鄭裕東，徐云成，嚴(yán)海軍*，鄭永軍

1. 中國農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院，北京 100083 2. 中國農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，北京 100083

引 言

小麥、 玉米生長過程中的水肥虧缺會(huì)造成糧食減產(chǎn)。作物冠層也會(huì)因生長狀態(tài)的不同產(chǎn)生相應(yīng)的變化，以此為切入點(diǎn)，通過人工手持或近地平臺(tái)搭載光譜傳感器快速獲取作物冠層信息，為作物的高效水肥管理提供決策，及時(shí)緩解作物水肥虧缺問題，是目前近地遙感研究的重要方向。國內(nèi)外學(xué)者已在設(shè)備選擇與布設(shè)[1-3]、 觀測(cè)系統(tǒng)搭建[4-5]與診斷模型建立[6-8]等方面開展了較多研究。由于大型自走式噴灌機(jī)具有自動(dòng)化程度高、 覆蓋面積廣等優(yōu)點(diǎn)，因此亦有將大型噴灌機(jī)作為平臺(tái)進(jìn)行作物冠層的近地遙感觀測(cè)研究[9]。作物冠層具有復(fù)雜的立體結(jié)構(gòu)，對(duì)光譜具有二向反射特性，會(huì)造成光譜反射率數(shù)據(jù)與實(shí)際偏離。為此，有學(xué)者選取特定的觀測(cè)天頂角構(gòu)建了診斷模型，如Feng等[10]研究了作物植被指數(shù)與葉氮含量的關(guān)系，提出了新的葉氮含量預(yù)測(cè)模型，降低了-30°～0°之間觀測(cè)天頂角的干擾； Song等[11]發(fā)現(xiàn)主平面后向區(qū)域觀測(cè)天頂角40°條件下構(gòu)建的氮素診斷模型具有較高的預(yù)測(cè)精度。同時(shí)，也有學(xué)者將研究重點(diǎn)關(guān)注在觀測(cè)方式對(duì)冠層信息數(shù)據(jù)的影響方面，如Sun[12]在不同觀測(cè)天頂角條件下測(cè)量水稻冠層光譜反射率，發(fā)現(xiàn)水層深度和LAI可影響冠層反射率的各向異性； 郭建茂[13]利用地面遙感系統(tǒng)連續(xù)觀測(cè)冬小麥冠層，發(fā)現(xiàn)在不同觀測(cè)天頂角、 方位角下的冠層NDVI與增強(qiáng)型植被指數(shù)(EVI)具有相似變化趨勢(shì)。

由此可見觀測(cè)條件給冠層光譜測(cè)量的干擾增加了數(shù)據(jù)的不確定性。目前已開展的研究多以單個(gè)參數(shù)的觀測(cè)條件為主，且只對(duì)有限觀測(cè)因素進(jìn)行定性分析，缺乏對(duì)各觀測(cè)條件下作物不同生育期冠層光譜數(shù)據(jù)變化的定量分析。為此，本工作模擬大型噴灌機(jī)觀測(cè)條件搭建近地遙感系統(tǒng)，以高效、 快捷地獲取冬小麥和夏玉米的冠層光譜數(shù)據(jù)，通過變異系數(shù)和權(quán)重分析方法量化在不同觀測(cè)天頂角、 觀測(cè)方位角、 觀測(cè)高度下作物冠層RVI和NDVI數(shù)據(jù)的變化情況，并分析觀測(cè)條件對(duì)數(shù)據(jù)變化的影響程度，從而掌握關(guān)鍵冠層光譜信息的變化規(guī)律，為快速獲取高精度的冠層信息數(shù)據(jù)提供指導(dǎo)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

試驗(yàn)地點(diǎn)位于中國農(nóng)業(yè)大學(xué)通州實(shí)驗(yàn)站(39°41′59″N、 116°41′01″E)，屬溫帶大陸性半濕潤季風(fēng)氣候，海拔21 m，年平均溫度11.3 ℃，年平均降水量620 mm，土壤類型為砂壤土，肥力中等。受試小麥和玉米進(jìn)行正常水肥管理，品種分別為農(nóng)大211和農(nóng)大86。在長勢(shì)均一的農(nóng)田內(nèi)選擇三塊5 m×5 m的觀測(cè)小區(qū)，于2019年4月14日(返青期)、 4月30日(拔節(jié)期)、 5月4日(抽穗期)、 5月13日(揚(yáng)花期)、 6月2日(灌漿期)進(jìn)行小麥冠層觀測(cè)，7月23日(V7期)、 7月27日(V9期)、 8月1日(V11期)、 8月8日(V12期)和8月19日(V14期)進(jìn)行玉米冠層觀測(cè)。觀測(cè)時(shí)天氣晴朗無風(fēng)、 無云或少云。使用SRS-NDVI傳感器(Decagon Devices, Inc. USA)測(cè)得冠層近紅外波段(810 nm)和紅光波段(650 nm)的反射率，視場(chǎng)角36°； 使用CR300數(shù)據(jù)采集器(Campbell Scientific, Inc. USA)設(shè)置采集頻率及時(shí)間，并存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。

