銅脅迫下玉米葉片光譜諧波振幅特征與脅迫程度判別

郭 輝 楊可明 張 超

(1.安徽理工大學(xué)測(cè)繪學(xué)院， 淮南 232001; 2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)地球科學(xué)與測(cè)繪工程學(xué)院， 北京 100083)

0 引言

玉米在我國(guó)廣泛栽種，在礦區(qū)也是一種重要的農(nóng)作物，其栽種區(qū)域主要分布在東北、華北和西南地區(qū)，大致形成一個(gè)從東北到西南的斜長(zhǎng)形玉米栽培帶。礦山高強(qiáng)度持續(xù)開(kāi)采所產(chǎn)生的矸石山、尾礦與廢水對(duì)礦區(qū)及周邊生態(tài)環(huán)境與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來(lái)嚴(yán)重的威脅，其中，重金屬污染是一類重要的環(huán)境問(wèn)題[1-3],此外，農(nóng)藥化肥的大量使用、大氣沉降等因素也使得土壤重金屬污染愈加嚴(yán)重[4]。高光譜遙感具有細(xì)微識(shí)別和無(wú)損探測(cè)等優(yōu)勢(shì)，具備區(qū)分地物診斷性光譜特征的能力[5-6],利用高光譜遙感對(duì)農(nóng)作物重金屬污染脅迫等弱信息進(jìn)行提取與判別是高光譜遙感的研究熱點(diǎn)。文獻(xiàn)[7]結(jié)合歐氏距離(Euclidean distance, ED)與光譜微分梯度角(Differential spectral gradient angle, DSAG)的正切，構(gòu)建了一種基于光譜相似性測(cè)度的ED-T-DSGA光譜分析模型，并利用該模型分析了不同銅脅迫梯度下玉米葉片光譜間差異與污染程度。文獻(xiàn)[8]選取與葉綠素含量、葉面積及水分相對(duì)含量等3個(gè)關(guān)鍵參數(shù)有關(guān)的紅邊位置(Red edge position, REP)、紅邊位置一階微分(The first derivative at the red edge, dRE)與短波紅外水脅迫指數(shù)(Shortwave infrared water stress index, SIWSI)，分析了玉米受干旱、銅脅迫及其混合脅迫，借助決策樹(shù)分析可判別玉米受3種脅迫的類型。文獻(xiàn)[9]定義了綠波近紅外植被指數(shù)(Vegetation index considering greenness and shortwave infrared, VIGS)探測(cè)植被受土壤重金屬脅迫程度，并在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)用該指數(shù)探測(cè)Cu、Pb、Zn與Cd 4種重金屬富集引起的光譜變化，結(jié)果表明，在探測(cè)植被受脅迫程度方面，VIGS指數(shù)比NDVI指數(shù)更加敏感，且能放大脅迫差異。文獻(xiàn)[10]分析了Cu、Zn脅迫下小麥冠層光譜特征，研究發(fā)現(xiàn)，小麥在分蘗期與拔節(jié)期對(duì)重金屬耐受力存在較大差異。文獻(xiàn)[11]利用離散小波對(duì)冠層光譜進(jìn)行分解后，基于第4層細(xì)節(jié)小波系數(shù)重構(gòu)波長(zhǎng)605～720 nm反射光譜，構(gòu)建了小波面積參數(shù)SWT(605～720)，以分析苔屬植物中銅污染弱信息。銅污染脅迫下，植被光譜弱畸變也使植被光譜信號(hào)相應(yīng)波段的諧波子信號(hào)特征發(fā)生變化，植被光譜因重金屬銅污染脅迫引起的光譜弱畸變?cè)谥C波特征空間中更容易被探測(cè)與判別，因此，開(kāi)展諧波分析在高光譜植被重金屬污染監(jiān)測(cè)方面的研究具有重要的理論及現(xiàn)實(shí)意義。銅污染脅迫下，玉米葉片光譜對(duì)銅脅迫的響應(yīng)在不同生長(zhǎng)階段也應(yīng)存在較大的差異，因此，研究確定利用葉片光譜判別玉米銅脅迫程度的最佳生長(zhǎng)階段也具有重要意義。

