夏玉米叶片全氮_叶绿素及叶面积指数的光谱响应研究

西北植物学报2004Κ24; 6ΓΠ1041—1046

文章编号Π100024025; 2004Γ0621041206

夏玉米叶片全氮、叶绿素及叶面积

指数的光谱响应研究

谭昌伟1Κ2Κ王纪华13Κ黄文江1Κ刘良云1Κ黄义德2Κ赵春江1

; 1国家农业信息化工程技术研究中心Κ北京100089Μ2安徽农业大学农学系Κ合肥230036Γ

摘　要Π在夏玉米的不同生长阶段Κ测定冠层光谱Κ结合农学参数; L TN 、Κ研究了农学参数的CHL . C 、CHL . D 、LA I Γ光谱响应规律及其与冠层光谱参量; 反射率R 、一阶微分光谱R ′和红边位置R EP ΓΚ结果表明Κ拔节-抽雄期Κ伴随着植株生长和群体壮大Κ:红移ΦΚ至抽雄期群体稳定后而停止Μ开花-乳熟期Κ红边位置又呈偏向短波方向的:蓝移ΦΛ. Κ而且反演精度较高Κ最适模型分别为指数; R 2=0. 关键词ΠΜ夏玉米中图分类号ΠQ 945. ΠA

Study on spectra l var i a tion of L TN ΚCHL and LA I of su mm er ma ize

1Κ21311TAN Chang 2w ei ΚW AN G J i 2hua ΚHUAN G W en 2jiang ΚL I U L iang 2yun Κ

HUAN G Y i 2de ΚZHAO Chun 2jiang

; 1N ati onal Engineering R esearch Center fo r Info r m ati on T echno logy in A griculture ΚBeijing 100089ΚCh ina Μ2A gronom y D e 2

partm ent ΚA nhui A griculture U niversity ΚH efei 230036ΚCh ina Γ

Abstract ΠT he exp eri m en tati on analyzed the spectral variati on of agronom y param eters ; L TN ΚCHL . C ΚCHL . D ΚLA I Γand canopy hyp ersp ectral data of the difference grow th du rati on Κresearched the co rrelati on s and estab ilished statistical m odels betw een the hyp erspectral data ; R ΚR ′and R EP Γand agronom y param e 2ters . T he resu lts indicated ΠR ed edge slop e slow ly increased Κand R EP m oved to the long w ave band side from jo in ting stage to tasseling stage along w ith p lan t grow ing and co lony granding Κw h ich w as called :red

Κtran sference Φand then it stopp ed in tasseling stage after the pop u lati on w as stab le . T he change w as con 2. It w as no t on ly feasib le to esti 2trary from an thesis to m ilk ing stage Κw h ich w as called :b lue tran sference Φm ate CHL . D by u sing the first derivative spectrum and R EP Κbu t also had h igher p recisi on Κand the p rop 2

erest m odels w ere index ; R =0. 9487Γand p arabo la ; R =0. 9392Γrespectively .

Key words ΠH yp ersp ectral data Μleaf to tal n itrogen Μch lo rophyll con ten t Μleaf area index Μsumm er m aize

　　通过测定作物冠层光谱Κ研究作物反射光谱与叶片全氮含量; L eaf To tal N itrogen Κ缩写为L TN Γ、

叶绿素含量; Ch lo rophyll Con ten t Κ缩写为CHL . C Γ和叶绿素密度; Ch lo rophyll D en sity Κ缩写为CHL .

收稿日期Π2003206226Μ修改稿收到日期Π2004202225

基金项目Π国家863项目; 2003AA 209040ΓΜ国家973项目; G 2000779Γ和国家自然科学基金项目; 30030090Γ资助3通讯作者Π王纪华; 1958-ΓΚ男Κ博士Κ研究员Κ博士生导师Λ主要从事遥感的农业应用和作物生理生化研究ΛE 2m ail Πw 2jihua @263. Κnet