1.1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集

試驗(yàn)時(shí)搭建了觀測(cè)系統(tǒng)[圖1(a)]用于還原大型噴灌機(jī)實(shí)地觀測(cè)條件，傳感器固定在觀測(cè)系統(tǒng)平臺(tái)的支架梁上，可調(diào)整觀測(cè)角度和高度； 平臺(tái)底座裝有滑輪，便于在固定軌道上移動(dòng)。試驗(yàn)參數(shù)包括傳感器觀測(cè)方向與天頂方向的夾角θ(觀測(cè)天頂角)、 觀測(cè)平面與主平面的夾角φ(觀測(cè)方位角)、 傳感器距地面的垂直距離H(觀測(cè)高度)、 當(dāng)日的采集時(shí)刻t(觀測(cè)時(shí)刻)、 作物生育期T(觀測(cè)時(shí)期)、 冠層信息采集頻率f(觀測(cè)頻率)和觀測(cè)時(shí)傳感器的移動(dòng)速度v(移動(dòng)速度)。圖2為天頂角與方位角示意圖，觀測(cè)方向所在直線與Z軸相交，二者所處平面為觀測(cè)平面，太陽與Z軸所處平面為主平面，觀測(cè)平面與主平面的夾角為φ，試驗(yàn)時(shí)要求太陽高度角不小于10°。試驗(yàn)采用單因素法進(jìn)行觀測(cè)，設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示，移動(dòng)速度依據(jù)大型噴灌機(jī)行走速度范圍確定； 考慮到作物冠層二向反射率的各向異性和觀測(cè)視場(chǎng)內(nèi)組分的變化情況，試驗(yàn)利用主平面內(nèi)45°天頂角的觀測(cè)條件，每組因素的觀測(cè)時(shí)間控制在0.5 h內(nèi)完成。通過長寬系數(shù)法測(cè)得葉面積指數(shù)(LAI)，小麥、 玉米的各生育期LAI如表2所示。

圖1 觀測(cè)系統(tǒng)及設(shè)備(a)： 觀察場(chǎng)所； (b)： SRS-NDVI傳感器； (c)： CR300數(shù)據(jù)采集口Fig.1 Observation system and equipment(a)： Observation site； (b)： SRS-NDVI sensor；(c)： CR300 data collector

圖2 觀測(cè)天頂角θ及觀測(cè)方位角φ示意圖Fig.2 Schematic diagram of zenith angleθ and azimuth angle φ

表1 試驗(yàn)參數(shù)Table 1 Experimental parameters

表2 小麥、 玉米各生育期的LAITable 2 LAI of wheat and maize in each growth stage

1.2 冠層信息計(jì)算

試驗(yàn)獲取的冠層光譜數(shù)據(jù)包括比值植被指數(shù)RVI和植被歸一化指數(shù)NDVI，其計(jì)算公式如式(1)和式(2)

(1)

(2)

式中：RNIR為近紅外波段的冠層反射率數(shù)據(jù)；RRED為紅光波段的冠層反射率數(shù)據(jù)。

1.3 數(shù)據(jù)處理

通過引入變異系數(shù)CV評(píng)估各觀測(cè)參數(shù)對(duì)冠層RVI和NDVI數(shù)據(jù)的影響程度[15]，并在此基礎(chǔ)上獲得觀測(cè)參數(shù)的影響因素權(quán)重W；CV和W的計(jì)算公式如式(3)—式(6)

(3)

(4)

(5)

(6)

式中：σ是標(biāo)準(zhǔn)偏差；μ是平均值；N是某類數(shù)據(jù)的樣本數(shù)量；xi是某類數(shù)據(jù)中第i個(gè)(i=1, 2, 3，…，N)樣本數(shù)據(jù)；Wj是某類數(shù)據(jù)在特定條件下對(duì)變異系數(shù)的影響因素權(quán)重；M是數(shù)據(jù)的種類數(shù)量；CVj是第j類(j=1, 2, 3，…，N)數(shù)據(jù)在該特定條件下的變異系數(shù)。

