主動遙感光譜儀在滴灌棉花上的應用

司福四，任秋菊

（兵團第八師一四二團，新疆 石河子 832003）

主動遙感光譜儀在滴灌棉花上的應用

司福四，任秋菊

（兵團第八師一四二團，新疆 石河子 832003）

本文利用主動遙感光譜儀GreenSeeker監測滴灌棉花的生長情況，從不同氮營養條件下NDVI隨生育期的動態變化、各生育時期的不同氮營養NDVI值動態變化進行了全面分析。試驗結果表明，不同氮營養條件下，NDVI值變化呈“低-高-低”變化趨勢，在棉花出苗后 100 d出現最大值，總體上高氮處理條件下NDVI值高于低氮處理的NDVI值；棉花盛鈴期冠層NDVI值最大，盛蕾期最小，花期和初絮期NDVI值相差不明顯。在棉花各生育，隨著施氮量的增加，冠層NDVI值呈逐漸增加趨勢。表明使用主動遙感光譜儀獲得的NDVI值能夠真實反映作物的生長狀況，有利于提高棉花的田間精準管理。

棉花，GreenSeeker，NDVI，氮素

主動遙感指從遙感臺上的人工輻射源向目標物發射一定形式的電磁波，再由傳感器接收和記錄其反射波的遙感系統。它是一種新興研究方法，采用自身光源，不依賴太陽輻射，且不受太陽高度角及云層等干擾，可以晝夜工作，而且可以根據探測目的的不同，主動選擇電磁波的波長和發射方式。目前研究比較多的主動遙感光譜有GreenSeeker主動遙感光譜儀和MSII-16型多光譜便攜式福射計，由于此類儀器操作方便、獲取數據便捷、靈活性強、環境干擾小、成本低等，被廣泛應用在作物生長監測、氮素營養診斷、產量估測和追肥推薦上[1-3]。

20世紀末，美國俄克拉荷馬州州立大學開發了主動遙感高光譜儀器GreenSeeker。它采用主動遙感方式，自身攜帶的高強度發光二極管發射Red（紅光）與NIR（近紅外光），經過作物反射后再被二極管接受并轉換測量，從而獲得兩波段反射率，將數據信息記錄在掌上電腦，換算出光譜植被指數參數數據，并依據所獲取的NDVI分析作物生長信息[4]。NDVI作為遙感植被遙感技術中最常用的植被指數之一，它是便攜式主動遙感光譜儀所獲取的重要植被指數之一，也是運用最為廣泛的植被指數之一。NDVI更適用于高植被覆蓋下的區域植被生長狀況監測，在眾多植被光指數中應用非常廣泛，綠色作物反射光譜的突出特點是對紅光（Red）的高吸收率和對近紅外光（NIR）的高反射率，NDVI值能夠很好的反應綠色植物的生長狀況[5-7]。

GreenSeeker儀器在國外多個國家被應用，其中美國在氮素利用效率和精準農業管理方面研究較多，并成功在小麥、玉米、棉花、大豆等作物上進行監測長勢、估測產量和施肥推薦研究[8]。GreenSeeker法避免了常規光譜儀器必須接觸測定、工作量大的缺點，擺脫了被動高光譜遙感對外界光源的依賴。GreenSeeker光譜儀不用接觸目標、不受外界環境干擾、能提供高解析度、獲取數據量大、操作簡單靈活，可將作物植被信息直接轉換為NDVI值，因而可以實現對作物生長狀況、作物氮素營養、產量和追肥的實時推薦[9]。GreenSeeker是比較理想的作物生長實時監測工具，而且隨著精準農業的發展，它將在農業生產中被廣泛應用[10]。本文利用GreenSeeker光譜儀對新疆滴灌常規棉田進行監測，從而實時掌握棉花的生長狀況，按需施肥，以期實現降低勞動力和生產成本，提高棉花的精準田間管理能力。

1 材料與方法

1.1 試驗地情況

試驗于2013—2014年在八師一四二團常規棉田進行，土壤質地為中壤土，前茬作物為棉花，棉花全生育期灌水和其它管理措施與當地大田管理一致。磷、鉀肥作為基肥在播種前一次性施入。

1.2 試驗設計

試驗設5個氮肥處理，分別施純氮0（N0）、120（N1）、240（N2）、360（N3）和480 kg/hm2（N4）。采用膜下滴灌栽培，1膜2管4行栽培模式，株行距配置為（10 cm+66 cm+10 cm）×10 cm，供試棉花品種為新陸早48號。試驗棉花于2013年4月28日出苗，7月8日打頂，9月10測產量；2014年5月1日出苗，7月10日打頂，9月15日測產量。留苗密度均為21萬株/hm2；小區面積為51 m2，重復3次，隨機區組排列。NDVI值采用GreenSeeker便攜式主動遙感光譜儀測定。