24和叶面积指数; L eaf A era Index Κ缩写为LA I Γ等D Γ

农学参数之间的相关性Κ使人们在一定程度上能够定性描述和定量分析作物生长发育与高光谱数据之间的链接关系Λ

国内外学者在高光谱遥感[1]和利用高光谱数据反演作物体内理化组分方面做了大量的研究Κ并建立一些模拟模型[2～4]ΛHo rler 等[5]研究植被光谱与叶绿素浓度的关系Κ并提出了:红边Φ在反映植被叶绿素浓度中的作用ΛM iller 等[6]提出可以将红边反射波形用倒高斯模型; IG Γ来定量描述ΚW ess m an 等[7]使用森林光谱的一阶、二阶导数对树冠化学成分进行研究Κ并确定其与生物量以及导数光谱数据相关最密切的波段组合Λ但对夏玉米体内理化组分的光谱响应研究报道至今仍较少Κ作物长势及理化组分状况Κ透视了利用遥感技术监测作物长势以及在研究作物组分与光谱数据间关系上的前景Λ

1. 10%～1. 63%Κ铵态氮10. 2～14. 8m g kg 和8. 7

～15. 0m g kg Κ硝态氮16. 17～30. 22m g kg 和8. 35～18. 05m g kg Λ供试玉米品种为京早13号和

中糯2号Λ2. 2　测试方法

2. 2. 1　光谱反射率测定　采用美国A SD 公司生产

的F ieldSpec 光谱仪进行测定Κ视场角25°Κ波段范围为350～2500nm Κ输出波段数为2151个Λ选择晴朗无云无风的天气Κ在拔节期; 7月23日Γ、喇叭口期; 8月7日Γ、抽雄期; 8月14日Γ、开花期; 8月29日Γ、吐丝期; 9月5日Γ和乳熟期; 9月16日Γ分

别进行测定Κ10Π30～14Π00Λm Κ每点测定Κ各小区

后都立即进行参考板校正Λ采样与光谱测定同步同目标进行Κ于室内测定农学参数Λ

2. 2. 2　项目测定　L TN 测定采用凯氏定氮法

; GB 7173-87ΓΜLA I 测定采用比叶重法ΜCHL 测定采用可见分光光度计法ΛCHL . D 指单位土地面积上农作物的CHL . C Κ通常为CHL . C 与单位面积总绿叶鲜重的乘积Λ

2　材料与方法

2. 1　试验设计

3　结果与分析

3. 1　夏玉米L TN 、CHL . C 、CHL . D 及LA I 在整个

试验于2002年在北京市农林科学院内农场进行Κ供试田块土壤为壤土Κ0～30c m 和30～60c m 土层内养分含量分别为Π有机质1. 92%～2. 22%和

生长期内的变化规律

图1　夏玉米L TN ; a Γ、、及CHL . D ; d Γ随时间的变化; 品种为京早13号ΓLA I ; b ΓCHL . C ; c Γ

ΚLA I ; b ΓΚF ig . 1　V ariati on of L TN ; a ΓCHL . C ; c Γand CHL . D ; d Γof summ er m aize by the grow th durati on ; variety ΠJ ingzao 13Γ

6　　图1Κ拔a 所示L TN 随时间呈凹形抛物线变化Κ节到抽雄期Κ植株逐渐生长Κ叶数增加ΚL TN 减少Μ开花至乳熟期Κ植株停止生长Κ叶数基本稳定Κ但根系仍吸收土壤中的氮素而呈平缓增加趋势Λ图1Κb 所示LA I 随时间呈凸形抛物线变化Κ拔节至抽雄期Κ植株增高Κ叶数增加Κ使LA I 增加Κ但增加幅度由大至小Λ开花到乳熟期Κ叶片本身不再进行较强的光合作用Κ开始不断将养分提供给穗部而逐渐衰老Κ下层叶片变黄而枯死ΚLA I 又变小Λ图1Κc 和图1Κd 分别所示CHL . C 和CHL . D 随时间的变化Λ拔节至抽雄期ΚCHL . C 和CHL . D 随生育进程稳定上升Κ至抽雄期达到最大值Λ开花至乳熟期ΚCHL . C 和LA I 逐渐下降使CHL . C 下降Κ即CHL . D 下降ΚCHL . D 的变化与LA I 很相似Κ使其反射逐渐增强形成反射峰Μ开花后Κ叶片养分开始向穗部转移ΚCHL . C 和CHL . D 降低Κ光合能力减弱Κ进入乳熟期Κ下层叶片逐渐枯老Κ绿LA I 减小Κ叶内营养物质持续向穗部运转Κ叶片变黄ΚL TN 、光合能力减弱Κ红、蓝光CHL . C 及CHL . D 均降低Κ

