冠层反射光谱与小麦产量及产量构成因素的定量关系

本文发表于《中国农业气象》，200829(3):338-342,冠层反射光谱与小麦产量及产量构成因素的定量关系杨智12,*,李映雪,徐德福,刘寿东111(1.南京信息工程大学应用气象学院,南京2100442.大理国家气候观象台);摘要:基于4个小麦品种、5个施氮水平的田间试验,在比较小麦冠层多光谱和高光谱反射特征的基础上,讨论了不同生育期冠层反射光谱参数与小麦产量及产量构成因素的定量关系。结果表明,拔节期冠层多光谱参数与理论产量和实际产量的相关性较高,可用于预测小麦产量,而冠层高光谱反射参数与小麦产量间的相关性较差,难以直接利用预测小麦产量;冠层的多光谱和高光谱参数对亩穗数的预测效果均较好,小麦拔节期、灌浆中期和成熟期的冠层多光谱参数、高光谱参数均与亩穗数间具有极显著正相关关系(P001),.从而分别建立了各时期利用高光谱参数A(760850)/R550、,多光谱比值植被指数RVI(810,560)的小麦估产方程。研究结果对选择合适的光谱参数建立估产模型、保证高光谱遥感信息反演精度具有重要价值。关键词:小麦;冠层多光谱反射光谱;冠层高光谱反射光谱;产量;产量构成因素RelationshipsofCanopyReflectanceSpectrawithWheatYieldandYieldCoponentsmYANGZhi,LIYinge,XUDe,LIUShou-xu-fu-dong1,2111(11NanjingUniversityofIforationScience&Technology,Nanjing,210044China;21DaliNationalCliateObservatory)nm,mAbstractBasedonthedataofthefieldexperientswithfourwheatvarietiesandfivelevelofthenitrogenapplication,therelationshipsofthe:mcanopyreflectancespectrawiththewheatyieldandyieldcomponentswereanalyzedTheresultsshowedthatthecorrelationofthecanopymult-.ispectralreflectancebetweentheoreticalandactualyieldswassignificantatthejointingstageTherefore.,itcouldbeusedtoestiatetheyieldm.Hoeverthecorrelationofthecanopyhyperspectralreflectanceandyieldwassignificantsoitcouldntbeusedtoestiatetheyielddirectlyw,,'m.Thepaniclenumberpermuwaswellforecastedbyusingcanopymultispectral/hyperspectralreflectanceThecanopymultispectralandhyper.-spectralreflectancewerelinearlyrelatedtopaniclenumberpermuatthejointingmid-fillingandmaturitystageofwheat(p0.01).Thusthe,,estiateequationsofthecanopyhyperspectralreflectanceA(760850)/R550andmultispectralreflectanceRVI(810560)wereconstitutedm,,.Theresearchresultsprovidedtheiportantreferencesforchoosingappropriatecanopyreflectanceindexesconstitutingtheyieldestiatemodelm,mandensuringtheprecisionofthehyperspectralreotesensinginforationretrieva.lmmKeywordsWheatCanopymultispectralreflectanceCanopyhyperspectralreflectanceYieldYieldcoponents:;;;;m准确监测小麦的长势、及时预报产量不仅能为政府部门提供重要信息,而且对灾害评估及防灾救灾意义重大。过去通过设立农作物产量调查点、采用抽样实测的方法预报农作物产量的方法具有破坏性、主观性和分散性,且受人为干扰影响较大,目前,利用遥感技术对农作物估产的方法发展迅速。卫星遥感一般用于大面积估产,而小面积估产通常利用作物冠层光谱反射特征,即通过分析作物冠层反射光谱与产量的关系,建立估产模型,从而估算作物产量[1]等[2]和Patel等[3]对多个水稻品种间的光谱进行比较研[4]究后认为,不同水稻品种间的光谱不存在显著差异,可能是测量的误差掩盖了品种间的差异;王人潮等研究表明,不同类型的多个水稻品种间的反射光谱存在差异。谭昌伟等[6][5]利用品种间的光谱F值系统比较和分析了不同株型夏玉米品种间的光谱差异程度及差异范围。唐延林也做过不同水稻品种间的光谱差异研究。综上所述,在建立光谱变量与农学指标及产量间的估算模型时,应该考虑不同品种由于株型不同而引起的差异,以便进一步提高利用高光谱数据诊断农学指标及估产的精度。从应用方面看,若按不同株型和生育期进行光谱测定,则有可能消除因株型和熟相引起的光谱差异,从而更精确地推算农学指标。本文拟在分析不同品种小麦各生长时期冠层反射光谱特性的基础上,讨论小。针对目前作物品种类型多、更新快的现实,明确不同类型品种间的光谱差异性,对提高利用高光谱遥感技术进行作物品种识别以及作物信息提取和遥感反演的精度是极其有利的。