河南省冬小麥冠層光譜的環境影響因子分析

吳國璽++申懷飛++張鵬飛

摘要：以河南省許昌市冬小麥為研究對象，選取許昌市東城區北郊麥田，采集冬小麥光譜數據。利用光譜儀后處理軟件ASD View Spec Pro對采集的光譜數據以DAT的格式導出并在Microsoft Office Excel 2003中生成曲線，剔除其中無效數據，通過對地物多條光譜數據求平均，對實測波譜數據歸類，計算冬小麥冠層歸一化植被指數，得到冬小麥冠層光譜特征曲線，利用冬小麥冠層光譜特征曲線分析河南省冬小麥冠層光譜的環境影響因子。結果表明，隨著太陽高度角的增加冬小麥冠層光譜的反射率增加，太陽光接近直射時小麥冠層所接受到的太陽輻射量最大；冬小麥種植密度、滯塵量等因素對冬小麥冠層光譜曲線均有影響。

關鍵詞：冬小麥；冠層光譜曲線；環境因子；河南省

中圖分類號：S512.1+1；TP79 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2014）02-0268-04

Environmental Impact Factors of Winter Wheat Canopy Reflectance in Henan Province

WU Guo-xi，SHEN Huai-fei，ZHANG Peng-fei

（School of Urban & Rural Planning and Landscape Architecture， Xuchang University， Xuchang 461000，Henan，China）

Abstract： The winter wheat spectral data of portable spectroradiometer made by ASD company in the Dong-cheng district of Xuchang city was collected. ASD View Spec Pro software and Microsoft Office Excel were used to process data. The average of the surface features multi-spectral data was classified. The winter wheat canopy Normalized Difference Vegetation Index was calculated. The winter canopy spectral characteristic curves in different times and different conditions were made. By comparatively analysing the curves of the winter wheat canopy， the environmental factors of winter wheat canopy reflectance at growing period in henan province were analyzed. The results showed that when the sun elevation angle increased， the wheat spectral reflectance increased. When the sunlight is direct on the wheat， the received radiation is the biggest. The wheat plating density and dust in the air had great impact on the winter canopy spectral curves.

Key words： winter wheat； spectral curves of the canopy； environmental factors； Henan province

20世紀80年代，國外開展了對植被冠層的二向性反射特性研究，觀測了多種農作物、草地及森林冠層的雙向反射分布函數（Bidirectional reflection distribution function，BRDF），發現了多角度反射率的“熱點效應”和鏡面反射等典型特征[1]。此后，中國也開展了對冬小麥冠層的光譜分析。張雪紅等[2，3]于2006年初步分析了冬小麥冠層反射率光譜及紅邊參數特征，發現存在較強的各向異性特征；2010年又通過采用各向異性因子和各向異性指數定量分析了冬小麥冠層窄波段二向性反射率及NDVI的方向性特征。趙春江等[4]用多角度光譜信息反演冬小麥葉綠素含量的垂直分布。袁慧等[5]分析了不同發育階段、播種壟向及土壤背景對冠層光譜反射的影響。王靜等[6]研究了甘肅省慶陽市西峰區冬小麥主要生育期冠層反射光譜與反映長勢的指標覆蓋度及葉面積指數間的關系。宋曉宇等[7]利用遙感影像數據對冬小麥長勢空間變異進行了研究。馮偉等[8]利用高光譜遙感對小麥冠層葉片色素密度進行監測，研究了小麥葉片色素密度與冠層高光譜參數的定量關系。以上文獻多數是對冬小麥某一生長階段不同生長條件下光譜反射率、光譜動態變化及紅邊參數特征的研究，對不同發育階段、播種壟向及土壤背景與冠層光譜反射關系的探討；且大多以研究小麥光譜特征為手段，以研究其理化特性為目的，或者用多角度光譜信息反演冬小麥葉綠素含量垂直分布。而對隨著太陽高度角的增加小麥冠層光譜的反射率狀況，冬小麥種植密度、滯塵量等因素對冬小麥冠層光譜影響的研究較少。因此，本研究以河南省許昌市東城區為例，通過采集有效光譜數據，并對這些光譜數據進行分析，以探討外界因素對小麥冠層光譜的影響，對保證河南省冬小麥正常生長有著重要的意義。