1.3 測定方法

GreenSeeker手持便攜式主動遙感光譜儀紅光波段為（671±6）nm，近紅外光波段（780±6）nm，光譜寬幅為0.6 m。光譜信號通過系統自帶的軟件處理，可以直接得到NDVI數據。測量時將光譜探照頭平行于棉花植被冠層，行端各留2 m緩沖區。行進速度1.25 m/s，高度0.5 m，長度10 m，每小區選取長勢均勻的3個點，重復測量3次。測定時間為10：00～12：00，于無風晴朗的天氣測定。具體測定時間：2014年分別在棉花蕾期（19/6，1/7）、花期（11/7，25/7）、鈴期（6/8，18/8）和吐絮期（26/8、10/9）測定；2013年分別在在棉花蕾期（25/6、3/7）、花期（13/7、24/7）、鈴期（4/8、16/8）和吐絮期（28/8、8/9）測定。測定獲得的數據在GreenSeeker掌上電腦上進行編號，選擇NDVI的平均值利用Excel進行數據轉化和處理。

1.4 統計分析

數據輸入與整理采用Excel 2010；統計、方差分析和LSD多重比較用SPSS 17.0軟件進行；作圖采用Origin8.5軟件。

圖1 2013（a）和2014（b）年不同氮營養棉花冠層NDVI值變化

圖2 2013（a）和2014（b）年棉花各生育時期冠層NDVI值變化

2 結果與分析

2.1 棉花冠層NDVI值的變化特征分析

在2013年和2014年棉花的2個生長周期內，從2年的NDVI值動態變化可以看出，NDVI值在棉花整個生育期總體上呈現“低-高-低”的變化趨勢（圖1）。在棉花的生長初期，由于葉面積指數和生物量相對較少，所以前期棉花冠層的NDVI值相對較小；隨著生育期的推進，地上部分生長速度加快，葉片葉綠素含量和冠層蓋度度迅速增大，使得NDVI值上升幅度大；在棉花出苗后100 d，NDVI值達到峰值，此后由于棉花營養生長逐漸衰退，棉花對紅光波段反射率增加，吸收率降低，NDVI值開始緩慢下降。棉花整個生育期內的NDVI值變化與棉花生長狀況及養分積累特征變化規律一致，說明NDVI能夠反應棉花養分狀況和生長規律。

從不同氮處理間NDVI值的動態變化趨勢可以看出，隨著施氮量的增加，棉花冠層NDVI值逐漸增大。但在2013年棉花出苗后85～110 d和2014年棉花出苗后93～105 d，NDVI值增加不明顯，即在盛鈴期生殖生長大于營養生長時，光譜吸收值接近飽和。總體上，高氮處理條件下NDVI值高于低氮處理的NDVI值，表現為N4＞N3＞N2＞N1＞N0。

2.2 不同生育期棉花冠層NDVI值變化特征分析

從棉花盛蕾期、花期、盛鈴期和初絮期的NDVI值變化可以看出，棉花盛鈴期冠層NDVI值最大，盛蕾期最小，花期和初絮期NDVI值相差不明顯（見圖2）。在各生育時期，隨著施氮量的增加，棉花冠層NDVI值呈現逐漸增加的趨勢，年際間比較，2013年與2014年結果基本一致。從NDVI值誤差上看，低氮處理的標準誤差大于高氮處理的誤差，這可能是由于土壤肥力差異和棉花長勢不均勻所致。

3 小結

本試驗使用主動遙感光譜儀GreenSeeker獲取棉花NDVI值，對不同氮營養條件下棉花NDVI值動態變化進行了全面分析。結果表明：不同氮營養條件下NDVI值變化呈“低-高-低”的變化趨勢，在棉花出苗后100 d出現峰值，總體上高氮處理條件下NDVI值高于低氮處理的NDVI值；從棉花盛蕾期、花期、盛鈴期和初絮期的NDVI值變化可以看出，棉花盛鈴期冠層NDVI值最大，盛蕾期最小，花期和初絮期NDVI值相差不明顯。使用GreenSeeker能夠快速實時的對棉花進行生長監測，NDVI值能夠真實反映棉花的生長狀況，也為使用GreenSeeker對棉花養分估測、產量估測及施肥推薦等一系列研究奠定了基礎。

[1]馮宗會.不同水氮管理下NDVI監測及優化施氮研究[D].北京：北京首都師范大學，2012.

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[10]彭虓，張樹文.基于NDVI與LAI的水稻生長狀況研究[J].遙感技術與應用，2002，17（1）：12-16.

2015—05—16