2 結(jié)果與討論

2.1 冠層光譜信息的方向性特征

以小麥灌漿期、 玉米V12時(shí)期為例，通過Person相關(guān)性分析獲得RRED，RNIR與各觀測(cè)參數(shù)之間的相關(guān)系數(shù)(表3)，其中觀測(cè)時(shí)刻換算為太陽天頂角進(jìn)行計(jì)算。由表3可知，觀測(cè)高度、 觀測(cè)頻率、 移動(dòng)速度對(duì)冠層信息數(shù)據(jù)無顯著相關(guān)關(guān)系(p>0.05)，觀測(cè)時(shí)刻、 觀測(cè)天頂角、 觀測(cè)方位角與小麥和玉米冠層RRED，RNIR相關(guān)關(guān)系極顯著(p<0.01)，以上結(jié)果由冠層二向反射特性引起，即冠層反射率不僅與其形態(tài)結(jié)構(gòu)和光譜特征有關(guān)，還與光的入射角度和反射角度有關(guān)。

表3 冠層光譜信息與觀測(cè)條件的相關(guān)系數(shù)Table 3 Correlation coefficient of canopy spectral information and observation conditions

2.1.1RRED，RNIR隨觀測(cè)條件的變化

小麥、 玉米的冠層RRED和RNIR日變化趨勢(shì)如圖3所示，兩者趨勢(shì)基本一致： 正午時(shí)刻太陽天頂角最小，RRED和RNIR處于當(dāng)日最小值。隨著太陽天頂角增大，葉片對(duì)太陽光產(chǎn)生了更多地?cái)r截與散射，RRED和RNIR逐漸增加。隨著LAI增大，視場(chǎng)內(nèi)非葉片組分比例下降，RNIR增大，RRED降低。由于近紅外對(duì)太陽天頂角的敏感性較紅光弱，并且太陽天頂角增大使投射到土壤和葉片背景內(nèi)的陰影組分比例增加，因此稀疏冠層RRED增速大于稠密冠層。

觀測(cè)方位角對(duì)玉米和小麥冠層RRED和RNIR的影響如圖4所示，小麥與玉米的RRED和RNIR變化趨勢(shì)相近。當(dāng)視場(chǎng)從前向觀測(cè)區(qū)域(0°～90°)移動(dòng)至后向觀測(cè)區(qū)域(90°～180°)，視場(chǎng)內(nèi)的陰影比例減小，光譜反射率增大； 并且隨著LAI增大，此變化趨勢(shì)愈發(fā)明顯[11]。同時(shí)由于近紅外波段具有較強(qiáng)的反射、 透射和散射能力，其反射率隨方位角的變化幅度小于紅光波段，但是與小麥植株密度(37萬株/畝)相比，玉米植株密度(5 500株/畝)較低，會(huì)影響近玉米紅外波段的散射及反射，使其RRED和RNIR的變化幅度差異較小。

圖5顯示了不同觀測(cè)天頂角條件下玉米和小麥的冠層RRED和RNIR變化規(guī)律。由于陰影效應(yīng)及熱點(diǎn)效應(yīng)，整體上RRED和RNIR在前向觀測(cè)區(qū)域(0°～60°)小于后向觀測(cè)區(qū)域(-60°～0°)，但近紅外波段較強(qiáng)的透射及散射能力減少了視場(chǎng)中的陰影比例，使其在前、 后向觀測(cè)區(qū)域分布更為對(duì)稱[圖5(a)]。在近紅外波段，其反射率呈“V”型分布，并且整體上隨天頂角增大而增大，同時(shí)由于在視場(chǎng)最低點(diǎn)(天頂角為0°)處的非葉片組分比例最大，RNIR處于最小值；RNIR隨著LAI增大而增大，且對(duì)天頂角的敏感性增強(qiáng)。由于玉米較小的植株密度在生長前期(LAI為0.85和1.95)影響了近紅外波段在冠層中的散射及透射，在其前向觀測(cè)區(qū)域內(nèi)近紅外波段對(duì)天頂角的敏感程度弱于小麥，因此玉米R(shí)NIR在前、 后向觀測(cè)區(qū)域未呈對(duì)稱分布[圖5(b)]。小麥和玉米冠層的RRED整體上隨著LAI增大而減小，且在后向觀測(cè)區(qū)域隨著天頂角增大而增大，在前向觀測(cè)區(qū)域隨著天頂角增大略有減小，且減小幅度隨LAI增大而減小，這也是由陰影效應(yīng)與紅光本身散射及透射性能決定的。