1 研究區概況

2 數據來源及處理

2.1 冬小麥光譜數據的獲取

2.2 光譜數據的預處理

利用光譜儀后處理軟件ASD View Spec Pro對采集的光譜數據以DAT的格式導出并在Microsoft Office Excel 2003中生成曲線，剔除其中無效數據，對地物多條光譜數據求平均值，對實測波譜數據歸類合并，最后計算出冬小麥冠層的歸一化植被指數。從每次采集的15個數據中篩選3個作為樣本數據，對樣本光譜數據求均值，所得曲線即為冬小麥冠層光譜曲線。利用預處理后的冬小麥冠層光譜特征數據比較同一生長期同一因素不同情況下冬小麥冠層光譜曲線，找出單一因素（太陽高度角、樣地種植密度和冬小麥冠層滯塵量）對冬小麥冠層光譜曲線影響的相應波段。

3 各因素對冬小麥冠層光譜曲線的影響

3.1 太陽高度角對冬小麥冠層光譜曲線的影響

在1 d內對10個不同時間段的冬小麥冠層光譜進行采集并繪制光譜曲線圖，結果如圖3所示。從圖3可知，冬小麥冠層光譜曲線的大致趨勢為：從早上7：20隨著太陽高度角的增長，其各個波段的反射率均呈上升趨勢，在11：20太陽高度角最大時反射率達到最大，接著隨太陽高度角的減小，冬小麥各個波段的反射率呈下降趨勢。太陽高度角直接影響小麥光譜的反射率，當太陽越趨近于直射的時候，小麥冠層所接受到的太陽輻射量就越大，反射率就越大，由此可以得出在11：00左右采集小麥冠層光譜數據為最佳時段。

3.2 滯塵量對冬小麥冠層光譜曲線的影響

在距離公路5、10、20 m處選取A、B、C 3塊小麥田，分別采集11：20和12：20時的冬小麥冠層光譜數據，經過數據處理后，得到小麥冠層光譜曲線如圖4所示。距離公路遠近不同的3塊麥田的滯塵量不同，其冬小麥的冠層光譜曲線也不同，在排除操作誤差的影響下，在波峰處A地反射率始終為最大，而B、C兩地的區別較小，且均小于A地的反射率，未能將距公路距離即滯塵量作為單一變量分離出來，具體原因在于此3塊麥田的冬小麥冠層光譜還受到了灌溉、施肥等其他因素的影響，造成未能發現滯塵量對冬小麥冠層光譜的影響。

3.3 種植密度對冬小麥冠層光譜曲線的影響

4 結論

通過野外地物光譜儀對試驗區的冬小麥測量，獲得冬小麥的冠層光譜反射率，分析冬小麥生長期的光譜特征，并描繪出了冬小麥的冠層光譜曲線。將實測小麥的光譜數據進行了定性和定量的分析，總結出外界因素對于冬小麥光譜曲線的影響。

1）從早上7：20隨著太陽高度角的增大，冬小麥各個波段的反射率均呈上升趨勢，在11：20太陽高度角最大，反射率也達到最大，之后隨太陽高度角的減小，各個波段的反射率呈下降趨勢。

2）冬小麥冠層滯塵量和種植密度對冬小麥冠層光譜曲線均有影響，但是由于條件限制和外界因素影響，未能準確地發現這2種因素對于冬小麥冠層光譜曲線的影響特征。

在研究過程中，由于時間的限制而未能將冬小麥生長期的各個階段的光譜采集完整，造成部分數據缺失；另外在研究單一因素對冬小麥冠層光譜特征的影響時無法完全排除其他因素的影響，只能相對減少其他因素的影響，這些問題均可能會造成分析結果的誤差，尚需進一步研究。

參考文獻：

[1] ROSS J K， MARSHAK A L. Calculation of canopy bidirectional reflectance using the Monte Carlo method[J]. Remote Sending Environ，1988，24：213-225.