本文在地面設(shè)置11個(gè)梯度銅脅迫玉米盆栽實(shí)驗(yàn)，在玉米出苗期、拔節(jié)期與出穗期采集玉米老葉光譜、葉綠素含量以及出穗期葉片銅含量等數(shù)據(jù)；闡述利用前3次諧波振幅C1、C2與C3探測(cè)銅污染脅迫下玉米葉片光譜弱畸變的機(jī)理；解析前3次諧波子信號(hào)振幅C1、C2、C3與銅脅迫梯度間的規(guī)律，并進(jìn)行玉米植株受銅脅迫程度的判別，研究確定利用諧波子信號(hào)振幅特征進(jìn)行玉米植株銅污染脅迫程度判別與分析的最佳生長(zhǎng)階段。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)獲取

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

地面盆栽實(shí)驗(yàn)在中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)溫室實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。植物培養(yǎng)選取“密糯8號(hào)”玉米種子，實(shí)驗(yàn)選用含有Cu2+的CuSO4·5H2O2作為重金屬污染源，實(shí)驗(yàn)中設(shè)置0、50、100、150、200、300、400、600、800、1 000、1 200 μg/g等11個(gè)銅脅迫梯度(分別標(biāo)記為CK、Cu(50)、Cu(100)、Cu(150)、Cu(200)、Cu(300)、Cu(400)、Cu(600)、Cu(800)、Cu(1 000)、Cu(1 200))，每個(gè)梯度均設(shè)置3組平行樣，共計(jì)33盆玉米盆栽。實(shí)驗(yàn)中采用周圍防滲水、底漏的花盆以及無(wú)污染的自然土壤作為玉米的培養(yǎng)基質(zhì)。此外，實(shí)驗(yàn)中，各梯度盆栽土壤除銅含量不同外，土壤中N、P、K含量以及pH值、土壤含水率、土壤顆粒大小等均相同。

1.2 玉米葉片光譜采集

采用美國(guó)SVC公司生產(chǎn)的SVC HR-1024I型地物光譜儀測(cè)定玉米葉片光譜。光譜采集中，使用功率為50 W的鹵素?zé)艄庠矗饫w探頭垂直于葉片表面，每盆玉米葉片光譜測(cè)量3次，輸出結(jié)果由原始掃描光譜自動(dòng)平均所得，光譜反射系數(shù)經(jīng)專用平面白板標(biāo)準(zhǔn)化處理，由此得到不同梯度銅污染脅迫下的玉米老葉光譜。實(shí)驗(yàn)中，各設(shè)置梯度脅迫下出苗期、拔節(jié)期與出穗期玉米葉片光譜如圖1所示。

圖1 各梯度玉米老葉光譜Fig.1 Spectral reflectance of maize old leaves under copper stress

2 諧波分析

諧波分析最早被應(yīng)用到電力系統(tǒng)諧波污染監(jiān)測(cè)與控制中[12]。目前，諧波分析在遙感分析與處理中，也有著廣泛的應(yīng)用，例如在土地覆被分類[13-15]、高光譜小目標(biāo)探測(cè)[16]、植被指數(shù)時(shí)間序列重建[17]等方面已取得了較好的效果。諧波分析對(duì)信號(hào)具有較強(qiáng)的分析能力，通過(guò)對(duì)光譜進(jìn)行諧波分解，可將玉米葉片光譜中蘊(yùn)含銅污染的光譜弱畸變分解到低次諧波上，而將高頻噪聲分解到高次諧波上，從而更加有利于對(duì)信號(hào)中有用信號(hào)的分析[18]。諧波分析的計(jì)算式[19]為

(1)

式中V(x)——待分析信號(hào)

N——波段總數(shù)

A0/2——諧波余項(xiàng)

Ah、Bh、Ch——第h次諧波分解余弦振幅、正弦振幅與諧波子信號(hào)振幅

φh——h次諧波初始相位

原始光譜信號(hào)經(jīng)過(guò)h次諧波后，諧波余項(xiàng)與各子信號(hào)特征成分計(jì)算式為

(2)

(3)

(4)

(5)

φh=arctan(Ah/Bh)

(6)

