利用高光谱植被指数估测苹果树冠层叶绿素含量

上传者：郭迎
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上传时间：2015-04-26
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利用高光谱植被指数估测苹果树冠层叶绿素含量

第３第８期　　　　　　　　　　　　光谱学与光谱分析３卷，　

年２０１３８月　　　　　　　　　　　　ＳｅｃｔｒｏｓｃｏａｎｄＳｅｃｔｒａｌＡｎａｌｓｉｓ　　　　　　ｐｐｙｐｙ　Ｖｏｌ．３３，Ｎｏ．８，２２０３２２０６－ｐｐ

，Ａｕｕｓｔ２０１３　ｇ

潘　蓓，赵庚星＊，朱西存，刘海腾，梁　爽，田大德

山东农业大学资源与环境学院，土肥资源高效利用国家工程实验室，山东泰安　２７１０１８

摘　要　叶绿素含量是反映植物生长状况的重要参数。利用ＡＳＤＦｉｅｌｄＳｅｃ３光谱仪，测定春梢停止生长期　　ｐ苹果冠层高光谱反射率，对原始光谱进行微分变换，与苹果叶绿素含量进行相关分析确定敏感波段，通过分４００～１３５０ｎｍ范围内所有两波段组合的植被指数，选择最佳植被指数并建立苹果冠层叶绿素　）苹果冠层叶绿素含量的敏感波段区域为４利用筛选得到的含量估测模型。结果表明：（１００～１３５０ｎｍ。（２）　

（／（／植被指数Ｃ。（以Ｃ指数为ＣＩＤ７Ｄ７３）ＣＩＤ７Ｄ７９４６３）９４６３）

３２

自变量的估测模型ＣＣＣ＝６．４０９＋１．８９Ｒ＋１．５８７Ｒ－７．７７９Ｒ预测效果最佳。因此，利用高光谱技术能够较

快速、精确的对苹果冠层叶绿素含量进行定量化反演，为苹果长势的遥感监测提供理论依据。关键词　苹果；冠层光谱；叶绿素含量；植被指数；估测模型

：／（）中图分类号：．ｉｓｓｎ．１０００Ｓ６６３　　文献标识码：Ａ　　　ＤＯＩ１０．３９６４０５９３２０１３０８２２０３０４－－－ｊ

引　言

　　叶绿素含量是植物生长中的重要参数，叶片叶绿素含量

（，Ｌ反映单株植物的生长状况，ｌｅａｆｃｈｌｏｒｏｈｌｌｃｏｎｔｅｎｔＣＣ）　　ｐｙ，而冠层叶绿素含量（可有效ｃａｎｏｃｈｌｏｒｏｈｌｌｃｏｎｔｅｎｔＣＣＣ）　ｐｙｐｙ　

１］

。研究发现，高光谱遥感技术在冠层地表征作物群体特征［

层次上能够反演植被叶绿素含量，通过快速有效地估测作物冠层叶绿素含量，可进而对作物营养状况及长势进行监测。

目前，国内外学者利用高光谱技术估测植被叶绿素含量

［］

进行了较深入的研究。Ｇｉｔｅｌｓｏｎ２选择玉米和大豆为研究对

１　实验部分

１．１　样品

选择山东省苹果主产区之一蒙阴县，采集时间为２０１２年６月２２日，为苹果叶片营养相对稳定的春梢停止生长期，

４］

。共选取苹果根据研究区果园分布，在园内选择观测样点［

树样本７０棵。１．２　冠层光谱测量

选用美国ＡＳＤ公司ＦｉｅｌｄＳｅｃ３光谱仪，波段值为３５０　　ｐ５００ｎｍ。实验选择在天气晴朗无云或少云时进行，测量～２　

时间为１０：００—１５：００，测量前进行标准白板校正。选择具有代表性的样本点，采用长度为５ｍ的外加光纤观测冠层光

４］

，每个样本记录５谱，观测时确保整个冠层在探测范围内［

象，利用冠层反射率的倒数建立了冠层叶绿素含量的估测模

［３］

型。Ｄａｕｈｔｒｇｙ等利用玉米叶片和冠层的高光谱数据对叶绿

素含量进行了估测研究。

纵观国内外的研究报道，对植被叶绿素含量的高光谱研究大多集中在大豆、小麦、水稻、玉米等大田作物，对苹果等果树的研究报道较为少见。本工作以泰沂山区苹果树为研究对象，利用光谱仪获取春梢停止生长期的苹果冠层高光谱数据，通过构建高光谱植被指数综合分析苹果树冠层反射高光谱与叶绿素含量的关系，确立最佳估测模型，为今后利用星载高光谱传感器反演苹果树叶绿素信息提供科学依据。

个光谱，以其平均值作为该样本的光谱反射率。

１．３　冠层叶绿素含量测定

在光谱测定的同时，采用ＣＩ１１０植物冠层分析仪测算－苹果叶面积指数，并在测定的苹果树冠层外围各取４～６片健康叶片，装入保鲜袋、封口、编号，置于保鲜箱带回实验室进行室内化验分析。将新鲜的苹果叶片剪成细丝，避开叶，用９脉，混匀后称取０．２ｇ５％乙醇提取叶绿素，对提取液用叶绿素ＵＶ７６２紫外可见分光光度计比色，分别测定６６５ｎｍ（