[2] 張雪紅，趙 峰，劉紹民，等.冬小麥紅邊參數各向異性特征分析[J].農業工程學報，2006，22（6）：7-11.

[3] 張雪紅，田慶久，沈潤平.冬小麥冠層光譜的方向性特征分析[J].光譜學與光譜分析，2010，30（6）：1600-1605.

[4] 趙春江，黃文江，王紀華，等.用多角度光譜信息反演冬小麥葉綠素含量垂直分布[J].農業工程學報，2006，22（6）：104-109.

[5] 袁 慧，李 爽，孔云峰.開封市郊冬小麥冠層反射光譜特征分析[J].地理空間信息，2009，7（4）：63-66.

[6] 王 靜，郭 鈮，王小平，等.半濕潤雨養農業區冬小麥冠層反射光譜與長勢的相關性分析[J].資源科學，2008，30（8）：1261-1267.

[7] 宋曉宇，王紀華，閻廣建，等.基于多時相航空高光譜遙感影像的冬小麥長勢空間變異研究[J].光譜學與光譜分析，2010，30（7）：1820-1824.

[8] 馮 偉，朱 艷，田永超，等.基于高光譜遙感的小麥冠層葉片色素密度監測[J].生態學報，2008，28（10）：4902-4911.

（責任編輯 呂海霞）

2.1 冬小麥光譜數據的獲取

2.2 光譜數據的預處理

利用光譜儀后處理軟件ASD View Spec Pro對采集的光譜數據以DAT的格式導出并在Microsoft Office Excel 2003中生成曲線，剔除其中無效數據，對地物多條光譜數據求平均值，對實測波譜數據歸類合并，最后計算出冬小麥冠層的歸一化植被指數。從每次采集的15個數據中篩選3個作為樣本數據，對樣本光譜數據求均值，所得曲線即為冬小麥冠層光譜曲線。利用預處理后的冬小麥冠層光譜特征數據比較同一生長期同一因素不同情況下冬小麥冠層光譜曲線，找出單一因素（太陽高度角、樣地種植密度和冬小麥冠層滯塵量）對冬小麥冠層光譜曲線影響的相應波段。

3 各因素對冬小麥冠層光譜曲線的影響

3.1 太陽高度角對冬小麥冠層光譜曲線的影響

在1 d內對10個不同時間段的冬小麥冠層光譜進行采集并繪制光譜曲線圖，結果如圖3所示。從圖3可知，冬小麥冠層光譜曲線的大致趨勢為：從早上7：20隨著太陽高度角的增長，其各個波段的反射率均呈上升趨勢，在11：20太陽高度角最大時反射率達到最大，接著隨太陽高度角的減小，冬小麥各個波段的反射率呈下降趨勢。太陽高度角直接影響小麥光譜的反射率，當太陽越趨近于直射的時候，小麥冠層所接受到的太陽輻射量就越大，反射率就越大，由此可以得出在11：00左右采集小麥冠層光譜數據為最佳時段。

3.2 滯塵量對冬小麥冠層光譜曲線的影響

在距離公路5、10、20 m處選取A、B、C 3塊小麥田，分別采集11：20和12：20時的冬小麥冠層光譜數據，經過數據處理后，得到小麥冠層光譜曲線如圖4所示。距離公路遠近不同的3塊麥田的滯塵量不同，其冬小麥的冠層光譜曲線也不同，在排除操作誤差的影響下，在波峰處A地反射率始終為最大，而B、C兩地的區別較小，且均小于A地的反射率，未能將距公路距離即滯塵量作為單一變量分離出來，具體原因在于此3塊麥田的冬小麥冠層光譜還受到了灌溉、施肥等其他因素的影響，造成未能發現滯塵量對冬小麥冠層光譜的影響。