吸收强度变弱而反射加强Κ在绿光波段的反射仍强于红、蓝光波段Κ故于可见光区仍存在一个小反射峰; 约560nm 处ΓΜ在近红外区Κ拔节至抽雄期Κ反射率值不断增大Κ直至LA I 最大时而平稳Λ开花至乳熟期Κ叶片养分持续转移到穗部使其内部结构改变Κ反射率值减小Κ直至成熟Λ

2Κ～770nm 之间; 红边区b 域Κ变化nm Γ与光谱反射率很相似Λ结合图2Κ红边斜率等参数[8]在整b 主要解析红边位置、个生育期内的变化Π微分光谱的形状、位置都发生变化Κ甚至出现双峰现象; 如8月14日ΓΚ部分出现较宽平的峰Λ拔节至抽雄期Κ植株旺盛生长Κ叶数增多Κ红边斜率随LA I 、CHL . C 和CHL . D 不断增加而增加Κ直至LA I 、CHL . C 和CHL . D 最大时因叶绿素对红光波段的吸收变深变窄而达到最大Κ红边位置偏向长波方向的:红移ΦΜ开花至成熟期Κ、LA I CHL . C 和CHL . D 随下层叶片变黄而减小Κ红边斜率随

CHL . D 包含有LA 综合体现Λ

3. 2、一阶微分光谱在整个

生育期内的变化规律

　　图2Κa 中冠层光谱反射率随生育进程在可见光波段无显著变化Κ在近红外波段以抽雄期为临界点呈先增后降的趋势Κ其原因为Π拔节至抽雄期Κ植株生长使叶数和CHL . C 增加ΚLA I 和CHL . D 增加Κ使群体的光合能力增强Κ直至抽雄期植株停止生长Κ对红、蓝光吸收增强而使此波段内的反射减弱Κ至抽雄期降为最小值Κ而于绿光波段由于红、蓝光强吸收

叶绿素对红光波段的吸收逐渐变弱而减小Κ持续至成熟Κ红边位置偏向短波方向的:蓝移Φ

图2　夏玉米冠层反射率光谱; a Γ及其一阶微分光谱; b Γ在整个生育期内的变化; 品种为京早13号Γ

F ig . 2　V ariati on of canopy reflectance spectrum ; a Γand the first derivative spectrum ; b Γ; variety ΠJ ingzao 13Γ

3. 3　夏玉米高光谱数据与L TN 、CHL . C 、CHL . D

合京早13号和中糯2号数据; 下同ΓΚ分别与同步同目标测定L TN 、、LA I CHL . C 及CHL . D 进行相关性分析Κ计算每个光谱通道上的光谱反射率及其一

及LA I 的相关性

　　利用夏玉米整个生育期6次冠层光谱数据Κ综

24阶微分光谱数据与每个农学参数测定值之间的拟合度R 2; 如图3Κ～d ΓΛa

3. 3. 1　夏玉米冠层反射率光谱及其一阶微分光谱

但在整体上与CHL . D 的相CHL . C 的相关性较高Κ

关性更好Κ此结果与吴长山等[2Κ3]和蒲瑞良等[9Κ10]对高光谱数据与总叶绿素量的关系研究中得出类似的结论Λ在图3Κ在某些窄波段处的一阶微分光谱c 中Κ与CHL . C 的相关性较高Κ如Π377nm 、447nm 、483

636nm 、1061nm 等Κnm 、R 最大值为0. 9057Λ在

与L TN 的相关分析　由图3Κ反射率光a 可以看出Κ谱在350～770nm 之间与L TN 保持稳定的相关性Κ均达到置信度为95%的显著相关Κ其原因可能是叶绿素在此波段的强烈吸收Κ吸收峰为450nm 和650nm 附近Κ在绿波段550nm 有一小的反射峰Λ而大于770nm 波段Κ相关性降低Κ尤其在近红外波段Κ相关性极差Κ可能原因是叶绿素等色素的吸收波段与植物体细胞内部结构散射在近红外区形成的高反射Λ虽然在部分波段L TN 与反射率光谱的相关性较高Κ但整体上劣于同一阶微分光谱的相关性Κ显著相关Λ综上可知处对作物L TN Λ3. 3. 2　夏玉米冠层反射率光谱及其一阶微分光谱

