成像光谱仪和地物光谱仪在小麦冠层尺度上的对比研究

0 前沿

【研究意义】近年来，随着遥感技术的日新月异，高光谱遥感已成为国内外研究的热点。高光谱的光谱分辨率能精确到纳米级，使其在探测植物生命信息和解析植被长势状况方面具有得天独厚的优势。因此，利用高光谱深入到作物生态系统内部，将更有助于作物垂直梯度养分状况的定量化研究。【前人研究进展】在农业领域，国内外学者应用高光谱遥感进行了大量的研究，主要在以下两方面取得进展：一是航空高光谱遥感。Martin 等 利用 AVIRIS（airborne visible/ infrared imaging spectrometer）的 0.75 μm、1.64 μm 两个波段的光谱反射率，对叶片氮含量进行统计回归，进行了作物氮素诊断研究；Tong 等在中日合作高光谱农业遥感项目中，利用 PHI（pushbroom hyperspectral imager）在日本长野进行了当地几种农作物的精确识别；杨敏华等利用 PHI（operative modular imaging spectrometer）对冬小麦进行营养组分反演研究并进行结果填图； Karimi-Zindashty利用 CASI（compact airborne spectrographic iager）对杂草和氮肥胁迫下的玉米进行了研究。二是地面高光谱遥感。国内外学者利用地物光谱仪 ASD Fieldspec FR2500 对小麦、水稻、大豆、玉米等作物的组分、结构、品质、养分、病虫害胁迫等进行了深入研究 。如赵春江等 利用地物光谱仪采集冬小麦冠层的多角度光谱信息，对小麦不同层次的养分状况进行研究；王秀珍等对水稻冠层和叶片的光谱信息进行研究，构建了色素反演模型，且精度较高。【本研究切入点】航空高光谱虽然可以成像，但基于其米级的空间分辨率，只能对大面积的作物群体的长势进行监测评价，无法探测到作物的结构和中下层的养分变化情况。地物光谱仪可以对作物个体进行研究，但是它不能成像，采集的作物冠层光谱信息是混合的，使其构建的各种反演模型的精度受到限制。本研究利用成像光谱仪和地物光谱仪同时获取冬小麦关键生育期的冠层光谱信息，对比分析两仪器获得的冠层光谱的差异，用地物光谱仪作标准，验证成像光谱仪获取数据的可靠性；然后选取常用的植被指数和小麦的叶片氮含量建立关系并分析，初步得出成像高光谱在近地使用有很大的潜力。【拟解决的关键问题】笔者利用成像光谱仪图谱合一的优势，为航空、航天高光谱遥感提供冠层水平定标、验证和尺度转换服务；同时也可以从冠层深入到中下层进行研究，为作物养分的立体监测提供新的技术手段。验证成像光谱仪在近地使用的可行性，为进一步利用其探测、解析作物的生长发育状况做好了前期准备。

1 材料与方法

1.1 试验设计

试验地点位于江苏某国家试验基地，冬小麦品种为扬麦18，于 2013 年 10 月播种，正常肥水管理。2014 年在冬小麦的拔节期（4月14日）、孕穗期（5 月1日）、灌浆期（5月21日）采集小麦的冠层的高光谱数据。

1.2 仪器介绍

农业扫描成像光谱仪（GaiaField-V10E） 是江苏双利合谱科技有限公司研发。光谱仪采用了1392（ 空间维）×1040（ 光谱维）， 像元单元尺寸为6.4 5 μm×6.45 μm 的 CCD 进行线阵推扫成像（ 图1）， 具体的性能参数如下：

（1）光谱范围：400—1 000 nm；

（2）光谱分辨率：2.8 nm，采样间隔1.2 nm；

（3）空间分辨率：5-10 mm（视物距而定）；

（4）视场角：23°；（5）光谱通道数：520。

图 1 成像光谱仪野外实物图

地物光谱仪 ASD Fieldspec FR2500 的性能参数如下：

（1）光谱范围：350—2 500 nm；

（2）光谱分辨率：3 nm@700 nm；10 nm @1 400 nm& 2 100 nm；

（3）采样间隔：1.4 nm，350—1 000 nm；2 nm，1 000—2 500 nm；

（4）视场角：25°。

1.3 叶片氮含量

与光谱测量同步，每个小区前期取小麦植株 6 株并放于保鲜袋，后期取 10 株单茎，带回实验基地，按器官(叶、茎和穗)分离，在 105°下杀青并在 80° 下烘干，用磨样机粉碎后用自封袋密闭低温保存，供生物化学组分分析。叶层氮含量采用流动分析仪 A5 测定。

2 结果与分析

考虑到 ASD光谱辐射仪在农业遥感中广泛使用，其光谱信息往往作为作物长势及病虫害监测的重要依据，为此本研究以 ASD 光谱数据为标准， 从2个角度依次对比 ASD 与成像光谱仪的光谱反射率（ 其中成像光谱数据为纯小麦叶片光谱， 即去除背景土壤、麦穗等的影响）。 第一，将 ASD 采集的冬小麦冠层高光谱数据重采样成GaiaField-V10E波段， 并计算每个生育期重采样后的平均反射率，对比重采样的 ASD GaiaField- V10E的生育期平均反射率。如图 2 所示，整体上，两种冬小麦冠层光谱信息在 可见光-红边区域的变化趋势高度一致：V10E光谱曲线在 550 nm 附近出现“绿峰”特征，与 ASD 光谱曲线相符，且因抽穗期间冬小麦冠层出现小麦穗子且叶片发黄萎缩，导致 2 种光谱反射率在近红外区间差距较大；拔节期由于小麦叶面积较小，ASD获取的小麦冠层光谱含有较多的土壤信息，因此其在可见光如绿峰与成像光谱仪V10E的光谱反射率存在大小差异，但峰值位置不变； 无论是红谷或者红边，成像光谱仪V10E和地物光谱仪ASD的光谱反射率曲线几乎吻合，在近红外区域存在差异主要是受土壤、麦穗、黄叶等原因的影响。

图 2 不同生育期成像光谱仪V10E 光谱曲线与 重采样的 ASD 光谱曲线对比

• 研究对比分析了成像光谱仪V10E和重采样的 ASD在400 ～ 1000nm 范围冬小麦冠层光谱反射率的相关性，如图3 所示，结果显示两者高度相关R2均在 0.995以上。

图3 不同生育期的成像光谱仪V10E 和 重采样的 ASD 光谱反射率的相关性

2.2 成像光谱仪与地物光谱仪监测LNC模型精度评价

本研究运用植被指数NDVI分别构建成像光谱仪V10E、地物光谱仪ASD 监测小麦叶片氮含量的监测模型，图4为两个监测模型的1：1图（监测模型由于数据的保密性暂不对外公布），从图4可知，成像光谱仪V10E监测小麦叶片氮含量的精度更高，为0.963，而地物光谱仪ASD的监测精度则为0.712， 远低成像光谱仪V10E。

图 4 成像光谱仪与地物光谱仪预测叶片氮含量精度