3.3 種植密度對冬小麥冠層光譜曲線的影響

4 結論

通過野外地物光譜儀對試驗區的冬小麥測量，獲得冬小麥的冠層光譜反射率，分析冬小麥生長期的光譜特征，并描繪出了冬小麥的冠層光譜曲線。將實測小麥的光譜數據進行了定性和定量的分析，總結出外界因素對于冬小麥光譜曲線的影響。

1）從早上7：20隨著太陽高度角的增大，冬小麥各個波段的反射率均呈上升趨勢，在11：20太陽高度角最大，反射率也達到最大，之后隨太陽高度角的減小，各個波段的反射率呈下降趨勢。

2）冬小麥冠層滯塵量和種植密度對冬小麥冠層光譜曲線均有影響，但是由于條件限制和外界因素影響，未能準確地發現這2種因素對于冬小麥冠層光譜曲線的影響特征。

在研究過程中，由于時間的限制而未能將冬小麥生長期的各個階段的光譜采集完整，造成部分數據缺失；另外在研究單一因素對冬小麥冠層光譜特征的影響時無法完全排除其他因素的影響，只能相對減少其他因素的影響，這些問題均可能會造成分析結果的誤差，尚需進一步研究。

參考文獻：

[1] ROSS J K， MARSHAK A L. Calculation of canopy bidirectional reflectance using the Monte Carlo method[J]. Remote Sending Environ，1988，24：213-225.

[2] 張雪紅，趙 峰，劉紹民，等.冬小麥紅邊參數各向異性特征分析[J].農業工程學報，2006，22（6）：7-11.

[3] 張雪紅，田慶久，沈潤平.冬小麥冠層光譜的方向性特征分析[J].光譜學與光譜分析，2010，30（6）：1600-1605.

[4] 趙春江，黃文江，王紀華，等.用多角度光譜信息反演冬小麥葉綠素含量垂直分布[J].農業工程學報，2006，22（6）：104-109.

[5] 袁 慧，李 爽，孔云峰.開封市郊冬小麥冠層反射光譜特征分析[J].地理空間信息，2009，7（4）：63-66.

[6] 王 靜，郭 鈮，王小平，等.半濕潤雨養農業區冬小麥冠層反射光譜與長勢的相關性分析[J].資源科學，2008，30（8）：1261-1267.

[7] 宋曉宇，王紀華，閻廣建，等.基于多時相航空高光譜遙感影像的冬小麥長勢空間變異研究[J].光譜學與光譜分析，2010，30（7）：1820-1824.

[8] 馮 偉，朱 艷，田永超，等.基于高光譜遙感的小麥冠層葉片色素密度監測[J].生態學報，2008，28（10）：4902-4911.

（責任編輯 呂海霞）

2.1 冬小麥光譜數據的獲取

2.2 光譜數據的預處理

利用光譜儀后處理軟件ASD View Spec Pro對采集的光譜數據以DAT的格式導出并在Microsoft Office Excel 2003中生成曲線，剔除其中無效數據，對地物多條光譜數據求平均值，對實測波譜數據歸類合并，最后計算出冬小麥冠層的歸一化植被指數。從每次采集的15個數據中篩選3個作為樣本數據，對樣本光譜數據求均值，所得曲線即為冬小麥冠層光譜曲線。利用預處理后的冬小麥冠層光譜特征數據比較同一生長期同一因素不同情況下冬小麥冠層光譜曲線，找出單一因素（太陽高度角、樣地種植密度和冬小麥冠層滯塵量）對冬小麥冠層光譜曲線影響的相應波段。

