高光谱相机用于水稻、玉米、棉花的红边特征比较

高光谱相机用于水稻、玉米、棉花的红边特征比较研究

本研究应用了400-1000nm的高光谱相机，可采用广东赛斯拜克科技有限公司产品SP130M进行相关研究。光谱范围在400-1000nm，波长分辨率优于2.5nm，可达1200个光谱通道。采集速度全谱段可达128FPS，波段选择后最高3300Hz（支持多区域波段选择）。

本研究测定了水稻,玉米,棉花3种作物共6个品种的冠层和主茎叶片不同生育期高光谱反射率及其对应叶片中叶绿素,类胡萝卜素含量,分析了它们的高光谱及其红边特征和红边参数与叶面积指数,地上生物量,鲜叶重及叶片色素含量的相关性.结果表明:(1)3种怍物冠层高光谱反射率大小与其生育期有关.冠层和叶片光谱反射率最大值比较结果是,冠层光谱:棉花>玉米>水稻;叶片光谱:水稻>棉花>玉米.(2)3种作物冠层光谱的红边都具有"双峰"现象.红边幅值Dλ,和红边面积Sr均呈增大,减少的变化规律,但红边位置λr的变化范围和变化规律不同;冠层红边参数λr,Dλr,Sr与其叶面积指数和鲜叶重之间都呈极显著相关,但与地上鲜生物量和地土干生物量相关性有差异;叶片叶绿素a,叶绿素b,总叶绿素及类胡萝卜素含量与其光谱红边位置λr之间都呈极显著相关,但与红边参数Dλr,Sr的相关性有差异.

光谱测定

(1)冠层光谱 选择晴朗无云无风天气，于当天10:00～14:00,分别在七叶期、拔节期、开花期、乳穗期测定其冠层光谱反射率。测量时，传感器探头向下，距冠层顶垂直高度约0.70～1.00m(拔

节前为0.70m,拔节后为1.00m)。每个小区内选取长相适中的植株5株，光谱采样以10个光谱为一采样光谱，每次记录10个光谱，以其平均值作为该小区的光谱反射值，测量时及时进行标准白板校正(标准白

板反射率为1,这样所测得的目标物光谱反射率是无量纲和单位的相对反射率)。

冠层光谱数据测定后，对应测冠层光谱的位置取样测定玉米植株的生物物理参数。采样后按器官分离，测鲜生物量，然后置于105℃烘箱中杀青0.5h,以70℃恒温烘干，当两次测重(相隔1h)相差≤%时，测干生物量。叶面积指数采用扫描与长宽法结合测量(由扫描确定所乘系数)。

(2)叶片光谱  定期从各小区选取长相适中的植株5株，取样测完全展开倒一叶(以剥开下层叶叶鞘后可见叶耳及叶鞘的叶片中最上面一片叶为完全展开倒一叶)和倒三叶(按倒一叶往下类推)的光谱，用生化方法测叶片叶绿素和类胡萝卜素含量。测叶片光谱时，样品置于反射率近似为零的黑色橡胶上，光谱仪视场角为8°,探头垂直向下，距样品表面距离0.10m;光源用光谱仪所带的50W卤化灯，光源距样品表面距

离0.45m,方位角70°。光谱仪、控制计算机和室内光源连接在UPS上，每次数据采集前都进行标准白板校正，光谱采样以10个光谱为一采样光谱，每次记录10个光谱，然后求平均。

1.2.3叶绿素、类胡萝卜素测量 对应测光谱的叶片，剪取包含测光谱的叶片中部0.200g成细丝(或细粒),叶片加混合提取液(丙酮、无水乙醇、蒸馏水的质量比为4.54.51)100mL,于室温下遮光静置至样品完全发白，对提取液用BECKMAN DU-600比色，分别测定663nm(叶绿素a吸收峰)、645nm(叶绿素b吸收峰)和440nm的OD值，然后按下面公式计算叶绿素和类胡萝卜素含量12]。

Chla(mg/L)=9.7840D₃-0.9900Ds,Chlb(mg/L)=21.4260Ds-4.6500D₃Ch1(mg/L)=5.1340Da+20.436ODss,Car(mg/L)=4.695OD₀-0.268(Chla+Chlb)Chl(Car)(mg/g)=[浓度(mg/L)X提取液体积(mL)J/[质量(g)×1000]

数据处理与分析

冠层和叶片光谱

从图1可见，随发育期推移，玉米冠层光谱反射率在可见光范围内降低，在近红外区域增高，到开花期时两者差异最大；开花以后，在可见光和近红外范围内反射率均降低。这是因为近红外反射率主要取决于生物量、叶面积指数和冠层结构，可见光反射率主要取决于冠层叶绿素含量和盖度。

从图2可见，随发育期推移，Y2的冠层反射率变化比YI快，其近红外反射率最大值要明显高于Y1,同时，在拔节期Y2完全展开倒一叶叶片的光谱反射率也有异于Y1,产生此种现象的原因可能是Y2的生育期比Y1短，其生物量、叶面积指数的增加和减小都比YI快，Y2叶片的节间距较Y1短，叶倾角较Yl小，这使得叶片反光面积增加和光在叶片的散射减弱；Y2叶片比YI叶片略厚，同时叶色较深，这样Y2叶片对近红外光的二次散射和对可见光的吸收加强。

冠层和叶片光谱的红边参数

植被光谱的红边参数主要有：(1)红边位置λea:红光范围(680～760nm)内一阶导数光谱最大值所对

应的波长(单位：nm);(2)红边幅值(又称红边斜率)Ded:红光范围(680～760nm)内一阶导数光谱的最大值(单位：nm°¹);(3)红边峰值面积(简称红边面积)Sed:680～760nm之间的一阶导数光谱所包围的面积R+1-R。(无量纲和单位)。本文一阶导数采用差分计算，DA=。有人认为有两个因素决定着红边位A₄1-A.1