式中vk——反射光譜第k波段的反射率

3 諧波子信號(hào)振幅特征變化機(jī)理

銅脅迫下，葉片內(nèi)部結(jié)構(gòu)、含水率、葉綠素含量等微觀粒子與超微結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生變化，玉米葉片光譜為葉片中銅離子對(duì)其他微觀粒子及超微結(jié)構(gòu)綜合影響的結(jié)果。在480～670 nm波段，由于主要受葉片中葉綠素等色素的影響，在550 nm綠峰附近，吸收減弱，綠峰有抬升的趨勢(shì)；在670～750 nm波段，由于在680 nm紅谷附近吸收減弱，在該波段附近反射率增大，紅谷變淺，另外，受近紅外反射坪的反射率升高影響，在670～750 nm紅邊波段范圍內(nèi)，光譜有藍(lán)移或向短波方向移動(dòng)的現(xiàn)象[20-21]。本文構(gòu)造了正常生長(zhǎng)玉米、低濃度脅迫玉米與高濃度脅迫玉米葉片光譜在480～670 nm、670～750 nm兩波段上的光譜反射率。葉片反射光譜的變化或弱畸變，表明葉片光譜所承載的電磁波能量在銅污染脅迫下發(fā)生了變化，3種污染脅迫程度下玉米葉片光譜曲線如圖2所示。

圖2 3種污染脅迫程度下玉米葉片光譜Fig.2 Maize leaves reflectance for three different copper stress levels

利用諧波分析對(duì)480～670 nm與670～750 nm兩波段上模擬光譜曲線進(jìn)行分解，提取前3次諧波子信號(hào)振幅，其振幅特征見(jiàn)表1。由表1分析得出：3種污染脅迫條件下，光譜在480～670 nm與670～750 nm波段上反射率的變化也造成了兩波段光譜對(duì)應(yīng)的能量發(fā)生了變化，并在諧波前3次子信號(hào)振幅C1、C2、C3上明顯呈現(xiàn)出來(lái)。480～670 nm與670～750 nm波段的前3次諧波振幅見(jiàn)表1，對(duì)于480～670 nm波段，振幅C1與振幅C2隨著脅迫程度增強(qiáng)而逐漸增大；對(duì)于670～750 nm波段，振幅C1、C2、C3隨著污染脅迫增加逐漸增大。此外，光譜信號(hào)的諧波子信號(hào)前3次振幅都隨著分解次數(shù)的增加而衰減，這也表明諧波分解后所獲取的低次諧波振幅蘊(yùn)含的輻射能量信息較高次諧波要大。基于480～670 nm波段與670～750 nm波段模型數(shù)據(jù)的諧波分析，驗(yàn)證了在480～670 nm與670～750 nm兩波段上，諧波子信號(hào)振幅特征參量具有判別與區(qū)分光譜弱畸變的能力。因此，可利用480～670 nm與670～750 nm波段的前3次諧波子信號(hào)振幅C1、C2、C3對(duì)玉米植株銅脅迫程度進(jìn)行分析與判別。

表1 3種污染脅迫程度下葉片光譜的諧波振幅特征Tab.1 Harmonic amplitude characteristics of leaves reflectance for three different copper stress levels

4 各生育期諧波子信號(hào)振幅特征及脅迫程度判別

4.1 出苗期

對(duì)玉米出苗期老葉光譜480～670 nm與670～750 nm兩波段進(jìn)行諧波分析，提取前3次諧波子信號(hào)振幅分析出苗期玉米植株銅污染脅迫程度，其前3次諧波子信號(hào)振幅如圖3所示。

圖3 出苗期前3次諧波子信號(hào)振幅Fig.3 The first three harmonic amplitudes at seedling stage

對(duì)于出苗期玉米老葉，在480～670 nm波段，隨著土壤中銅離子濃度增大，振幅C1有逐漸變大的趨勢(shì)，從Cu(100)對(duì)應(yīng)的3.378增加到Cu(1200)對(duì)應(yīng)的5.391；隨著銅離子濃度增大，振幅C2從Cu(100)梯度對(duì)應(yīng)的1.198增加到Cu(800)梯度對(duì)應(yīng)的1.772，而從Cu(800)梯度到Cu(1200)梯度，其值有變小的趨勢(shì)；而振幅C3有隨著銅離子濃度增大的趨勢(shì)，但其值變化規(guī)律不明顯。在670～750 nm波段，在Cu(100)到Cu(1200)梯度內(nèi)，振幅C1隨著銅脅迫梯度的增加而增大，從Cu(100)對(duì)應(yīng)的18.193增加到Cu(1200)對(duì)應(yīng)的24.495；在Cu(100)到Cu(1200)梯度內(nèi)，振幅C2、C3隨著脅迫梯度增加有增大的趨勢(shì)。

