麦类作物学报 2006,26(2):103～108Jou rnal of T riticeae C rop s不同施氮条件下小麦冠层的高光谱和多光谱反射特征Ξ李映雪,朱艳,曹卫星(南京农业大学 江苏省信息农业高技术研究重点实验室,农业部作物生长调控重点开放实验室,南京210095)摘 要:为了更好地利用冠层反射光谱特征监测小麦生长及氮素营养状况,以宁麦9号、淮麦20、徐麦26和扬麦10号四个小麦品种为材料,通过田间小区试验,研究了不同小麦品种在不同生育时期和不同氮素水平下冠层反射光谱的变化规律。
结果表明,相同氮素水平下不同小麦品种冠层反射光谱的反射率有差异,且近红外部分差异较明显。
小麦从拔节开始,随生育期的推进,冠层反射光谱在可见光波段的反射率先降低然后升高,以孕穗期反射率最低,随着叶片的逐渐变黄,反射率又增大,并且绿光波段的反射峰也逐渐消失。
而近红外区反射率则表现出相反的趋势,以开花期为分界,先上升然后下降,直到成熟前降为最低。
随着施氮水平的提高,冠层反射光谱在近红外反射平台(750～1300nm)的反射率呈上升趋势,而可见光部分反射率则下降,并且反射光谱的绿峰和红边位置也随着施氮水平的提高分别向蓝光方向(波长变短)和红光方向(波长变长)移动。
关键词:小麦;施氮;高光谱;多光谱;冠层反射特征中图分类号:S512.1;S311 文献标识码:A 文章编号:100921041(2006)022*******Character iz i ng Canopy Hyperspectra l and M ultispectra l Ref lectance under D ifferen t N-appl ica tion Cond ition s i n W hea tL IY i ng-xue,ZHU Yan,CAO W e i-x i ng(H i2T ech Key L abo rato ry of Info rm ati on A griculture of J iangsu P rovince Key L abo rato ry of C rop Grow th R egulati on,M inistry of A griculture,N anjing A gricultural U niversity,N anjing,J iangsu210095,Ch ina)Abstract:T he change of canop y sp ectral reflectance under differen t cu ltivars,differen t grow th stages and varied n itrogen rates w ere investigated by characterizing canop y m u ltisp ectral and hyp ersp ectral reflectance in w heat.T he resu lts show ed that the canop y reflectance differed w ith cu ltivars,w ith sign ifican t change at near infrared bands.R eflectance at visib le ligh t in itially decreased and then increased w ith grow th p rogress after j o in ting,w ith the low est value app eared at boo ting.R eflectance increased and reflectance p eak also disapp eared gradually in cou rse of leaf yellow ing.How ever, reflectance in near infrared had oppo site trend,w h ich in itially increased and then decreased to the low est from an thesis to m atu rity.R eflectance at near infrared reflected flat(750～1300nm)increased w ith increasing n itrogen supp ly,w hereas reflectance at visib le band decreased,and green p eak and red edge po siti on of canop y reflectance sp ectra also m oved to directi on of b lue ligh t(sho rt w avelength) and red ligh t(long w avelength),resp ectively.T hese resu lts p rovide background info rm ati on fo r m on ito ring of grow th characters and n itrogen statu s w ith canop y reflectance sp ectra in w heat.Key words:W heat;N itrogen app licati on;M u ltisp ectra;H yp ersp ectra;Canop y reflectance 随着高分辨率遥感技术研究的深入,利用弱光谱差异对地物特征进行定量分析的研究得以广泛开展[1]。