图3Κ一阶微分光谱与CHL . D 的相关性极好Λd 中Κ在可见光区Κ有好多波段或窄波段达到显著Κ甚至极显著相关Κ如Π402～405nm 、427～429nm 、442～

451nm 、722～742nm 等ΚR 最大为0. 9109Λ尤其在

722～742nm Κ而在740770nm 降到最低Κ

如Π1027nm 、1043nm 、1092nm 、1127nm 、1133～1137nm 、1275～1280nm 等Κ

在可见光区Κ一R 最大为0. 9442Λ其原因可归纳为Π

阶微分光谱与CHL . D 保持高相关是由于此波段范围内的光谱主要受叶绿素等色素的强吸收Κ而在740～770nm 之间正处于叶绿素等色素吸收和叶片

与LA I 的相关分析　由图3Κ反射率光谱在b 可知Κ任何波长处与LA I 均无显著相关Κ这可能与样本数少Κ观测随机误差大有关Κ但一阶微分光谱整体上与在可见光区Κ有许多波段达到显LA I 的相关性极好Μ

著甚至极显著相关Κ如Π520～615nm 、640～645nm 和680～722nm Κ这主要受叶绿素等色素在此波段内的强烈吸收所致Μ在近红外区Κ有许多窄波段表现

出极好的相关性Κ值为R 在1271nm 处达到最大Κ

内部结构反射及散射的交界区Κ因此相关性较低Μ在近红外区Κ光谱数据和CHL . D 都富含了叶片反射和散射的信息Κ因此相关性极好Λ将图3Κd 和图3Κb 进行比较Κ发现一阶微分光谱与CHL . D 的相关性同与LA I 的Κ但整体上优于同LA I 的Κ特别在722～742nm 内可以更好地体现出来Λ综上表明ΚCHL . C 及CHL . D 与一阶微分光谱的相关性整体上优于

0. 9233Λ当然也存在某些波段表现低相关Κ如Π723～840nm Κ其原因可能是高频噪音对微分光谱的影响

同反射率光谱的Κ而一阶微分光谱与CHL . D 的相关性比同CHL . C 及LA I 的好Κ说明利用一阶微分光谱在某些特定波长处预测CHL . C 及CHL . D 时具有比反射率光谱较高的反演精度Κ预测CHL . D 的精度比CHL . C 的高Λ

3. 3. 4　夏玉米冠层光谱参量与L TN 、CHL . C 、CHL . D 及LA I 的相关分析　为了利用高光谱数据

以及叶绿素吸收与叶片内部结构的反射及散射交互Λ综上可知ΚLA I 与一阶微分光谱的相关性优于同反射率光谱的Κ尤其在某些较窄波段处Κ说明利用一阶微分光谱在某些特定波长处预测LA I 时具有比反射率光谱较高的反演精度Λ

3. 3. 3　夏玉米冠层反射率光谱及其一阶微分光谱

与CHL . C 及CHL . D 的相关分析　由图3Κc 和3Κd 可以看出Κ反射率光谱在任何波长位置与CHL . C 及CHL . D 的均无显著相关Κ这可能与采样数目少和观测随机误差大有关Κ反射率光谱与CHL . D 的相关性优于同CHL . C 的Λ虽然一阶微分光谱与

更精确地估算农学参数Κ本研究在分析光谱参量; X Σ与农学参数≅Y Γ的相关性时Κ选取相关性最强的波段作为入选波段Κ采用下5种模式进行相关分析Π

B X

; 1Γ; 2Γ; 3ΓY =A +B In X Μ; 4ΓY =A +B X ΜY =A e Μ

; 5ΓY =A +B X +C X ΜY =A X

6图3; R Γ; R ′Γ与L TN ; a Γ、LA I ; b Γ、及CHL . D ; d Γ的相关分析CHL . C ; c Γ

F ig . 3　R elati onsh i p s canopy reflectance spectrum Κthe first derivative spectrum w ith L TN ΚLA I ΚCHL . C and CHL .

