生长期冬小麦冠层光谱特征分析

摘要：采用野外地物光谱仪对样地冬小麦进行实地测量，对实测冬小麦光谱数据进行了分析。结果表明，①冬小麦冠层光谱反射曲线走势大致与绿色健康植物的一般光谱特征一致，冬小麦的生长状况都比较良好，在7个生长阶段中，变化主要发生在开花期、灌浆期；②比较整个生长期内各个波段的反射率，变化最大的为黄光波段和绿光波段，其次是红光波段和橙光波段，红外波段与蓝光波段较小，紫外波段的反射率在各个阶段的变化均远小于其他波段。在可见光波段，冬小麦冠层光谱的反射率是比较稳定的，变化集中表现在红光及近红外波段；③随着太阳高度角的增大，其各个波段的反射率均呈上升趋势，在11∶20太阳高度角接近最大时反射率达到最大，接着随太阳高度角的减小，冬小麦各个波段的反射率呈下降趋势；④叶面滞尘量和种植密度对于冬小麦光谱曲线均有影响，但由于条件限制和外界因素影响，未能精确地分析这两种因素对于冬小麦光谱曲线的影响特征。

关键词：冬小麦；生长期；冠层；高光谱；反射率

中图分类号S512.1+1 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2013）09-1998-04

健康绿色植被具有基本的光谱特性，其光谱反射率有一定的变化范围，但曲线形态变化是基本相似的。不同的植被类别因其叶子的色素含量、细胞结构、含水量均有不同，故光谱反射率存在着一定差异[1]，这种差异是人们鉴别和监测植被的依据。小麦的光谱特征研究一直是植物光谱研究的重点，目前国内外对小麦光谱的研究主要集中在不同施肥水平下小麦冠层光谱特征的分析、不同水分状况与小麦冠层光谱特征的关系、叶片营养诊断、叶面积指数等与光谱特性的相关性、病虫害或倒伏及叶片灰尘对光谱特征的影响等方面，所有这些研究都是以植被光谱特征为基础进行的[2-5]。但植被在生长发育的不同阶段，其光谱特征也不断变化[6，7]。影响植物光谱的因素有植物本身的结构特征，也有外界的影响，如空气、土壤等环境因子的影响。因此，对植物光谱特征及其相关因子的研究具有重要的理论和现实意义。为此，在河南省许昌市东郊北宋庄附近选取小麦样地4块，每块样地中选取1个1 m×1 m的样方，利用实测数据绘制生长期冬小麦冠层光谱特征曲线，分析生长期各个阶段冬小麦冠层光谱特征变化规律，为实现高光谱监测大面积冬小麦长势提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验样区概况

试验样区安排在河南省许昌市市郊，位于河南省中部，平均海拔72.8 m，属暖温带季风区，气候温和，光照充足，雨量充沛，无霜期长，四季分明。春季干旱多风沙，夏季炎热雨集中，秋季晴和气爽日照长，冬季寒冷少雨雪。年平均气温14.7 ℃，年平均日照时间2 280 h，年平均降雨量579 mm，无霜期217 d。许昌市现有冬小麦种植面积21.7万hm2。主要的农业土壤比较肥沃，非常适宜农业耕种。

1.2 数据来源及处理

数据主要是野外实测冬小麦光谱数据。在试验样区选取4块样地，每块样地选取1个1 m×1 m的样方，利用美国ASD野外光谱辐射仪进行测定，其波长范围为325～1 075 nm，光谱分辨率为1 nm。为保证测定数据间的统一可比性，测定时选择晴朗、无云、无风天气，在每次测量前都要进行标准白板优化校正，优化时标准白板水平放置在没有任何阴影光线直射的地方，优化后白板的反射率为1。测定光谱时光谱仪探头垂直向下，测量时保证探头的平稳。每个采样点每次记录5～6个采样光谱，删除不合格数据后，取剩余几个光谱数据的平均值，即为每个采样点最后的光谱辐射值。采样时间是在起身期（3月9日）、返青期（3月15日）、拔节期（3月23日）、孕穗期（4月3日）、抽穗期（4月16日）、开花期（4月23日）、灌浆期（4月30日）7个阶段进行，测量的时间段为10∶00～14∶00，在光照条件良好、阳光几乎直射的时段内进行光谱测定（太阳高度角大于45°）。光谱数据处理是基于ViewSpecPro软件平台，按照相关公式计算得出冬小麦冠层光谱反射率及其曲线图。

