)出逐漸上升的變化趨勢。對墾區(qū)棉花頁葉面積的變化情況進(jìn)行分析可知，其在盛蕾期、花期和盛花期增長較快，且各品種棉花的LAI在鈴期均達(dá)到了最大值。在進(jìn)入盛鈴期后，棉花葉片的光合作用下降，養(yǎng)分被轉(zhuǎn)移至棉鈴中，故導(dǎo)致棉葉逐漸枯黃掉落，使得LAI在吐絮后迅速下降。

圖1 阿拉爾墾區(qū)不同棉花葉片指數(shù)在整個(gè)生育期的變化情況

3.2 棉花葉面積指數(shù)同植被指數(shù)的相關(guān)性

通過對阿拉爾墾區(qū)棉花全生育期內(nèi)歸一化植被指數(shù)NDVI和相應(yīng)LAI進(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)果表明，阿拉爾墾區(qū)的三個(gè)品種的棉花在蕾期和始花期均未達(dá)到0.05的顯著性檢驗(yàn)水平。此外，墾區(qū)三品種棉花的其余生育期均達(dá)到顯著性水平，其中，NDVI與LAI在盛花期與鈴期的相關(guān)性最優(yōu)。

3.3 墾區(qū)棉花葉面積指數(shù)的監(jiān)測模型

歸一化植被指數(shù)模型：

NDVI=（NIR-R）/（NIR+R）

NIR與R分別表示近紅外波段與紅波段棉花冠層的反射率。由于基于NDVI的棉花葉面積指數(shù)同植被指數(shù)的相關(guān)性較好，故以NDVI歸一化指數(shù)作為LAI監(jiān)測的因子，進(jìn)而獲取阿拉爾墾區(qū)棉花LAI的監(jiān)測模型，具體表示如下：

Ix=（Mx-Mmin）×（Imax-Imin）/（Mmax-Mmin）+Imin

其中，I和M分別表示影像值與實(shí)測值。

一般，利用NDVI對葉面積指數(shù)進(jìn)行估算時(shí)可采用的模型類型大都以方程形式存在，具體包括了直線方程：

y=b0+b1t

一元二次方程：

y=b0+b1t+b2t2

對數(shù)方程：

y=b0+b1ln（t）

指數(shù)方程：

y=b0×exp（b1t）

上述各模型中，y和t分別為LAI擬合值與植被指數(shù)。b0、b1、b2和b3為常數(shù)[3]。本文選取NDVI對于LAI相關(guān)性最顯著和鈴期棉花LAI最大的樣本作為回歸分析樣本，樣本數(shù)為37，進(jìn)而對NDVI與LAI進(jìn)行回歸分析并構(gòu)建阿拉爾墾區(qū)三種棉花的統(tǒng)一監(jiān)測模型，具體模型如表1所示。

表1 阿拉爾墾區(qū)NDVI與LAI回歸分析（n=37）

模型 b0 b1 b2 R2 F

直線方程 -6.69 15.08 - 0.85 161.11

一元二次方程 -54.86 157.97 -105.11 0.92 674.51

對數(shù)方程 7.61 10.35 - 0.87 201.68

指數(shù)方程 0.13 4.84 - 0.78 105.04

4 結(jié)論

本文以阿拉爾墾區(qū)作為主要研究區(qū)域，通過對阿拉爾墾區(qū)的基本情況進(jìn)行說明，進(jìn)而以墾區(qū)新陸中67號、中棉35和新海14三種棉花作為研究對象，利用Antaris II FT-NIR型光譜儀對試驗(yàn)區(qū)域棉花在不同生育期的光譜反射率進(jìn)行分析，在結(jié)合NDVI與LAI的相關(guān)性的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了基于NDVI的阿拉爾墾區(qū)棉花葉面積指數(shù)的監(jiān)測模型。研究結(jié)果表明，基于歸一化植被指數(shù)的棉花葉面積指數(shù)監(jiān)測模型關(guān)于NDVI與LAI兩參數(shù)的相關(guān)性較高，能夠較好地為相應(yīng)地區(qū)棉花生產(chǎn)情況的監(jiān)測和產(chǎn)量估算提供可靠保障。

參考文獻(xiàn)

[1]夏天，吳文斌，周清波，等.基于高光譜的冬小麥葉面積指數(shù)估算方法[J].中國農(nóng)業(yè)科學(xué)，2012，10（12）：2085-2092.

[2]張懷志，曹衛(wèi)星，周治國，等.棉花適宜葉面積指數(shù)的動態(tài)知識模型[J].棉花學(xué)報(bào)，2013，3（9）：151-154.

[3]劉姣娣，曹衛(wèi)彬，馬蓉.棉花葉面積指數(shù)的遙感估算模型研究[J].中國農(nóng)業(yè)科學(xué)，2014，12（25）：4301-4306.

（責(zé)任編輯：趙中正）