图4　高光谱参量与农学参数间的回归; 品种Π京早13号和中糯2号Γ

F ig . 4　R egressi on curve of hyperspectral indicato rs and agronom y param eter ; variety ΠJ ingzao 13and Zhongnuo 2Γ

　　由表1可以看出ΚR EP 与L TN 、CHL . C 的关系均不显著ΚR EP 与LA I 的相关性在对数和乘幂模型反演下较低Κ其它高光谱参量除R 535与L TN 达到置信度为95%的显著水平外Κ其余均达到置信度为99%的极显著水平Κ在3个光谱参量中ΚR ′Κ的相关性最高Μ在5种模式中ΚL TN 与R ′535、LA I 与580和CHL . D 与R ′738的相关性均以指数模式Y =R ′

B X

A e 为最高Κ其余均以多项式模式Y =A +B X +

在4个农学参数与R EP 的相关性中ΚC X 为最高Μ

最大的是CHL . D Κ达到极显著水平; R 2=0. 9392ΓΚ

其次是LA I Κ达到显著水平Κ最后是L TN 和

相关性极低Λ说明利用特定波段的光谱模CHL . C Κ

型能更好地估算农学参数Κ根据上面结果筛选出相关系数最大的模式分别与对应的农学参数进行回归分析; 图4ΓΛ

表1　冠层高光谱参量与农学参数的相关性; n =6Γ

T able 1　T he relativity betw een the variables of canopy hyperspectra and agronom y param eters

24农学参数

A gronom y param eters

自变量X

Independent variable R 535R ′653R EP

Y =A +B X

Y =A e B X

模型Statistical model

Y =A +B In X

Y =A +B X +C X

Y =A X B

0. 817930. 946130. 35300. 946830. 659930. 803630. 47910. 910830. 90383

3333

0. 830830. 943930. 35330. 951830. 658930. 878830. 48020. 948730. 90313

33333

0. 812130. 938230. 3640

0. 817930. 946430. 36200. 950330. 672730. 890830. 52170. 94223

33333

0. 821930. 931830. 3644

L TN

LA I

R ′580R EP R ′636R EP R ′738R EP

无

0. 6353

无

0. 6345

无

0. 49160. 806930. 92733

无

0. 49260. 887330. 92703

CHL . C

CHL . D

0. 93923

　　注Π; 1Γn 、、R ′、2:无Φ表示X

05[4]

=0. 6577ΚR 0.

01[4]

=. 8409

ΚN o tes Π;1Γn ΚR ΚΚR ′R EP indicated num ber of samp les Κthe at Κw ave band Κred edge Κ33indicated significant at 5%and 1%lev 2po siti on respectively Μ;2Γ:no th ing Φindicated w ; 33Κ

el respectively

4为了进一步验证和拓展前人的研究结论和范

围Κ使其具有广适性和可靠性Κ利用田间夏玉米冠层实测数据Κ分析其光谱随生育进程的变化Κ研究高光谱数据与部分农学参数间的相关性Κ其初步结论有3个Λ

; 1Γ夏玉米冠层光谱及其一阶微分光谱随生育进程的变化与其群体变化特征是对应的Κ特别在近红外波段极为明显Κ以抽雄期为临界点呈现先增后降的明显趋势Κ于拔节-抽雄期Κ红边斜率缓慢增加Κ出现:红移ΦΚ至抽雄期达到最大Μ于灌浆开花-成熟期Κ红边斜率缓慢减小Κ出现:蓝移ΦΛ

; 2Γ、L TN 、LA I CHL . C 、CHL . D 与光谱变量

; R Κ、、选取相关系数最R ′ΚR EP Γ间有很好的相关性Κ

大的模式建立其遥感估算模型Κ即对L TN 与变量

最适模型为抛R ′653ΚCHL . C 与变量R ′636回归而言Κ

物线Μ对LA I 与变量R ′580ΚCHL . D 与变量R ′738回归而言Κ最适模型为指数Λ

; 3Γ利用红边位置推算夏玉米冠层CHL . D 不仅是可行的Κ而且反演精度较高Κ最适模型为抛物线Κ2

R 达到0. 9392Λ

本研究的初步结论是基于一个地点和一个年份观测数据获得的Κ而且样本数有限Κ故仍有待于进一步研究和探讨Λ

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