1.3 研究方法

对经过预处理后的光谱特征数据进行光谱分析，总结出冬小麦光谱曲线随生长期不同所发生的变化，并比较同一生长期同一因素的不同情况下冬小麦光谱曲线，找出单一因素对冬小麦光谱曲线影响的相应波段。冬小麦的生长期分为发芽、出苗、分蘖、越冬、返青、拔节、孕穗、抽穗、开花、灌浆、成熟11个阶段，由于条件限制，试验只抽取了冬小麦生长期中7个光谱变化较为明显和连续的阶段进行分析。定期定点采集生长期冬小麦冠层光谱数据并绘制出光谱曲线图及曲线对照图，通过多次采集得出冬小麦在生长期各个阶段冠层光谱曲线。对所采集的生长期冬小麦冠层光谱曲线进行综合和对照，得出各冬小麦生长期总体光谱特征。

2 结果与分析

2.1 冬小麦冠层光谱变化特征综合分析

2.1.1 冬小麦冠层光谱变化总趋势 对各样地冬小麦光谱各生长阶段的光谱发射率求取平均值，并据此分析生长期不同阶段冬小麦冠层光谱反射率总体变化趋势，结果如图1所示。总的来说，在整个生长周期内冬小麦冠层光谱反射率呈现增长的趋势，具体来说，冬小麦在起身期时的反射率最低，从起身期到抽穗期冬小麦光谱反射率缓慢上升，抽穗期到开花期光谱反射率有所下降，开花期至灌浆期又小幅上升。比较各波段的反射率值，反射率达到最大值时，变化最大的为黄光波段和绿光波段，其次是红光波段和橙光波段，红外波段与蓝光波段较小，紫外波段的反射率在各个阶段均远小于其他波段。另外，在750 nm（红光）、780 nm（近红外）波段处有两个峰值，在760 nm附近有一个吸收带（图2），这个吸收谷是红光吸收谷[8]，它的深浅程度与冬小麦的叶绿素含量有关，冬小麦生长越旺盛，植株中叶绿素的含量就越高，红光吸收谷越深。在970 nm处有一个小的吸收带（图2），是水分吸收带，叶子水分含量越大，水分吸收带就越深。

2.1.2 各样地冬小麦各生长期冠层光谱变化曲线 试验共选定4块样地，根据测定的光谱数据，绘制4块样地冬小麦生长期不同阶段冠层光谱反射率曲线图（图2），并据此具体分析4块样地整个生长期冬小麦冠层光谱变化特征。由图2可以看出，1号样地冬小麦在起身、返青、拔节3个阶段的光谱反射率逐渐上升，这是因为随着时间的推移，冬小麦不断生长，土地的面积越来越小，叶面积覆盖度越来越大。至孕穗阶段冠层光谱反射率稳定下来，其后3个阶段的光谱反射率与孕穗期基本一致，无明显变化。

2号样地冬小麦在生长期内生长发育正常。该样地冬小麦在起身到返青这一阶段生长速度很快，在返青期光谱反射率已经趋于稳定，与拔节、孕穗、灌浆期基本一致。异常之处在于抽穗期光谱反射率在红光及近红外波段光谱反射率突然升高，高于其他几个生长阶段的光谱反射率；开花期光谱反射率突降，与起身期光谱反射率在同一个水平上。

3号样地冬小麦起身期与返青期反射率基本一致，拔节期小幅上升，说明3号样地在生长期的前3个阶段生长较为缓慢，尤其是起身期到返青期，其光谱反射基本没有变化，到孕穗期其光谱反射率基本稳定。异常之处在于灌浆期光谱反射率大幅度上升。

4号样地冬小麦起身期与返青期光谱反射率基本相同，从返青期到开花期光谱反射率持续上升，异常之处是灌浆期小麦的光谱反射率突然下降，与起身期与返青期接近。

综上分析可以看出，在整个生长期内4块样地的光谱曲线均符合绿色健康植物光谱特征，这说明4块样在生长期内生长正常。在7个生长阶段中，2号样地抽穗期光谱反射率较高，到开花期则突然降至和起身期同一水平；3号样地灌浆期光谱反射率过高；4号样地开花期光谱反射率极高，到灌浆期则突然降至较低水平。