许多学者试图通过冠层反射光谱的差异分析来判别作物种类和栽培条件。
杨长明[2]等研究表明,不同株型水稻品种群体冠层对太阳光谱辐射的反射率存在明显差异,尤其以蓝光区Ξ收稿日期:2005208201 修回日期:2005210220基金项目:国家自然科学基金项目(30400278);江苏省自然科学基金项目(BK2003079,BK2005212);江苏省高校博士点基金项目(20030307017)。
作者简介:李映雪(1975-),女,讲师,主要从事信息生态学和作物遥感监测研究。
通讯作者:朱艳(1976-),女,副教授,主要从事作物模拟与信息技术研究。
(400～510nm)差异最为显著。
周学秋和朱雨杰[3,4]依据不同生育阶段和不同灌溉条件下小麦冠层反射光谱特征,找出最能有效区分生育阶段和灌溉条件的波段,并利用模糊聚类的方法加以区分。
薛利红[5]等认为通过光谱分析可以识别不同栽培措施和生长状况下的水稻群体。
另外,有关氮素缺乏条件下作物反射光谱的研究也较多。
T hom as[6]等研究了7种植物(甜瓜、玉米、黄瓜、莴苣、高粱、棉花、烟草)在不同氮素营养水平下的叶片光谱特性,发现所有植物在缺氮时可见光波段的反射率增加,但不同植物反射率增加程度不一。
Sh ibayam a[7]等研究表明,缺氮和正常营养条件下的水稻叶片光谱特征显著不同,并且认为叶绿素是导致光谱特征差异的主要内在因素。
程一松[8～10]等提取与分析了氮素胁迫下的冬小麦高光谱特征。
以上研究主要侧重于作物种类或栽培条件的光谱识别,以及逆境条件下作物反射光谱的变化。
但关于冬小麦冠层宽波段和窄波段光谱在不同条件下的反射特征,则鲜有报道。
笔者利用系统的小麦田间试验研究了不同类型小麦品种在不同生育时期和不同施氮水平下冠层反射光谱的变化规律,旨在为进一步利用冠层反射光谱特征监测小麦生长及氮素营养状况提供基础信息与技术依据。
1 材料与方法1.1 材料与试验设计试验于2003～2004年在江苏省农业科学院试验站进行。
前茬水稻田,供试土壤为黄黏土,有机质0.96%,全氮0.10%,速效磷40.29m g・kg-1,速效钾102.78m g・kg-1。
供试小麦品种为宁麦9号、淮麦20、徐麦26和扬麦10。
设5个施氮水平,分别为0、75、150、225和300kg・hm-2纯氮。
氮肥中基肥占60%,拔节肥和孕穗肥各占20%。
配施P2O5150kg・hm-2和K2O112.5kg・hm-2,全部用作基肥。
小区面积为16m2,基本苗为1.8×106・hm-2,行距25c m。
两因素随机区组排列,3次重复。
其他管理措施同高产大田栽培。
1.2 冠层光谱测定小麦拔节、孕穗、开花及花后每隔7d左右,采用美国C rop scan公司生产的M SR216型便携式光谱辐射仪和A SD公司生产的F ieldsp ec P ro FR 光谱仪测定不同处理各小区的冠层光谱反射率。
216型光谱仪视场角为31.1°,波段范围为452～1650nm,设16个波段,其中可见光波段为460、510、560、610、680、710nm;近红外为760、810、870、950、1100、1220、1480、1500、1650 nm。
F ieldsp ec P ro FR光谱仪视场角为25°,测量范围为350～2500nm区间内间隔为1nm的连续波段。
光谱测量选择在晴朗无云或少云的天气进行,测量时间为10∶00～14∶00(太阳高度角大于45°)。
测量时探头垂直向下,距冠层垂直高度1m。
每次采集目标光谱前后都进行参考板校正。
每小区重复测量5次,取平均值作为该小区的光谱测量值。
2 结果与分析2.1 不同小麦品种冠层反射光谱的差异由图1可以看出,无论是高光谱还是多光谱反射率,在不同小麦品种间都存在差异,但是反射光谱曲线的走势基本一致,只是反射率值的大小不同,并且近红外部分差异较明显。
在可见光部分,除宁麦9号高光谱反射率明显偏低外,其它3个品种的反射率差别很小。
而近红外高光谱反射率按照淮麦20、徐麦26、宁麦9号和扬麦10的顺序依次增大(图1A)。
不同品种冠层多光谱反射率也表现出相同的趋势,可见光反射率几乎没有差别,在近红外光区各品种反射率值高低的顺序同高光谱(图1B)。
品种间冠层反射率的差异可能是株型和株高不同造成的。
2.2 小麦冠层反射光谱随生育期的变化规律2.2.1 冠层高光谱反射率随生育期的变化虽然4个小麦品种的田间长势有所不同,但它们的冠层高光谱反射率随生育期的变化规律相同。
因为徐麦26穗部无芒且叶色偏黄,扬麦10株高高于其它品种,淮麦20群体不够整齐,所以采用宁麦9号为例来分析冠层高光谱反射率随生育期的变化规律。
从图2可以看出,在不同生育时期小麦冠层高光谱反射率存在差异,近红外区的差异大于可见光部分。