，修订日期：２０１２１２２９２０１３０３０５－－－－　收稿日期：

），山东省自主创新专项项目（）），山东农和国家自然科学基金项目（２０１０３７０２１１００１０２０１２ＣＸ９０２０２４１２７１３６９　基金项目：高校博士点基金项目（

）业大学青年科技创新基金项目（资助２３７３１

：＿１９９０年生，山东农业大学资源与环境学院硕士研究生　　ｅａｉｌｂｌａｎｄ６３．ｃｏｍ　作者简介：潘　蓓，女，－ｍ＠１ｐ

：ａｉｌｚｈａｏｘ＠ｓｄａｕ．ｅｄｕ．ｃｎ＊通讯联系人　　ｅ－ｍｇ

２２０４

光谱学与光谱分析　　　　　　　　　　　　　　　　　　　第３３卷

（）。可以看出，苹果叶绿素含量与冠层光谱之间具有明图１

显的相关性，随着叶绿素含量的提高，苹果冠层光谱反射率呈递增趋势；不同叶绿素含量水平的苹果冠层光谱反射率在各个波段有明显差别，其中以４２０～６８０ｎｍ附近的可见光反

高台阶”处最为明显。射峰和７４０～１３００ｎｍ“　２．２　冠层叶绿素含量与光谱特征之间的相关分析

（））图２和（是利用建模的５ａｂ０个样本分别建立的苹果冠层叶绿素含量与冠层原始光谱、一阶微分的相关曲线。从（）中可以看出，除在１图２ａ９５０ｎｍ水分吸收带附近与冠层　叶绿素含量成负相关外，在可见光和近红外波段，冠层叶绿素含量与苹果冠层原始光谱反射率均呈显著正相关。在波段４００～５９０和７１０～１１００ｎｍ内，苹果冠层原始光谱反射率与　

冠层叶绿素含量之间具有较高的相关系数，相关系数达到（）可以看出，苹果冠层叶绿素含量与５０．６以上。从图２ｂ００

（）１

３０和７００～７５５ｎｍ波段的一阶微分光谱呈极显著正相关～５

（），与５．００１６０～５９０，１１２０～１１５０和１２６０～１３５０ｎｍ　　　　ｐ＜０

。相比原始波段的一阶微分光谱呈极显著负相关（．００１）ｐ＜０光谱，微分光谱与冠层叶绿素含量的相关性更为显著。综合分析冠层光谱特征、原始光谱相关性和微分光谱相关性，确定４００～１３５０ｎｍ波段是苹果冠层叶绿素含量的敏感区域。　

、、叶绿素ｂ最大吸收峰）类胡最大吸收峰）６４９ｎｍ（４７０ｎｍ（

６］

的光密度值，按照公式［计算出苹果叶萝卜素最大吸收峰）片叶绿素含量。

，计算获得苹果冠层叶绿素根据公式ＣＣＣ＝ＬＣＣ×ＬＡＩ含量。１．４　数据处理

在数据分析前，利用光谱仪自带处理软件ＶｉｅｗＳｅｃ　ｐ

Ｐｒｏ６．０将采集的苹果冠层原始光谱数据进行预处理

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剔　

误差较大的３５０～４００，３６０～１５６０，１８００～１９５０和２３０　　　　　５００ｎｍ波段，剔除后共有１５５０个波段数据。～２　　

研究表明，微分技术能够降低或基本消除土壤等背景对

５］

。本研究利用微分技术处理苹果冠层光冠层光谱的影响［

谱，由于光谱仪采集的是离散光谱，因此光谱数据的一阶微分的计算公式为

ＲＲｉ１Ｒｉ１ｉ１Ｒｉ１＋－＋－

Ｄ＝＝

２＋λλλλΔλｉ１－ｉｉ－ｉ１＋－

式中，是波段ｉ处的一阶微分，λｉ是波长。１．５　模型构建

在７０组样本中，随机选取５０组用于建模，分别将原始光谱和微分光谱构建的植被指数与苹果冠层叶绿素含量进行相关分析，确定与冠层叶绿素含量相关性较高的植被指数，优选出表现最好的光谱指数，建立苹果冠层叶绿素含量的估测模型。然后利用其余的２０组对模型精度进行检验，通过相）、均方根误差（关系数（和相对误差（进行评ｒＲＭＳＥ）ＲＥ％）价，并绘制估测值与预测值之间１∶１关系图。

２　结果与讨论

２．１　不同叶绿素含量水平的苹果冠层反射率光谱特征

把７０个样本的光谱数据按叶绿素含量大小分为６组：．０，３．０～４．０，４．０～５．０，．０～６，６．０～７．０和７．０，＜３

利用公式

珚＝ＲＲｉ

∑ｎｉ＝１

ｎ

（）２

珚为ｎ个样本的平均光谱反射率，式中，Ｒｎ为样本个数，Ｒｉ

４］

，是第ｉ个样本的光谱反射率，分别对每组数据求平均值［

得到不同叶绿素含量水平的苹果冠层反射光谱变化曲线