置和红边斜率：一个是叶绿素含量，它能引起700mm附近的光谱变化；另一个是作物对近红外波段的散射特性，它由冠层结构和叶片结构等因素决定。

从图3可见，玉米冠层光谱的红边具有“双峰”现象，这跟大多数绿色植物的红边相似。在生长早期，由于冠层叶面积指数较小，受土壤背景的影响，冠层光谱的“双峰”现象并不明显，随着发育期推移，生物量增加、叶面积指数增大，土壤背景对冠层光谱的影响减小，“双峰”现象愈来愈明显，到开花期时达到最大，以后随着玉米成熟，下部叶片开始变黄、脱落，“双峰”现象逐渐减弱。

从图4可见，试验的两个品种玉米冠层反射光谱的红边位置在整个生育期内处于710～740mm之间。在试验期间，随发育期推移，红边位置一直呈“红移”现象，而红边幅值和红边面积在拔节前呈“红移”现象，到开花期时达到最大，开花后逐渐减小，呈“蓝移”现象。另外，Y2的红边幅值和红边面积随栽种时间的变

化要快于Y1,这可能是Y2的生育期比YI短的缘故。

红边参数与LAI地上生物量和叶鲜重的相关性

分别计算红边参数Aed、Dd、Srd与叶面积指数LAI、地上鲜生物量AFM、地上干生物量ADM和鲜叶重HM之间的相关系数，结果见表1。从表1可见，3个红边参数与LAI、AFM、ADM和FM之间有很好的

相关性，都达到了0.01的极显著水平，因此，可以用玉米冠层反射光谱的红边参数Aed、Dd、Srd来估算其叶面积指数、地上生物量和鲜叶重，估算回归方程如表2所示。另外，从表1还可知，玉米冠层反射光谱3个红边参数彼此之间也存在极显著相关。

红边参数与叶绿素、类胡萝卜素的相关性

分别计算完全展开倒一、三叶反射光谱红边参数Aed、Ded、Sred与叶片叶绿素、类胡萝卜素含量之间的相关系数，结果见表3。从表3可见，红边参数Aed、Ded与叶片叶绿素a、叶绿素b、总叶绿素及类胡萝卜素含量之间有很好的相关性，都达到了0.01的极显著水平，而Sred与叶绿素、类胡萝卜素含量的相关性不明显。因此，可以用叶片反射光谱的红边参数Aed、Dd来估算其叶绿素、类胡萝卜素含量，估算回归方程如表4所示。

 结论

通过上述实验与分析，可以得到以下结论：

随发育期推移，玉米冠层光谱反射率在可见光范围内降低，在近红外区域增高，到开花期时两者差异最大；开花以后，在可见光和近红外范围内反射率均降低。生育期越长，冠层光谱随时间变化越慢。

玉米冠层光谱的红边具有“双峰”现象，其现象随发育期推移愈趋明显，到开花期时达到最大，此后，“双峰”现象逐渐减弱。

冠层反射光谱的红边位置在整个生育期内处于710～740nm之间。随发育期推移，红边位置呈“红移”现象，而红边幅值和红边面积在拔节前呈"红移”现象，到开花期时达到最大，开花后逐渐减小，呈“蓝移”现象。

玉米冠层反射光谱红边参数Aed、Ded、Srd与叶面积指数、地上鲜生物量、地上干生物量和鲜叶重之间存在极显著相关，完全展开倒一叶叶绿素a、叶绿素b、总叶绿素及类胡萝卜素含量与其反射光谱的红边参数λed、Dd、Sred也极显著相关，这说明可以用光谱红边参数Aed、Dred、Srd来估算叶面积指数、地上生物量、鲜叶重、叶片的叶绿素(叶绿素a、叶绿素b、总叶绿素)和类胡萝卜素含量。

高光谱相机用于水稻、玉米、棉花的红边特征比较

对于水稻来说，高光谱相机能够精确地测量其红边特征。水稻的红边特征通常出现在可见光的波长范围内，大约在700纳米左右。通过高光谱相机，我们可以观察到水稻在这个波长范围内的反射率变化，从而判断水稻的生长状况和营养状况。例如，如果水稻的反射率增加，说明其生长状况良好，反之则可能存在某些生长问题。

对于玉米来说，其红边特征同样出现在可见光的波长范围内，但是与水稻不同，它的红边特征可能会提前一些，大约在720纳米左右。通过高光谱相机，我们可以观察到玉米在这个波长范围内的反射率变化，从而判断玉米的生长状况和营养状况。与水稻类似，如果玉米的反射率增加，说明其生长状况良好，反之则可能存在某些生长问题。

对于棉花来说，其红边特征同样出现在可见光的波长范围内，但是与水稻和玉米不同，它的红边特征可能会略微偏后一些，大约在750纳米左右。通过高光谱相机，我们可以观察到棉花在这个波长范围内的反射率变化，从而判断棉花的生长状况和营养状况。与水稻和玉米类似，如果棉花的反射率增加，说明其生长状况良好，反之则可能存在某些生长问题。

通过对水稻、玉米和棉花三种作物的红边特征进行比较分析，我们可以发现它们在可见光波长范围内的红边特征存在一定的差异。这种差异可能与不同作物的生长特性、叶绿素含量以及营养状况等因素有关。高光谱相机还可以对每个光谱的反射率进行精确测量，从而提供更加详细和准确的信息，有助于我们更好地理解作物的生长规律和营养需求。