圖3 冠層RRED和RNIR日變化趨勢(shì)(a)： 小麥； (b)： 玉米Fig.3 Daily trend of canopy red light and near infrared reflectance(a)： Wheat； (b)： Maize

圖4 不同觀測(cè)方位角下的冠層RRED和RNIR分布(a)： 小麥； (b)： 玉米Fig.4 Distribution of canopy red light and near infrared reflectance under different view azimuth angles(a)： Wheat； (b)： Maize

圖5 不同觀測(cè)天頂角下的冠層RRED和RNIR分布(a)： 小麥； (b)： 玉米Fig.5 Distribution of canopy red light and near infrared reflectance under different view zenith angles(a)： Wheat； (b)： Maize

2.1.2 RVI和NDVI隨觀測(cè)條件的變化

小麥和玉米R(shí)VI和NDVI的日變化趨勢(shì)如圖6所示，整體上二者隨LAI增大而增大。與前人研究結(jié)果相同[14]，在太陽天頂角最小時(shí)，上述兩種植被指數(shù)處于最大值。由于可見光反射率的變化幅度大于近紅外，RRED增幅大于增幅RNIR(圖3)，因此RVI和NDVI隨太陽天頂角增大呈減小趨勢(shì)。由線段斜率可知，小麥和玉米R(shí)VI和NDVI對(duì)太陽天頂角的敏感性隨LAI增大而增強(qiáng)，因此獲取植被指數(shù)數(shù)據(jù)時(shí)應(yīng)盡量縮短觀測(cè)時(shí)間，以減小太陽天頂角的影響。

圖6 冠層RVI和NDVI日變化趨勢(shì)(a)： 小麥； (b)： 玉米Fig.6 Daily trend of canopy RVI and NDVI(a)： Wheat； (b)： Maize

圖7 不同觀測(cè)方位角下的冠層RVI和NDVI分布(a)： 小麥； (b)： 玉米Fig.7 Distribution of canopy RVI and NDVI under different view azimuth angles(a)： Wheat； (b)： Maize

圖7給出了觀測(cè)方位角對(duì)玉米和小麥RVI、 NDVI的影響。當(dāng)視場(chǎng)從前向轉(zhuǎn)為后向觀測(cè)區(qū)域時(shí)，由于RRED增幅大于增幅RNIR(圖4)，RVI和NDVI均呈減小趨勢(shì)。而且當(dāng)LAI增大時(shí)，由于RRED和RNIR增幅變緩(圖4)，導(dǎo)致觀測(cè)方位角對(duì)NDVI的影響減弱、 而對(duì)RVI影響增強(qiáng)。圖8給出了不同觀測(cè)天頂角對(duì)玉米和小麥RVI和NDVI的影響，在視場(chǎng)從后向移至前向觀測(cè)區(qū)域的過程中，RVI和NDVI在整體上呈逐漸增大趨勢(shì)，這是由RNIR降幅小于RRED(圖5)所致。同時(shí)隨著LAI增大，RRED降幅逐漸大于RNIR降幅(圖5)，導(dǎo)致觀測(cè)天頂角對(duì)NDVI的影響逐漸減弱、 對(duì)RVI的影響逐漸增強(qiáng)。

圖8 不同觀測(cè)天頂角下的冠層RVI和NDVI分布(a)： 小麥； (b)： 玉米Fig.8 Distribution of canopy RVI and NDVI under different view zenith angles(a)： Wheat； (b)： Maize

2.2 冠層光譜信息的變異性特征

2.2.1 變異系數(shù)

表4給出了小麥、 玉米冠層在不同觀測(cè)條件下RVI和NDVI數(shù)據(jù)的CV。小麥和玉米冠層RVI的CV分別為15%～50%和10%～33%。不同觀測(cè)時(shí)刻下二者RVI的CV均與LAI成正比，這主要是由RVI日變化幅度在生長過程中增大而引起的(圖6)。由于在LAI增長過程中RVI在不同觀測(cè)方位角下變化幅度增大(圖7)，不同觀測(cè)方位角下小麥和玉米R(shí)VI的CV亦與LAI成正比關(guān)系。不同觀測(cè)天頂角下小麥RVI的CV與LAI成反比，這主要是由于小麥生長初期(LAI為1.04)RVI均值接近于0造成[圖8(a)]，隨著LAI增大小麥RVI均值增加幅度大于由觀測(cè)天頂角引起的RVI變化幅度，致使CV逐漸降低； 與小麥相反，由于玉米生長初期(LAI=0.85)RVI均值相對(duì)較大[圖8(b)]，且隨著LAI增大玉米R(shí)VI均值增加幅度小于由觀測(cè)天頂角引起的RVI變化幅度，因此不同觀測(cè)天頂角下玉米R(shí)VI的CV與LAI成正比。