2.2 冬小麦光谱曲线特征变化部分环境因素影响分析

2.2.1 太阳高度角的影响 通过1 d内对10个不同时间段的冬小麦生长期光谱采集绘制光谱曲线分析可以得出从7∶20随着太阳高度角的增长，其各个波段的反射率均呈上升趋势，在11∶20太阳高度角最大时反射率达到最大，接着随太阳高度角的减小，冬小麦各个波段的反射率呈下降趋势。分析其原因在于：太阳高度角直接影响冬小麦光谱的反射率，当太阳越趋近于直射的时候，冬小麦冠层所接受到的太阳辐射量就越大，反射率就越大，由此可以得出在11∶00左右采集冬小麦光谱数据为最佳时段。

2.2.2 样地种植密度的影响 选取3块种植密度差异较大（经抽样密度分别约为800、1 000、1 200株/m2） 的麦田，分别采集了多个时段的冬小麦光谱数据，经过数据处理及分析后发现，在冬小麦生长期的不同阶段，3块种植密度不同的麦田的光谱曲线没有显示明显的特征及趋势，具体原因可能是由于此3块麦田的光谱曲线还受到了其他因素的影响，如灌溉、施肥、小麦长势等，未能将冬小麦种植密度作为单一变量分离出来，造成未能发现冬小麦种植密度对于冬小麦光谱曲线的影响。

2.2.3 冬小麦冠层滞尘量对光谱曲线特征的影响 用距离公路的远近来代表小麦叶面滞尘量的不同，故分别选取距离公路5、10、20 m的3块样地，采集其多个时段的冬小麦光谱数据，经过数据处理及分析后发现，在冬小麦生长期的不同阶段，相对于公路不同距离的3块麦田，即3块滞尘量不同的麦田的光谱曲线，在排除操作误差的影响下，距公路5 m样地冬小麦的反射率（在波长为500～600 nm的波段所显示的波峰处）始终最大，而距公路10 m和20 m两块样地的差别较小。此结果未能将滞尘量作为单一变量分离出来，造成未能发现滞尘量对于冬小麦光谱的具体影响。

3 结论与讨论

研究采用了野外地物光谱仪对试验区的冬小麦进行实地测量，对实测冬小麦的光谱数据进行了定性和定量的分析，研究结果如下。

1）在整个生长期内，4块样地冬小麦冠层光谱反射曲线走势大致相同，与绿色健康植物的一般光谱特征一致，冬小麦的生长状况都比较良好，其中3号样地的光谱反射率变化最为异常。总体来说，在7个生长阶段中，变化主要发生在开花期和灌浆期。

2）从7∶20随着太阳高度角的增大其各个波段的反射率均呈上升趋势，在11∶20太阳高度角最大时反射率达到最大，接着随太阳高度角的减小，小麦各个波段的反射率呈下降趋势。小麦冠层滞尘量和小麦种植密度对冬小麦光谱曲线均有影响，但是由于条件限制和外界因素影响，未能准确地发现这两种因素对于冬小麦光谱曲线的影响特征。

3）在整个生长周期内，冬小麦冠层光谱反射率总体呈现增长的趋势。比较各个波段的反射率，反射率达到最大值时，变化最大的为黄光波段和绿光波段，其次是红光波段和橙光波段，红外波段与蓝光波段较小，紫外波段的反射率在各个阶段均远小于其他波段。在可见光波段，冬小麦冠层光谱的反射率是比较稳定的，变化集中表现在红光及近红外波段。

参考文献：

[1] 梅安新，彭望琭.遥感导论[M].北京：高等教育出版社，2001.

[2] 薛利红，曹卫星，罗卫红，等.小麦叶片氮素状况与光谱特性的相关性研究[J].植物生态学报，2004，28（2）：172-177.

[3] 任红艳，潘剑君.不同施氮水平下的小麦冠层光谱特征及产量分析[J].土壤通报，2005，36（1）：26-29.

[4] 任红艳，潘剑君，张佳宝.不同磷肥水平的小麦冠层多光谱特征研究[J].土壤，2005，37（4）：405-409.

[5] 黄木易，王纪华，黄文江.冬小麦条锈病的光谱特征及遥感监测[J].农业工程学报，2003，19（6）：152-156.

[6] 刘含海，钱乐祥，孔云峰，等.冬小麦冠层反射光谱特征分析[J].甘肃农业，2006（4）：247-248.

[7] 袁 慧，李 爽，孔云峰.开封市郊冬小麦冠层反射光谱特征分析[J].地理空间信息，2009，7（4）：63-65.

[8] 张春梅，张建明.基于高光谱影像的干旱区草地光谱特征分析[J].光谱学与光谱分析，2012，32（2）：445-448.