3 各因素對冬小麥冠層光譜曲線的影響

3.1 太陽高度角對冬小麥冠層光譜曲線的影響

在1 d內對10個不同時間段的冬小麥冠層光譜進行采集并繪制光譜曲線圖，結果如圖3所示。從圖3可知，冬小麥冠層光譜曲線的大致趨勢為：從早上7：20隨著太陽高度角的增長，其各個波段的反射率均呈上升趨勢，在11：20太陽高度角最大時反射率達到最大，接著隨太陽高度角的減小，冬小麥各個波段的反射率呈下降趨勢。太陽高度角直接影響小麥光譜的反射率，當太陽越趨近于直射的時候，小麥冠層所接受到的太陽輻射量就越大，反射率就越大，由此可以得出在11：00左右采集小麥冠層光譜數據為最佳時段。

3.2 滯塵量對冬小麥冠層光譜曲線的影響

在距離公路5、10、20 m處選取A、B、C 3塊小麥田，分別采集11：20和12：20時的冬小麥冠層光譜數據，經過數據處理后，得到小麥冠層光譜曲線如圖4所示。距離公路遠近不同的3塊麥田的滯塵量不同，其冬小麥的冠層光譜曲線也不同，在排除操作誤差的影響下，在波峰處A地反射率始終為最大，而B、C兩地的區別較小，且均小于A地的反射率，未能將距公路距離即滯塵量作為單一變量分離出來，具體原因在于此3塊麥田的冬小麥冠層光譜還受到了灌溉、施肥等其他因素的影響，造成未能發現滯塵量對冬小麥冠層光譜的影響。

3.3 種植密度對冬小麥冠層光譜曲線的影響

4 結論

通過野外地物光譜儀對試驗區的冬小麥測量，獲得冬小麥的冠層光譜反射率，分析冬小麥生長期的光譜特征，并描繪出了冬小麥的冠層光譜曲線。將實測小麥的光譜數據進行了定性和定量的分析，總結出外界因素對于冬小麥光譜曲線的影響。

1）從早上7：20隨著太陽高度角的增大，冬小麥各個波段的反射率均呈上升趨勢，在11：20太陽高度角最大，反射率也達到最大，之后隨太陽高度角的減小，各個波段的反射率呈下降趨勢。

2）冬小麥冠層滯塵量和種植密度對冬小麥冠層光譜曲線均有影響，但是由于條件限制和外界因素影響，未能準確地發現這2種因素對于冬小麥冠層光譜曲線的影響特征。

在研究過程中，由于時間的限制而未能將冬小麥生長期的各個階段的光譜采集完整，造成部分數據缺失；另外在研究單一因素對冬小麥冠層光譜特征的影響時無法完全排除其他因素的影響，只能相對減少其他因素的影響，這些問題均可能會造成分析結果的誤差，尚需進一步研究。

參考文獻：

[1] ROSS J K， MARSHAK A L. Calculation of canopy bidirectional reflectance using the Monte Carlo method[J]. Remote Sending Environ，1988，24：213-225.

[2] 張雪紅，趙 峰，劉紹民，等.冬小麥紅邊參數各向異性特征分析[J].農業工程學報，2006，22（6）：7-11.

[3] 張雪紅，田慶久，沈潤平.冬小麥冠層光譜的方向性特征分析[J].光譜學與光譜分析，2010，30（6）：1600-1605.

[4] 趙春江，黃文江，王紀華，等.用多角度光譜信息反演冬小麥葉綠素含量垂直分布[J].農業工程學報，2006，22（6）：104-109.

[5] 袁 慧，李 爽，孔云峰.開封市郊冬小麥冠層反射光譜特征分析[J].地理空間信息，2009，7（4）：63-66.

[6] 王 靜，郭 鈮，王小平，等.半濕潤雨養農業區冬小麥冠層反射光譜與長勢的相關性分析[J].資源科學，2008，30（8）：1261-1267.

[7] 宋曉宇，王紀華，閻廣建，等.基于多時相航空高光譜遙感影像的冬小麥長勢空間變異研究[J].光譜學與光譜分析，2010，30（7）：1820-1824.

[8] 馮 偉，朱 艷，田永超，等.基于高光譜遙感的小麥冠層葉片色素密度監測[J].生態學報，2008，28（10）：4902-4911.

（責任編輯 呂海霞）