国内外对作物不同品种间的光谱差异性的研究较少,而且存在不同的看法,Shibayama*收稿日期:2007-10-15基金项目:江苏省高校自然科学研究指导性计划项目(06J210116);南京信息工程大学校基金(QD49)KD作者简介:杨智(1983-),云南大理人,本科,助理工程师,主要从事应用气象及大气边界层气象研究。Eai:[e-mail]-mi第3期杨智等:冠层反射光谱与小麦产量及产量构成因素的定量关系112数据获取#339#麦理论产量、实际产量以及产量构成因素(亩穗数、穗粒数和千粒重)与冠层反射光谱参数的关系,建立小麦产量的光谱估测模型。1材料和方法111试验设计于小麦拔节期、孕穗期、开花期及开花后,每隔7d左右采用美国Cropscan公司生产的MSR-16型多光谱辐射仪和美国AnalyticalSpectralDevice(ASD)公司生产的FieldSpecProFR2500型背挂式野外高光谱辐射仪测量小麦冠层光谱,两种光谱仪的主要参数见表1。光谱测量选择在晴朗无云或少云的天气进行,测量时间为1000:-14:00(太阳高度角大于45b)。测量时探头垂直向下,距冠层垂直高度1m。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。小麦成熟期,分别在测反射光谱的区域选取1双m行普查亩穗数,并从每小区取20个单茎作室内考种,考查穗粒数和千粒重;同时每小区收获1m,脱粒后测得实际产量。2试验于2003-2004年在江苏省农业科学院试验站进行。前茬为水稻田,供试土壤为黄黏土,有机质0196,全氮0110,速效磷40129mg#kg,速效钾%%-1102178mg#kg。供试小麦品种为宁麦9淮麦20、、徐-1州26和扬麦10。为了使小麦的长势和产量拉开差距,特设5个施氮水平,分别为075、、150225和300kg#、-2h纯氮,基追比6B460作基肥,拔节肥和孕穗肥各m,%占20,配施P2O5150kg#hm和K2O11215kg#hm,%全部用作基肥。小区面积为16m,基本苗为118@102-26-2-2棵#hm,行距25cm。两因素随机区组排列,3次重复。其它管理措施同高产大田。表1光谱仪的技术参数光谱仪型号FieldSpecProFR2500MSR-16光谱范围(nm)350-2500452-1650采样间隔(nm)14@350-1050n.m2@1050-2500nm50光谱分辨率(nm)3350-1050nm@101000-2500nm@波段数215016视场25b311b.113数据分析综合文献[7-24]中提出的光谱参数的算法,在MATLAB语言环境下编程实现。2结果与分析以徐州26孕穗期冠层反射光谱曲线为例说明由两种不同类型地物光谱分析仪测定的不同波段范围内小麦冠层光谱反射特征(图1)。可以看出,在可见光区(350-710nm),550nm附近出现叶绿素的强反射峰区,称为/绿峰0。之后反射率又下降,约在670n处反射m率最小,称为/红谷0;710-760nm是个过渡波段,反射率随着波长的增加而急剧升高,曲线较陡接近于直线,红边位于此波段内。反射率曲线约在760nm左右开始缓慢上升,形成一个/高平台0,反射率一般为30以%上,这主要是由于叶片内部组织结构(细胞结构)多次反射的结果。由于水的吸收,光谱反射曲线在950n和m1190nm附近出现低谷。1300-2500nm波段的反射率主要是水分吸收区域,其中14501930nm是强吸收区。、MSR-16光谱仪的测量范围(460-1650nm)覆盖了小麦冠层反射光谱的主要特征,并且各通道的波段设置基本上正是植被反射光谱特征点的波长位置。小麦冠层高光谱和多光谱反射曲线在可见光波段基本上是重叠的,但近红外部分的反射率有偏差,尤其211小麦冠层多光谱和高光谱反射率比较是950nm水分吸收谷处,多光谱反射率对该波段水分吸收表现不敏感,这是因为Cropscan光谱仪在该区域波段跨度大于50nm,所以精度下降。总体来看,两种不同来源的冠层光谱反射率对小麦叶绿素引起的在可见光部分的反射特征基本上是一致的,但对于由小麦组织结构差异引起的近红外反射特征的精度有所不同。图1/徐州260小麦孕穗期冠层多光谱(A)与高光谱(B)反射率对比212多光谱参数与小麦产量及产量构成因素的关系对4个小麦品种不同生育时期的冠层多光谱反射率及光谱参数与成熟期理论产量和实际产量进行相关分析,将拔节期、灌浆中期和成熟期的分析结果列于表2。可以看出,拔节期冠层光谱参数对理论产量和实际产量的预测性都优于另外2个时期,相关系数在055.#340#中国[13]农业气象第29卷以上,达极显著水平,并且抗大气植被指数Vari700、[8]比值植被指数RVI(710680)和归一化植被指数ND-,VI(710660),[10]可以看出,拔节期、灌浆中期和成熟期的冠层光谱参数与亩穗数间均为极显著正相关关系(相关系数都大于087)。与亩穗数相比,穗粒数和千粒重与各时期光谱.参数之间的相关性明显降低,其中灌浆中期和成熟期的相关系数又低于拔节期。因此,可以着重分析亩穗数和光谱参数的相关性从而建立小麦光谱估产模型。从图2可以看出,小麦亩穗数与孕穗期、开花期、成熟期、灌浆前期的比值植被指数RVI(810,560)呈显著正相关关系,各生长期的定量方程均通过0101水平的显著性检验,因此该比值植被指数可用于小麦估产。3个光谱参数可以同时预测成熟小麦的理论产量和实际产量。利用灌浆中期和成熟期冠层光谱参数也可以估算小麦产量,但相对生育前期(拔节-灌浆前期)精度降低,这可能是因为灌浆中后期小麦叶片及植株逐渐变黄,致使可见光波段反射率升高,反射光谱曲线的形状发生了明显变化。亩穗数、穗粒数和千粒重是小麦产量的主要构成要素,它们与反射光谱的相关性分析结果见表3。由表中表2不同生育期冠层反射光谱参数与理论产量和实际产量的相关性(多光谱)拔节期光谱参数理论产量N