4.2 拔節(jié)期

對(duì)玉米拔節(jié)期老葉光譜480～670 nm與670～750 nm兩波段進(jìn)行諧波分析，提取前3次諧波子信號(hào)振幅分析拔節(jié)期玉米植株銅污染脅迫程度，其前3次諧波子信號(hào)振幅如圖4所示。

圖4 拔節(jié)期前3次諧波子信號(hào)振幅Fig.4 The first three harmonic amplitudes at jointing stage

在玉米拔節(jié)期，對(duì)玉米老葉光譜，在480～670 nm波段，隨著銅脅迫程度增大，第1諧波子信號(hào)振幅C1有增大的趨勢(shì)，在Cu(400)到Cu(1200)梯度內(nèi)，除Cu(1000)梯度外，振幅C1隨脅迫程度的增大而逐漸增加，即從Cu(400)對(duì)應(yīng)的3.228增加到Cu(1200)對(duì)應(yīng)的4.728，但在CK到Cu(300)梯度內(nèi)，隨脅迫梯度增加，振幅C1逐漸增大趨勢(shì)不明顯；振幅C2在Cu(400)到Cu(1200)梯度內(nèi)，其值與脅迫程度變化一致；振幅C3在Cu(400)到Cu(1200)梯度內(nèi)，其值與脅迫濃度變化相反。在670～750 nm波段，隨土壤中銅離子濃度增大，前3次諧波子信號(hào)振幅C1、C2、C3均值無(wú)規(guī)律。

4.3 出穗期

對(duì)玉米出穗期老葉光譜480～670 nm與670～750 nm兩波段進(jìn)行諧波分析，提取前3次諧波子信號(hào)振幅分析出穗期玉米植株銅污染脅迫程度，其前3次諧波子信號(hào)振幅如圖5所示。

圖5 出穗期前3次諧波子信號(hào)振幅Fig.5 The first three harmonic amplitudes at heading stage

對(duì)于玉米出穗期老葉，在480～670 nm波段，隨著銅離子脅迫強(qiáng)度增大，振幅C1有變大的趨勢(shì)，從Cu(50)到Cu(1200)梯度，除Cu(1000)梯度外，振幅C1從Cu(50)梯度對(duì)應(yīng)的3.337增加到Cu(1200)梯度對(duì)應(yīng)的7.206，在該梯度內(nèi)，振幅C1可較好地判別與區(qū)分玉米葉片受銅污染脅迫梯度；振幅C2隨著銅離子濃度增加也有增大的趨勢(shì)，但不能區(qū)分與判別脅迫梯度；隨著銅濃度增加，振幅C3變化無(wú)明顯規(guī)律。在670～750 nm波段，隨土壤中銅離子濃度增大，前3次諧波子信號(hào)振幅均值無(wú)規(guī)律。

5 結(jié)論

(1)玉米出苗期，在480～670 nm波段，隨著銅脅迫梯度的增加，振幅C1有逐漸變大的趨勢(shì)，從Cu(100)對(duì)應(yīng)的3.378增加到Cu(1200)對(duì)應(yīng)的5.391；在670～750 nm波段，在Cu(100)到Cu(1200)梯度內(nèi)，振幅C1隨著銅脅迫梯度的增加而增大，從Cu(100)對(duì)應(yīng)的18.193增加到Cu(1200)對(duì)應(yīng)的24.495。在Cu(100)到Cu(1200)梯度范圍內(nèi)，利用出苗期在480～670 nm與670～750 nm波段的諧波振幅C1可有效判別玉米植株受銅污染脅迫程度。

(2)對(duì)于玉米出穗期老葉，在480～670 nm波段，在Cu(50)到Cu(1200)梯度范圍內(nèi)，除Cu(1000)梯度外，振幅C1從Cu(50)梯度對(duì)應(yīng)的3.337增加到Cu(1200)梯度對(duì)應(yīng)的7.206，此波段振幅C1能有效地判別玉米植株受銅污染脅迫程度。

(3)玉米出苗期與出穗期是利用諧波子信號(hào)振幅特征監(jiān)測(cè)、分析與判別玉米植株受銅污染脅迫程度的最佳生長(zhǎng)階段，其中，在出穂期，480～670 nm波段的諧波子信號(hào)振幅C1的銅脅迫程度判別能力優(yōu)于670～750 nm波段。