表4 不同觀測(cè)條件下冠層光譜信息的變異系數(shù)Table 4 CV of canopy spectral information under different observation conditions

由表4可知，小麥和玉米冠層NDVI的CV分別為2%～50%和18%～39%。觀測(cè)時(shí)刻、 觀測(cè)方位角和觀測(cè)天頂角對(duì)小麥和玉米冠層NDVI觀測(cè)的影響類似，由于在LAI增長過程中NDVI變化幅度小于NDVI均值增幅(圖6—圖8)，因此小麥和玉米NDVI的CV隨LAI增大均有減小趨勢(shì)。由以上可知，小麥和玉米的冠層光譜信息獲取結(jié)果主要取決于冠層覆蓋狀況，并且在相同的LAI條件下，冠層RVI和NDVI數(shù)據(jù)也會(huì)因觀測(cè)時(shí)刻、 觀測(cè)方位角和觀測(cè)天頂角的差異受到不同程度的影響。

2.2.2 影響因素權(quán)重

表5給出了不同觀測(cè)條件對(duì)小麥、 玉米冠層RVI和NDVI數(shù)據(jù)變化的影響權(quán)重。隨著LAI增大，觀測(cè)時(shí)刻對(duì)小麥冠層RVI、 NDVI的影響逐漸增大，觀測(cè)天頂角對(duì)其影響逐漸減小，而觀測(cè)方位角帶來的影響幾乎不變。在玉米V7—V14階段，觀測(cè)時(shí)刻、 觀測(cè)方位角和觀測(cè)天頂角對(duì)玉米冠層RVI和NDVI的影響程度大致相同。因此在獲取小麥冠層RVI和NDVI時(shí)應(yīng)根據(jù)冠層覆蓋度有所側(cè)重，即在返青至拔節(jié)期和抽穗至揚(yáng)花期應(yīng)分別注意觀測(cè)天頂角和觀測(cè)時(shí)刻對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。

表5 不同觀測(cè)條件對(duì)冠層光譜信息的影響權(quán)重WTable 5 Influence weight W of different observation conditions on canopy spectral information

3 結(jié) 論

對(duì)冬小麥返青期至灌漿期、 夏玉米V7—V14時(shí)期進(jìn)行了近地遙感觀測(cè)試驗(yàn)，分析了各觀測(cè)參數(shù)對(duì)作物冠層光譜反射率數(shù)據(jù)變化的影響程度。對(duì)于小麥和玉米的冠層RVI和NDVI，研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)： (1)觀測(cè)高度、 觀測(cè)頻率和移動(dòng)速度對(duì)數(shù)據(jù)的影響可忽略不計(jì)。(2)數(shù)據(jù)獲取主要取決于冠層覆蓋程度，且在相同LAI情況下數(shù)據(jù)也會(huì)因觀測(cè)時(shí)刻、 觀測(cè)方位角和觀測(cè)天頂角的差異而受到不同程度的影響。(3)應(yīng)盡量選擇在太陽天頂角較穩(wěn)定的12:00—14:00時(shí)段進(jìn)行觀測(cè)，并縮短觀測(cè)時(shí)長，此外還應(yīng)選擇固定的觀測(cè)方位角和觀測(cè)天頂角，注意陰影效應(yīng)與熱點(diǎn)效應(yīng)的影響。(4)小麥RVI和NDVI變異系數(shù)分別為15%～50%和2%～50%，玉米R(shí)VI和NDVI變異系數(shù)分別為10%～33%和18%～39%； (5)在小麥返青至拔節(jié)期和抽穗至揚(yáng)花期應(yīng)分別注意觀測(cè)天頂角和觀測(cè)時(shí)刻對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。本文研究結(jié)果可為小麥、 玉米不同生長階段的冠層光譜信息比對(duì)提供基準(zhǔn)，為快速獲取其高精度的冠層信息數(shù)據(jù)提供技術(shù)支撐。

致謝：美國農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)研究局可持續(xù)水管理研究所隋瑞秀老師從試驗(yàn)開展到文章內(nèi)容修改均傾注了很多心血，特此表示衷心感謝！